Willkommen auf meinem Weblog / Welcome to my blog

Es startet die Entdeckungstour auf verschlungenen Pfaden zu unentdeckten physikalischen Forschungen und Themen, die sich ergebnislos im Gespräch befanden und deren Rätsel durch dieses Blog kaum gelöst, aber zumindest gemeinsam etwas bedacht und besprochen werden können. Was sonst noch als bedeutsam im Leben oder der Umgebung wahrgenommen wird, landet hier auch. Der Leser kann selber problemlos kommentieren - was als Feedback und Ergänzung der Artikel wünschenswert wäre.
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A short translation of the article in English You find at the end of the blog.

Donnerstag, 13. Mai 2010

Synchrotron - Detektoren



Wenn sich irgendwo eine neue Technologie etabliert, dann wäre es Anspruch, dass solche Technik zumindest in ihrem Grundprinzip verstanden wird. Die Erfahrung zeigt, dass es hier eine gigantische Phasenverschiebung des Verständnisses zwischen den real laufenden Experimenten in Teilchenbeschleunigern wie dem LHC von CERN bei Genf und dem Denken von ansonsten durchaus gebildeten Menschen gibt. Wenn noch begriffen wird, dass in einem Ringbeschleuniger oder Synchrotron Teilchenpakete kreisförmig mit hoher Geschwindigkeit umlaufen und zur Kollision gebracht werden, dann hört es mit den Erklärungen schnell auf, wenn nach der Auswertung solcher Kollisionen mit Hilfe von Detektoren gefragt wird. In diesem Sinne sei die Hoffnung ausgesprochen, dass etwas mehr Kenntnis auch in die Diskussionen des Internets einfließt, wenn die Grundlagen besser verstanden werden. Wobei diese Beschleuniger-Technologie ein weites Feld ist, das nicht eben mal auf die schnelle komplett kapiert werden kann - aber step by step wird es vielleicht doch zur Normalität gehören, dass man weiß, was da unter dem Erdboden kreist und passiert und per Detektor ausgewertet wird.
Siehe auch Blogeintrag:
http://gerhardkemme.blogspot.com/2010/05/synchrotron.html
Einführung
Bei früheren Teilchenexperimenten genügte meist ein einzelner Detektor, um Messergebnisse wie Flugbahn, d.h. Ort, oder elektrische Ladung zu erhalten. So benutzte Ernest Rutherford bei seinem berühmten Streuexperiment einen einfachen Zinksulfid-Schirm zur Registrierung der an der Goldfolie gestreuten a-Teilchen.
Moderne Hochenergieexperimente erzeugen hingegen eine so große Menge und Vielfalt an Teilchen, dass ein einzelner Detektor nicht mehr zur Detektierung aller Teilchen mitsamt ihrer Eigenschaften, d.h. Energie, Impuls, Ort, Ladung, ausreicht. Aus diesem Grund bestehen heutige Experimente aus mehreren einzelnen  Detektoren, die zu einem sogenannten Großdetektor zusammengebaut werden, z.B. den ATLAS-Detektor von CERN. Jeder Großdetektor besteht aus einzelnen Detektoren bzw. Detektorkomponenten.

Wirkungsweise eines Großdetektors
Um die bei Kollisionsexperimenten entstandenen Teilchen zu registrieren, werden Großdetektoren eingesetzt. Diese bestehen aus mehreren einzelnen Detektoren. Die einzelnen Komponenten des Großdetektors werden schichtweise angeordnet. Im Fall von kollidierenden Teilchenstrahlen werden Großdetektoren um den Kollisionspunkt herum schichtweise aufgebaut. Im Fall des Beschusses eines festen Targets mit einem Teilchenstrahl (fixed target experiment) wird der Großdetektor hinter  dem Kollisionspunkt (Target) gebaut, da aufgrund der Impulserhaltung die neu entstehenden oder abgelenkten Teilchen nach hinten fliegen.
Die schichtweise Abfolge der verschiedenen einzelnen Detektoren im Großdetektor ist immer ähnlich und geht vom Kollisionspunkt aus zum Ersten Spurdetektor, Zweiten Spurdetektor, Elektromagnetischen Kalorimeter, Hadronischen Kalorimeter und dann zu den Zählern, d.h. solche Vielzweck-Detektoren sind von innen nach außen in drei Bereiche gegliedert. Der innere Detektor dient der Messung von Teilchenspuren. In der Mitte befinden sich Kalorimeter zur Bestimmung der Energie der Teilchen. Daran schließen sich außen die so genannten Myonkammern an, mit denen Myonen, die schweren Vettern der Elektronen, aufgespürt werden. Ein solcher Vielzweck-Detektor befindet sich in einem sehr starken Magnetfeld, das die Bahnen der entstehenden Teilchen krümmt. Das Magnetsystem setzt sich dabei aus verschiedenen Elementen zusammen.

