Elektronenspeicherring

Skizze eines typischen Speicherrings für Hochenergiephysik-Experimente

Ein Speicherring ist ein ringförmiges Vakuumgefäß, das zur Speicherung von Strahlen erzeugenden hochenergetischen elektrisch geladenen Teilchen – Elektronen oder Ionen – dient. Die Teilchen werden durch Magnete auf einer geschlossenen Umlaufbahn gehalten. Speicherringe fallen ins Gebiet der Beschleunigerphysik, obgleich sie keine Teilchenbeschleuniger im strengen Sinne darstellen, da die Energie in ihnen konstant gehalten wird und die Beschleunigungsstrecken nur den Zweck haben, Strahlungsverluste auszugleichen.

Die Teilchen werden zuerst in einem Teilchenbeschleuniger sehr hoch beschleunigt und stehen dann im Speicherring in zwei gegeneinander gerichteten Strahlen für Kollisionsexperimente zur Verfügung. Auf diese Weise kann, anders als beim Beschuss eines feststehenden Targets, die gesamte kinetische Energie in Masse umgewandelt werden, denn es wird keine kinetische Energie für eine Weiterbewegung des Schwerpunkts des Teilchensystems benötigt (siehe Kinematik).

Speicherringe benötigen stabile Teilchen, wie Protonen, Antiprotonen oder Elektronen.

Man kann mit Hilfe von Elektronenspeicherringen auch Synchrotronstrahlung erzeugen. Dazu werden besondere Bauteile eingebaut, die sogenannten Wiggler bzw. Undulatoren, mithilfe derer das Teilchen auf der Geraden in eine Wellenlinie und damit zum Abgeben der Strahlung gebracht wird.

Physikalische Grundlagen

Durch die Lorentzkraft wird ein sich mit der Geschwindigkeit v bewegendes geladenes Teilchen der Masse m und Ladung q in einem magnetischen Feld auf eine Kreisbahn mit Radius r gezwungen. Setzt man Lorentzkraft $\vec{F}_L = q \cdot \vec{v} \times \vec{B}$ und Zentripetalkraft $F_Z = \frac{m\vec{v}^2}{r}$ gleich, kann man die resultierende Gleichung nach r auflösen und den Durchmesser des Kreises bestimmen, auf dem sich die Teilchen bei gegebenem Magnetfeld $\vec{B}$ bewegen. Auch durch elektrische Felder können Teilchen abgelenkt werden. In einem Speicherring werden schnelle elektrisch geladene Teilchen (z. B. Elektronen) durch magnetische und elektrische Felder auf einer in sich geschlossenen Bahn gehalten und so gespeichert.

Speicherring-Standorte

Speicherringe finden sich

• am CERN bei Genf
  • LEP - Large Electron Positron Storage Ring (Umfang: 27 km, höchste erreichte Schwerpunktsenergie: 209 GeV, Betrieb bis 2000)
  • LHC - Large Hadron Collider (Umfang: 27 km, Schwerpunktsenergie: 14 TeV, Inbetriebnahme 10. September 2008)
• auf dem Gelände der WISTA in Berlin
  • Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY) (Umfang 240 m, Energie 1,7 GeV)
  • MLS (Willy-Wien-Laboratorium) der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) (Umfang 48 m, Energie 200 - 600 MeV)
• am Forschungszentrum Karlsruhe
  • ANKA - Ångströmquelle Karlsruhe (Umfang 100 m, Energie 2,5 GeV)
• an der Technischen Universität Dortmund
  • DELTA - Dortmunder Elektronen Speicherring Anlage (115,2 m)
• am Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg
  • DORIS - Doppel-Ring-Speicher (Umfang: 300 m, Energie 4,6 GeV)
  • PETRA - Positron Electron Tandem Ring Accelerator (Umfang: 2,3 km, maximale Schwerpunktsenergie: 47 GeV, Betrieb als Collider 1978 bis 1986, ab 2009 Betrieb als Synchrotronstrahlungsquelle)
  • HERA - Hadron Electron Ring Accelerator (Umfang: 6,3 km, Betrieb 1991 bis 2007)
• am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) bei Chicago
  • Tevatron - Proton-Antiproton-Beschleuniger (Umfang: 6,3 km, Schwerpunktsenergie: 1,96 TeV, Betrieb seit 1983)
• am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt
  • ESR - Experimentier-Speicher-Ring
• am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg
  • TSR
• am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) an der Stanford-Universität
  • PEP-II

Siehe auch

• Liste der Teilchenbeschleuniger