Linac

Linearbeschleuniger im CERN

Ein Linearbeschleuniger oder Linac (von engl. Linear Accelerator) ist eine Art von Teilchenbeschleuniger. Mit ihm können elektrisch geladene Teilchen (z. B. Elektronen, Protonen, Positronen oder Ionen) auf gerader Bahn beschleunigt werden.

Entwicklung und Funktion der Linearbeschleuniger

Prinzipieller Aufbau eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe

Ein US-amerikanischer Elektronenbeschleuniger vom Typ Mark III, Office of Naval Research, in den 1950er-Jahren

Ein Linearbeschleuniger sowjetischer Bauart zur Medizinischen Strahlentherapie in Jena, DDR, im Februar 1985

Während die Teilchen früher durch Gleichspannungen beschleunigt wurden, stellte sich recht bald heraus, dass damit nicht beliebig hohe Teilchenenergien zu erreichen sind: Wird die Spannung über eine gewisse Grenze erhöht, entsteht wegen der Koronaentladung ein Lichtbogen.

Deshalb wandte man sich vom Prinzip der Gleichspannungs-Beschleunigung ab. Der Wechselspannungs-Linearbeschleuniger wurde vom Schweden Gustaf Ising vorgeschlagen und erstmals von Rolf Wideröe im Jahr 1928 aufgebaut. Diese Linearbeschleuniger werden aus vielen Beschleunigungselementen, den so genannten Driftröhren, aufgebaut. Zwischen den einzelnen Driftröhren befinden sich Spalten, in denen ein elektrisches Feld pulsiert, welches so getaktet ist, dass die Teilchen beim Durchflug von einem Element zum anderen immer mehr beschleunigt werden und somit ihre kinetische Energie in relativ kleinen Schritten zunimmt, während die Driftröhre selbst wie ein Faradayscher Käfig wirkt. So kann das Feld, während das zu beschleunigende Teilchen die Driftröhre passiert, umgepolt werden, so dass im Anschluss erneut ein beschleunigendes Feld auf das Teilchen wirkt. Auf diese Weise können Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die mit einem einzigen Beschleunigungselement nicht zu erreichen sind.

Ein moderner Linearbeschleuniger besteht aus einem zylinderförmigen Hohlleiter, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreitet (Wanderwellenbeschleuniger, Runzelröhre). Da die Phasengeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Hohlleitern größer ist als die des Lichts im Vakuum, muss sie durch regelmäßig angeordnete Irisblenden „gebremst“ werden.

Einsatz von Linearbeschleunigern

Man kann verschiedene Einsatzarten von Linearbeschleunigern unterscheiden.

• Bei der Teilchenforschung werden die auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Teilchen auf am Ende des Beschleunigers angeordnete Ziele (Targets) gerichtet, und die beim Zusammenprall entstandenen neuen Teilchen werden untersucht.
• In einem anderen Fall werden Teilchen in zwei Linearbeschleunigern mit entgegengesetzter Richtung beschleunigt, aufeinander geschossen und die Reaktionen untersucht.
• Für praktische Zwecke werden Linearbeschleuniger mit Elektronenstrahl zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet; diese dient
  • in der Medizin zur Strahlentherapie von Krebstumoren
  • in der Industrie zur Durchstrahlungsprüfung von dickwandigen Bauteilen.

Linearbeschleuniger in Hochenergie-Experimenten

In der physikalischen Forschung werden heutzutage Ringbeschleuniger wie ehemals HERA am DESY in Hamburg oder LEP und seit dem 10. September 2008 LHC am CERN in Genf für derartige Experimente genutzt, wobei hier in der Regel zwei entgegengesetzt umlaufende Teilchenstrahlen an definierten Punkten zur Kollision gebracht werden. Dieser Ansatz lässt sich aber für Elektronen und Positronen nicht mehr fortführen, da das Erreichen höherer Kollisionsenergien durch die sogenannte Synchrotronstrahlung verhindert wird. Ein Linearbeschleuniger mit Kollisionen existierte am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), der Stanford Linear Collider (SLC). Zur Zeit wird die Möglichkeit erforscht, eine derartige Maschine mit für Elektron-Positron-Kollisionen bisher unerreichter Kollisionsenergie zu bauen. Entsprechende Studien existieren für den International Linear Collider (ILC) und den Compact Linear Collider (CLIC).

Siehe auch

• Elekta Corporate − Schwedischer Hersteller von Linearbeschleunigern
• Varian Medical Systems
• Siemens Medical Solutions
• Teilchenbeschleuniger
• Ablenkmagnet
• TESLA-Beschleuniger