Erster Spurdetektor
Der erste Spurdetektor dient der Aufzeichnung der Bahn, bzw. Spur, der entstandenen Teilchen mit einer hohen Ortsauflösung. Häufig wird mit einem Elektromagneten ein starkes Magnetfeld, ca. 1 bis 2 Tesla, erzeugt, so dass geladene Teilchen eine Kreisbahn durchfliegen. Aus dem Bahnradius kann der Impuls der Teilchen bestimmt werden. Als erste Spurdetektoren werden mehrere Schichten von Halbleiterdetektoren oder Driftkammern verwendet, da diese die größte Ortsauflösung besitzen:
  • Halbleiterdetektoren, d.h. Zähldioden, Sperrschichtzähler, besitzen eine bessere Energieauflösung als Ionisationskammern, da sie Teilchen mit geringerer Energie detektieren können. Sie sind meist als dünne Halbleiterplättchen ausgebildet, die einen pn-Übergang enthalten. Zwischen dem n- und p-Leiter bildet sich eine ladungsträgerfreie Zone aus. Diese wird durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung vergrößert. Dringt ein ionisierendes Teilchen in diese Zone ein, erzeugt es Paare von Elektronen und Löchern. Die dafür benötigte Energie beträgt ca. 1eV und liegt im Vergleich zur Ionisationsenergie eines Gasmoleküls (ca. 30eV) viel niedriger. Die Energieauflösung des Halbleiterdetektors ist somit größer. Die Idee der Halbleiterdetektoren ist die der Ionisationskammern. Ein geladenes Teilchen, welches sich durch ein Halbleiter bewegt, erzeugt entlang seiner Bahn Ionenpaare. Die Ionisationsenergie ist sehr niedrig, so dass Elektronen nicht vollständig abgetrennt werden. Das elektrische Feld bewirkt eine Bewegung der Ionenpaare zu den jeweils gegenteilig geladenen Schichten. Dies liefert einen elektrischen Impuls, der gemessen werden kann. Neben der niedrigen Ionisationsenergie besitzt der Halbleiterdetektor einen weiteren Vorteil gegenüber der Ionisationskammer. Die Dichte des Halbleiters ist sehr viel größer als von jedem Gas. Dadurch geben die einfallenden Teilchen einen großen Teil ihrer Energie ab. Auf der anderen Seite kann der Halbleiterdetektor nicht ein so großes Volumen abdecken, wie ein Szintillator, während seine Energieauflösung viel höher ist. Das gemessene Signal ist proportional zur Energie, die in der ladungsträgerfreien Zone abgegeben wurde.
  • Man unterscheidet zwei Arten von Drahtkammern: Proportionalkammern und Driftkammern. Die Proportionalkammer ist eine Art verbesserte Ionisationskammer. Sehr viele abwechselnd positiv und negativ geladene Drähte ersetzten die bei der Ionisationskammer verwendeten Kondensatorplatten. Beim Druchgang durch die Kammer löst ein Teilchen eine Folge von Entladungen zwischen benachbarten Drähten aus. Mit Hilfe des Computers kann man daraus die Bahn des Teilchen oder Teilchenbündels rekonstruieren. Die Drähte der Proportionalitätskammer sind in mehreren Schichten angeordnet, wobei die positiv geladenen Anodendrähte im einfachsten Fall senkrecht zu den negativ geladenen Kathodendrähten verlaufen. Die Drähte befinden sich in einer leicht zu ionisierenden Gasatmosphäre. Durchfliegt ein Teilchen den Detektor, erzeugt es Ionen und Elektronen. Diese Ladungsträger bewegen sich aufgrund des elektrischen Feldes zu den Drähten. In den Drähten, die sich in der Nähe der Teilchenbahn befinden, wird ein Signal erzeugt, das die Messelektronik registriert. Aus diesen Informationen kann die Flugbahn des Teilchens bestimmt werden. 
  • Die Driftkammer ist wie eine Proportionalitätskammer aufgebaut, doch wird die Struktur des elektrischen Feldes so geändert, dass man ein konstantes elektrisches Feld senkrecht zur Einflugrichtung erhält. Dies wird durch Einfügen von sogenannten Feldformungsdrähten erreicht. Die durch Ionisation entstandenen Elektronen driften daher mit konstanten und geringen Geschwindigkeiten (ca. 50 mm/ms). In der Nähe der Anodendrähte herrscht ein starkes elektrisches Feld. Dort kommt es durch Sekundärionisation zu einer Vervielfachung des Signals. Aus der bekannten Driftgeschwindigkeit kann der ungefähr gedriftete Weg bestimmt werden. Die Driftkammern erreichen so eine höhere Ortsauflösung  als Proportionalitätskammer.
Zweiter Spurdetektor
    Der zweite Spurdetektor soll ebenfalls die Bahn der Teilchen und deren Impuls messen, ist aber großräumiger angelegt. Die Ortsauflösung ist geringer als beim ersten Spurdetektor, dafür wird aber ein größeres Volumen um das Experiment abgedeckt. Der zweiten Spurdetektor besteht meist aus Driftkammern oder Proportionalitätskammern. Siehe Proportionalkammer, siehe Driftkammer. In manchen Experimenten werden an dieser Stelle auch Cerenkov-Detektoren eingesetzt. Diese messen die Teilchengeschwindigkeit über den Öffnungswinkel des Cerenkov-Lichtkegels. Siehe Cerenkov-Detektor.

