Elektronenbeschleuniger
Ein Elektronenbeschleuniger ist ein technisches Gerät, welches Elektronen in eine sehr schnelle Bewegung versetzt.
Arten
Von einer Glühkathode emittierte Elektronen werden zunächst mit einer Elektronenkanone in einem elektrischen Feld beschleunigt und danach entweder mit einem magnetischen Feld auf gekrümmte Bahnen gelenkt (Betatron, Zyklotron, Mikrotron) oder - als Strahlpakete - linear mithilfe von elektrischen Wechselfeldern weiterbeschleunigt (Linearbeschleuniger, Synchrotron). Das Rhodotron baut mit 8 bis 15 Umlenkmagneten eine stehende Welle auf und beschleunigt dabei die Elektronen.
Elektronen können auf über 99,9 % Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Sie erfahren dabei eine relativistische Massenzunahme, was die Beschleunigung bei hohen Geschwindigkeiten erschwert. Mit Magnetfeldern arbeitende Beschleuniger zwingen die Elektronen auf gekrümmte Bahnen; dadurch entsteht Synchrotronstrahlung, die einerseits einen Energieverlust verursacht (große Geschwindigkeiten werden daher nur mit Linearbeschleunigern oder großen Bahnradien erreicht), andererseits jedoch als hoch brillante Quelle elektromagnetischer Strahlung genutzt werden kann.
Das Austrittsfenster eines Elektronenbeschleunigers besteht zum Beispiel aus einer einige Mikrometer dicken Titanfolie oder einem aerodynamischen Fenster.
Die Energie der Elektronen bestimmt deren Eindringtiefe in Material.
Niederenergie-Elektronenbeschleuniger werden angeboten mit Beschleunigungsenergien von 70 keV bis 300 keV, Mittelenergie-Beschleuniger für 500 keV bis 3 MeV und Hochenergie-Beschleuniger von 3 MeV bis zu 10 MeV.
Anwendungsgebiete
Elektronenbeschleuniger werden in der Industrie und Forschung für verschiedene Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel
- Vernetzung von Polymeren (Gummi und Kunststoffe): Folien, Rohre, Kabelisolationen, Lacke, Farben, Kleber, Harze
- zur Materialanalyse
- in der Teilchenphysik
- für den Freie-Elektronen-Laser
- zur Sterilisation von Wasser, Abluft und Lebensmitteln (Lebensmittel-Strahlenbehandlung ist in der EU derzeit nicht zulässig)
- in der Strahlentherapie gegen Krebs als Quelle für Elektronenstrahlung oder (mittelbar) durch Beschuss eines Targets für Röntgenstrahlung
Geschichte
Elektronenbeschleuniger wurden nach dem Zweiten Weltkrieg als Laborgeräte eingesetzt. Erst durch die Erfindung von Ionen-Getter-Pumpen wurde es Anfang der 1990er-Jahre möglich, Elektronenbeschleuniger kommerziell einzusetzen.
Das Betatron wurde 1935 von Max Steenbeck im Forschungslabor der Siemens-Schuckertwerke Berlin entwickelt.
Der Teilchenbeschleuniger DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) des gleichnamigen Forschungszentrums bei Hamburg begann im Jahr 1960. Der Ringbeschleuniger war zu dieser Zeit die weltweit größte Anlage ihrer Art und konnte ab 1964 Elektronen auf 7,4 GeV beschleunigen.
Anlagenbeispiele
- weltweit rund 25 Sterilisationsanlagen, unter anderem in Österreich/Kremsmünster (Sterilisation medizinischer Produkte), in Kalifornien und Texas (Lebensmittelsterilisation), vier in Deutschland und eine in der Schweiz
- Im CERN (Europäisches Forschungszentrum nahe Genf in der Schweiz) befindet sich unter anderem auch ein Elektronenbeschleuniger. Der Ringbeschleuniger dient unter anderem der Erzeugung hoch brillanter elektromagnetischer Strahlung.
- am Linearbeschleuniger ELBE im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wird Synchrotronstrahlung zur Materialuntersuchung erzeugt sowie ein Freie-Elektronen-Laser betrieben.
- Das DESY nahe Hamburg entwickelt, betreibt und fertigt auch Elektronenbeschleuniger (DESY = Deutsches Elektronen-Synchrotron)
- Die TUD (Technische Universität Darmstadt) arbeitet seit 15 Jahren an dem Projekt S-DALINAC.