    Kalorimeter - allgemein
    Kalorimeter (oder Schauerzähler) sind Detektoren, mit denen die Energie und die Art von Teilchen bestimmt werden kann. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie auch gegenüber ungeladenen Teilchen empfindlich sind.
    In Kalorimetern wird die elektromagnetische und starke Wechselwirkung von Elementarteilchen mit Materie ausgenutzt. Sie bestehen aus passiven Materieplatten, z.B. Blei, Eisen, Uran, in denen die Wechselwirkung stattfindet, und die so als Absorptionsmaterial wirken, und dazwischenliegenden aktiven Detektorelementen (Szintillatoren), an die Photomultiplier angebracht werden.
    Neben Matrizen aus Szintillationszählern werden auch Halbleiterdetektoren und seltener auch Drahtkammern eingesetzt. Siehe Halbleiterdetektoren, siehe Drahtkammern.
    • Szintillationszähler. Die ersten Beobachtungen einzelner Teilchen wurden mit Hilfe von Szintillatormaterial (z.B. ZnS, Zinksulfid) gemacht. Energiereiche Teilchen, die in Szintillatormaterial eindringen, geben ihre kinetische Energie schrittweise fast vollständig an das Material ab. Dieses gibt die Energie wiederum in Form von sichtbarem Licht ab. Durch ein starkes Mikroskop kann man dieses als schwache Lichtblitze beobachten. Auf diese Weise, d.h. durch die Beobachtung von Lichtblitzen mit einem Mikroskop, wurde die Detektierung der a-Teilchen durchgeführt, die Rutherford bei seinem Streuexperiment verwendete. Heute läßt man das Licht auf die Photokathode eines Photomultipliers treffen und das verstärkte Signal durch eine Zählelektronik aufzeichnen. Aus der Stärke des Signals lässt sich die Energie der verursachenden Teilchen bestimmen. Um zur Energieauflösung zusätzlich eine Ortsauflösung zu erhalten, werden mehrere Szintillationszähler zu einer Matrix (array) zusammengefasst. Über mehrere Messkanäle werden die einzelnen Daten ausgewertet und die Flugbahn der detektierten Teilchen rekonstruiert.
    • Ionisationskammer. Ionisationsdetektoren dienen zur Messung der Energie, die ein Teilchen beim Durchqueren eines Mediums durch Ionisation verliert. Ionisationskammern bestehen aus einer mit Gas gefüllten Kammer und zwei Kondensatorplatten. An den Platten liegt eine elektrische Spannung an. Tritt ein ionisierendes Teilchen in das Medium ein, erzeugt es auf seiner Flugbahn Elektronen-Ionen-Paare. Durch die anliegende Spannung werden die Ladungsträger getrennt und driften sofort entlang der elektrischen Feldlinien. Die Bewegung der Ladungsträger wird als Stromstoß registriert. Im Einzelnen: Die Vorgänge sowie die Verwendung des Zählrohres hängen vor allem von der Spannung ab, die zwischen Anodendraht und Kathode anliegt. Dringt ionisierende Strahlung in das Zählrohr ein, so wird das Füllgas längs der Teilchenbahn ionisiert, wobei die Zahl der erzeugten Elektronen proportional zur Energie des einfallenden Teilchens ist. Liegt nun zwischen Anode und Kathode eine Spannung an, so werden die erzeugten Elektronen zur Anode hin beschleunigt. Ist diese Spannung jedoch zu gering, rekombiniert ein Teil der Elektronen auf dem Weg zur Anode wieder mit dem Füllgas und das Signal gibt keine Aussage über die Energie der detektierten Teilchen (Rekombinationsbereich). Erhöht man nun die Spannung, so werden irgendwann alle primär erzeugten Elektronen die Anode erreichen. Der gemessene Strom ist damit proportional zur Energie der einfallenden Strahlung. In diesem Bereich arbeiten zum Beispiel Ionisationskammern zur Messung der primären Dosisleistung der Strahlung. Bei einer weiteren Erhöhung der Spannung haben die primären Elektronen so viel Energie, dass sie durch Stöße mit den Atomen des Füllgases weitere Elektronen auslösen können. So entstehen sogenannte Elektronenlawinen mit 106 Sekundärelektronen. Die Größe des gemessenen Stroms ist aber weiter proportional zur Energie der einfallenden Strahlung (Proportionalbereich), da immer a Elektronen pro primärem Elektron entstehen. Ab einer bestimmten Spannung löst jedes einfallende Teilchen eine Kaskade von Sekundärteilchen aus, die das Zählrohr „sättigt“; jedes Teilchen erzeugt unabhängig von seiner Energie den gleichen Strom im Zählrohr. Dieser Bereich ist der eigentliche Zählbereich (auch Plateaubereich, Geiger-Müller Bereich) und wird zum Zählen der Teilchen verwendet. In diesem Bereich entstehen neben den Sekundärelektronen auch Photonen, die im gesamten Gasraum und an der Zählrohrwand weitere Elektronen auslösen (Photoeffekt). So wird das gesamte Zählrohr von der Entladung erfasst – d. h. jedes radioaktive Teilchen löst eine Entladung aus und kann so auch registriert werden. Eine weitere Erhöhung der Spannung führt zu einer Gasentladung, die nicht mehr selbstständig verlöscht und somit zu einer Zerstörung des Zählrohrs führt. Es ist somit essentiell wichtig, den Arbeitsbereich des Zählrohrs, d. h. die Spannung, die zwischen Kathode und Anode anliegt, dem Einsatzzweck anzupassen, um verwertbare Ergebnisse zu erhalten. Durch Variation der angelegten Spannung erhält man unterschiedlich wirkende Detektoren Ionisationskammern werden meist als Geiger-Müller-Zähler  verwendet, um Strahlung zu detektieren. In Großdetektoren werden häufig Drahtkammern verwendet, deren Funktionsweise beruht auf dem Prinzip der Ionisationskammern. Manchmal verwendet man auch Proportionalitätsröhren, die als Matrix angeordnet werden, um eine zusätzliche Ortsauflösung zu erhalten.
    Durch die Detektormatrizen werden die Strukturen der Teilchenschauer aufgezeichnet und später zur Teilchenidentifikation verwendet. Das ganze Kalorimeter muss so dick gebaut werden, dass die primären Teilchen ihre ganze  Energie stufenweise in einem Schauer (Kaskade) von Teilchen mit immer kleinerer Energie abgeben. Ein Teil dieser Energie wird in Wärme umgewandelt. Der überwiegende Rest wird letztendlich im Szintillator als sichtbares Licht abgegeben. Das Szintillatorlicht wird von Photomultipliern aufgefangen. Die Lichtmenge ist proportional zur Energie des eingelaufenen Primärteilchens. Die Dicke des Absorptionsmaterials muss auf die zu detektierenden Teilchen abgestimmt werden. Hadronische Kalorimeter besitzen dickeres Absorptionsmaterial als elektromagnetische Kalorimeter, da die mittlere freie Weglänge für starke  (bzw. hadronische) Wechselwirkungen größer ist als für elektromagnetische Wechselwirkungen.
    Elektromagnetisches Kalorimeter
    Im elektromagnetischen Kalorimeter wechselwirken die Teilchen mit dem Absorptionsmaterial und geben dabei Energie ab. Elektronen, Positronen und Photonen verlieren ihre Energie durch Bremsstrahlung, Paarbildung und Ionisation (elektromagnetische Wechselwirkungen). Sie verlieren ihre ganze Energie und werden absorbiert.
    Hadronisches Kalorimeter
    Im hadronischen Kalorimeter sind die Absorptionschichten dicker, so dass auch Hadronen ihre gesamte Energie abgeben und absorbiert werden. Hadronen  verlieren ihre Energie hauptsächlich durch mehrfache Kernstöße (Kernwechselwirkungen). Zu den Hadronen zählen z.B. Protonen und Neutronen.

    Zähler
    Der Zähler registriert Teilchen, die von keinem der anderen Detektoren absorbiert wurden, z.B. Müonen. Die Zähler sind wie Kalorimeter aufgebaut. Siehe Szintillationszähler
    • Der Cerenkov-Detektor (Cerenkov- Zähler) besteht aus einem Material mit hohem Brechungsindex, in dem Teilchen mit einer Geschwindigkeit, die größer als die materialspezifische Lichtgeschwindigkeit ist, Lichtkegel erzeugen. Mit Hilfe dieses Detektors können einzelne Teilchenarten unterschieden und ihre Energie bestimmt werden. Eine Schallquelle, die sich schneller als der Schall in Luft bewegt, erzeugt einen Machschen Kegel. Ähnlich hierzu erzeugt ein elektrisch geladenes Teilchen eine sich mit einer kegelförmigen Front ausbreitende elektromagnetische Welle, wenn es sich schneller als mit der materialspezifischen Lichtgeschwindigkeit durch ein Medium bewegt. Mit Hilfe eines Photomultipliers, kann diese Strahlung, d.h. die sogenannte. Cerenkov- Strahlung oder das Cerenkov-Licht, und somit das Teilchen detektiert werden. In dem durchflogenen Medium sind vier kreisförmige Lichtwellenfronten. Sie symbolisieren die durch das Teilchen erzeugte Cerenkov-Strahlung. Die Einhüllende dieser Kreise bildet die Wellenfront des Cerenkov-Lichts. Der Öffnungswinkel a kann aus der Vakuumlichtgeschwindigkeit c, dem Brechungsindex n des Mediums und der Teilchengeschwindigkeit v berechnet werden: sin (a) = c/v = c_o/(n*v) Der Öffnungswinkel a entspricht dem des Machschen Kegels. Der Cerenkov- Detektor wird vom begrenzten, in Vorwärtsrichtung abgestrahlten Cerenkov-Lichtkegel ringförmig beleuchtet. Aus dem Durchmessers des Rings kann der Winkel q bestimmt werden. Aus 90° - q = a folgt sofort a. Zum Vermessen des Ringdurchmessers wird nicht nur ein sondern eine ganze Matrix  aus Photomultipliern verwendet. Aus dem Durchmesser erhält man q und somit die Teilchengeschwindigkeit. Dieses Verfahren wird z.B. am DESY mit Hilfe des RICH Detektors durchgeführt.

    Montag, 10. Mai 2010

    Synchrotron



    Bei einem Synchrotron handelt es sich um einen Teilchenbeschleuniger, in welchem geladene Teilchen, d.h. Elektronen oder Ionen, auf geschlossenen Bahnen gezwungen und bei jedem Umlauf beschleunigt werden, so dass hohe Geschwindigkeiten und damit große Kinetische Energien möglich sind.

    Aufbau und Wirkungsweise eines Synchrotrons oder auch Kreisbeschleunigers

    Ein Synchrotron besteht aus einer Vielzahl von Ablenkmagneten, die in einer kreisförmigen Anordnung aufgestellt sind und den Strahllauf auf einer geschlossenen Bahn halten. Zwischen den Magneten bleibt genügend Platz für eine oder mehrere Beschleunigungsstrecken. Die Teilchenbahn ist somit durch den Aufbau fest vorgegeben. Damit die Teilchen diesen idealen Orbit durchfliegen, werden zusätzliche Fokussierungsmagnete eingebaut. Während der Beschleunigung wird die Magnetfeldstärke synchron mit der Teilchenenergie erhöht. Da das Synchrotron nicht bei beliebig kleiner Strahlenergie arbeiten kann, muss der Teilchenstrahl zuerst in einem Vorbeschleuniger, z.B. einem Linearbeschleuniger,  beschleunigt werden. Dann kann er bei minimalem Magnetfeld in das Synchrotron injiziert werden. Dafür verwendet man einen Injektionsmagnet oder auch Kickermagnet, der durch einen kurzen magnetischen "Kick" die Teilchen auf die Synchrotronkreisbahn lenkt. Während des Beschleunigungsvorgangs wird die Magnetfeldstärke der Ablenkmagnete entsprechend der Teilchenenergie erhöht. Ist die Endenergie erreicht, können die Teilchen durch einen sehr schnell gepulsten Ejektionsmagneten, siehe Kickermagnet, ausgelenkt werden. Danach werden dieTeilchen zu den Experimenten geleitet.
    Siehe auch:
    http://gerhardkemme.blogspot.com/2010/05/synchrotron-detektoren.html
    Ablenkungs- und Fokussierungsmagnete
    Im Folgenden werden verschiedene Arten von Magneten vorgestellt, die in einem Beschleunigersystem zum Einsatz kommen. Man unterscheidet hierbei vier Arten von Magneten:

    Dipolmagnete, um die Flugrichtung eines Teilchenstrahls zu verändern
    Beschleunigte Teilchen müssen in Speicherringen auf die Kreisbahn bzw. zu den einzelnen Experimentieranlagen gelenkt werden. Hierfür verwendet man Dipolmagnete.
    Bewegt sich ein elektrisch geladenes Teilchen durch ein Magnetfeld, erfährt es 
    eine Kraft senkrecht zu Bewegungs- und Magnetfeldrichtung, die sogenannte Lorentz-Kraft. Die Ablenkung des Teilchens hängt von seiner Ladung und der Richtung des Magnetfeldes ab.
    Dipolmagnete bestehen aus einem U-förmigen Eisenjoch, um dessen Enden Magnetspulen gewickelt sind. Im Zwischenraum bildet sich so ein homogenes Magnetfeld aus. Hier befindet sich die Vakuumröhre in der sich die Teilchen bewegen.
    Auf Grund hoher Teilchenimpulse müssen Dipolmagnete starke Magnetfelder erzeugen, da der Bahnradius der Teilchen sonst zu groß würde. Um diese Feldstärken zu erreichen, werden immer häufiger supraleitende Spulen verwendet. Durch diese Spulen können höhere elektrische Ströme verlustfrei fließen und somit stärkere Magnetfelder - ohne die im Vergleich zu herkömmlichen Magneten großen Energieverluste - erzeugt werden, z.B. solche mit 5 bis 8 Tesla.

    Quadrupol- und Sextupolmagnete, zur Fokussierung eines Teilchenstrahls
    Der Teilchenstrahl der Beschleuniger sollte sich auf der idealen Bahn im Zentrum der Vakuumröhren bewegen. In der Praxis ist der Strahl jedoch immer etwas von diesem sogenannten idealen Orbit entfernt. Damit der Strahl nicht zu weit abweicht und letztendlich verloren geht, muss er fokussiert werden. Hierzu verwendet man Quadrupol- und Sextupolmagnete.
    Quadrupolmagnete
    Quadrupolmagnete bestehen aus vier Eisenkernen. Um die Eisenkerne sind vier Spulen gewickelt. Durch den Spulenstrom bilden sich zwei Südpole und zwei Nordpole aus. Im idealen Orbit heben sich die Wirkungen der Magnetfelder gegenseitig auf. Durchfliegen Teilchen den Magneten nicht im idealen Orbit, erfahren sie eine Lorentz-Kraft. Je nach Lage werden sie zum idealen Orbit gelenkt bzw. vom ihm weggelenkt. Auf Grund des Feldlinienverlaufs wirken Quadrupolmagnete in einer Richtung fokussierend und in der dazu senkrechten Richtung defokussierend. Man bringt in einem Beschleuniger daher meist zwei Quadrupolmagnete hintereinander an, diese aber um 90° zueinander verdreht, so dass sie in Kombination den Strahl fokussieren. Quadrupolmagnete wirken auf Teilchenstrahlen fast wie fokussierende Linsen optischer Systeme auf Licht.
    Sextupolmagnet
    Der Quadrupolmagnet fokussiert die Teilchen, so dass sie im idealen Orbit fliegen. Der Sextupolmagnet hingegen fokussiert Teilchen, die auf Grund ihrer unterschiedlichen Impulse durch den Quadrupolmagneten in Flugrichtung defokussiert wurden. Der Sextupolmagnet ist vergleichbar mit einer "Farbkorrektur" eines besseren optischen Systems.

    Kickermagnete, um Teilchenpakete aus dem Beschleunigungssystem zu lenken.
    Kickermagnete sind spezielle Dipolmagnete. Sie werden eingesetzt, um beschleunigte Teilchen aus dem Beschleunigungssystem oder in das Beschleunigungssystem zu lenken. Kickermagnete müssen innerhalb von ca. 10-7 Sekunden das Ablenkmagnetfeld erzeugen, damit nur ein Teilchenpaket abgelenkt wird.
    Daher werden Kickermagnete nicht mit Eisenkernen, sondern mit Ferritkernen ausgestattet. In Ferrit entstehen beim Magnetisieren keine Wirbelströme, die die "Aufbauzeit des Feldes" verlängern würden. Ähnlich verzögernd würden die vielen Windungen der Magnetspule wirken. Man verwendet daher nur eine Spulenwindung und vergrößert die Stromstärke in dieser Windung gegenüber einer normalen Spule entsprechend.

    Wiggler-Magnete, um Synchrotronstrahlung zu erzeugen.
    Wiggler-Magnete werden zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung verwendet. Ein Wiggler-Magnet besteht aus mehreren kurzen Ablenkmagneten abwechselnder Polarität. Durchfliegt ein Elektron den Wigglermagneten, wird es mehrmals abgelenkt und gibt dabei Energie in Form von Synchrotronstrahlung ab. Die einzelnen Strahlablenkungen sind dabei sehr klein, die entstehende Strahlung summiert sich aber zu hoher Intensität. Die Synchrotronstrahlung ist scharf in Flugrichtung gebündelt.

    Beschleunigerbausteine
    Um den zu beschleunigenden Teilchen höhere Energien zuzuführen, wurden die Teilchen nicht nur durch ein einziges elektrisches Feld beschleunigt. Die Teilchen sollten hintereinander viele kleine Spannungsdifferenzen ausnutzen. Diese Überlegungen führten zum Bau von Driftröhrenstrukturen.
    Driftröhren
    Ein Teilchen wird zu einer ersten geladenen Röhre (Driftröhre) hin beschleunigt. Durchfliegt das Teilchen die erste Röhre, wird diese umgepolt. In der Röhre herrscht kein elektrisches Feld, so dass das Teilchen nicht beeinflusst wird.
    Zwischen der ersten und zweiten Röhre wird das Teilchen weiterbeschleunigt. Ist das Teilchen in der zweiten Röhre, wird wieder umgepolt, zwischen der zweiten und dritten Röhre wird das Teilchen wieder beschleunigt usw.
    Die Teilchen werden immer schneller. Damit eine Wechselspannung mit konstanter Frequenz verwendet werden kann, muss die Länge der Röhren zunehmen. Die Teilchen durchfliegen so die Röhren immer beim Umpolen der Spannung.
    Haben die Teilchen annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht, bleibt die Röhrenlänge konstant, da die zugeführte Energie zu keiner wesentlich größeren Geschwindigkeitsänderung mehr führt.
    Runzelröhren
    Haben die Teilchen "fast" Licht- geschwindigkeit erreicht, ist ein anderer Beschleunigungsmechanismus effektiver.
    Man sendet elektrische Hochfrequenz-Wellen so in eine runde Metallröhre, dass ein beschleunigendes elektrisches Feld entsteht, das sich synchron zu den sich bewegenden Teilchen ausbreitet. Die Hochfrequenzwellen werden von sogenannten Klystrons erzeugt. Das Teilchen wird dadurch ständig beschleunigt, es "reitet" auf der elektromagnetischen Welle.
    Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle (Lichtgeschwindigkeit!) größer ist als die der Teilchen ("fast" Lichtgeschwindigkeit), baut man in die Röhre Irisblenden ein (im Abstand einer halben Wellenlänge), um diese zu "bremsen". So wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle an die der Teilchen angepasst.
    Die gesamte Struktur besteht aus vielen solchen, durch Irisblenden getrennten Kammern und wird als Runzelröhre bezeichnet.
    In Kreisbeschleunigern werden kurze Beschleunigungsstrecken benötigt , die aus einigen Kammern bestehen, man nennt sie Kavitäten.

    Beschleunigung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen

    Ähnlich wie ein Surfer auf einer Wasserwelle reitet, "reiten" geladene Teilchen auf elektromagnetischen Wellen.
    Teilchen, die sich näher an den Wellenbergen und -tälern befinden, erfahren einen größeren Energiezuwachs. Teilchen die sich näher an der "Wellenmitte" befinden, erfahren einen geringeren Energiezuwachs. Das ganze Teilchenbündel wird somit zusammengehalten, da - anschaulich gesprochen - bzgl. dem Mittelfeld eines Bündels die zurückfallenden Teilchen angeschoben und die vorauseilenden Teilchen etwas gebremst werden. Mit dieser Technik kann z.B. in Elektronen-LINAC`s eine Energie von 15 MeV pro Meter (!) zugeführt werden.

    Linearbeschleuniger
    Die ersten Teilchenbeschleuniger, die entwickelt wurden, besaßen eine gerade bzw. lineare Beschleunigungsstrecke. Man nennt diese Art von Beschleunigern daher auch Linearbeschleuniger oder auch LINAC (LINear ACcelerator). Mit den ersten LINACs wurden ausschließlich Elektronen beschleunigt.
    Aufbau eines modernen Elektronen-LINACs:
    In einer Teilchenquelle werden die Elektronen aus einer Glühkathode emittiert, die meist im Pulsbetrieb läuft, d.h., dass eine beschleunigende Spannung zwischen der Kathode und der Anode nur für einige Mikrosekunden eingeschaltet wird, und nur innerhalb dieser Zeit Elektronen emittiert werden. Danach werden die Elektronen durch Runzelröhren beschleunigt. Die ersten Elektronen-LINACs verwendeten noch Driftröhren oder Van de Graaff- Generatoren.
    Der Elektronenstrahl wird zu Beginn durch lange zylindrische Spulen (Solenoidmagnete) fokussiert. Erst wenn er höhere Energien erreicht hat, verwendet man die effektiveren Quadrupolmagnete.
    Am Ende des Beschleunigers wird der Elektronenstrahl zu den einzelnen Experimenten hin abgelenkt. Die Endenergie der Elektronen hängt von der Länge des Beschleunigers ab.

    Kontrolle und Steuerung des Teilchenstrahls
    Während des Betriebs geht von einem Teilchenbeschleuinger starke elektromagnetische Strahlung aus, z.B. Röntgenstrahlung. Alle Einstellungen und Messungen müssen deshalb von entfernten Kontrollräumen ausgeführt werden. Die Kontrolleinrichtungen einer Beschleunigeranlage haben im wesentlichen die Aufgabe, das Vakuum im Strahlrohr und die exakte Teilchenbahn zu überwachen.
    Von den Kontrollräumen aus wird ununterbrochen die Position des Teilchenstrahls im Strahlrohr überprüft. Hierzu verwendet man vier Elektroden, die vom Zentrum des Strahlrohres den gleichen Abstand besitzen. Beim Durchlaufen erzeugt der Strahl auf Grund seiner elektrischen Ladung in den Elektroden Spannungsimpulse. Sollte der Strahl sich nicht im Zentrum befinden, sind diese unterschiedlich. Der Kontrollrechner steuert - sobald ein solches Signal auf eine Abweichung hinweist - Ablenkmagnete so an, dass der Strahl wieder auf seine gewünschte Bahn (idealer Orbit) gelenkt wird. Von den Kontrollräumen aus wird auch der Druck in den Vakuumröhren geprüft, um eventuelle Lecks zu finden und schließen zu können. Neben der Position des Teilchenstrahls werden ständig noch eine Reihe weiterer Strahlparameter gemessen, wie z.B. die Stärke des Strahlstroms, Strahlgröße oder das Frequenzspektrum des Strahls.

    Das Vakuum im Strahlrohr
    In den Strahlrohren muss ein extrem hohes Vakuum (10^-6 bis 10^-10 hPa) herrschen. Ohne dieses "gute" Vakuum würden die beschleunigten Teilchen an zu vielen vorhandenen Gasmolekülen gestreut werden und so zu weit aus dem idealen Orbit gebracht getragen werden und damit dem Beschleunigungssystem verlorengehen. Bei Kreisbeschleunigern (bzw. Speicherringen) ist ein Ultra-Hoch-Vakuum (ca. 10^-10 hPa) nötig, da die Teilchen das Beschleunigersystem sehr oft durchlaufen und sich damit die Wahrscheinlichkeit, an ein vorhandenes Gasmolekül zu stoßen, ansteigt. So beträgt - trotz des sehr guten Vakuums im HERA-Ring bei DESY - die Anzahl der noch vorhandenen Gasmoleküle etwa 100 000 pro cm³! Das klingt viel, aber ist  verglichen mit 27 000 000 000 000 000 000 pro cm³ bei normalem Luftdruck doch gering. Ein Vakuum zu erzeugen, das die obigen Bedingungen erfüllt, erfordert extrem hohen technischen Aufwand. Die Herstellung der Vakuumkammern erfordert neben speziellen Schweiß- und Löttechniken vor allem spezielle Verfahren zur Reinigung der Oberflächen. Die Vakuumkammern müssen chemisch gereinigt werden, da sich Verunreinigungen der Kammern nur sehr langsam im Vakuum lösen. Dies hätte eine andauernde Verschlechterung des Vakuums zur Folge. Nach der chemischen Reinigung werden die Kammern unter Vakuum auf ca. 400°C aufgeheizt, damit an der Vakuumkammer gebundene Moleküle gelöst und abgesaugt werden.
    In Kreisbeschleunigern tritt ein weiteres Problem auf: Die Synchrotronstrahlung. Diese trifft auf die Wände der Vakuumkammern und führt zu starken lokalen Temperaturunterschieden. Dadurch können sich gebundene Moleküle von der Kammeroberfläche lösen und das Vakuum verschlechtern. Um dies zu vermeiden, werden an solchen Stellen wassergekühlte Absorber angebracht, die die Synchrotronstrahlung absorbieren und den Temperaturunterschied ausgleichen.
    Das Vakuum selbst wird in mehreren Arbeitsschritten erzeugt, d.h. durch Hintereinanderschaltung unterschiedlicher Pumpen stufenweise verbessert. Im ersten Schritt verwendet man konventionelle Rotationspumpen. Danach Turbomolekularpumpen und schließlich Ionengetterpumpen. Die Ionengetterpumpen sind über das ganze Beschleunigungssystem verteilt und arbeiten andauernd, um das erzeugte Vakuum aufrechtzuerhalten.