Linearbeschleuniger

Linearbeschleuniger im CERN

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

Fast immer ist mit dieser Bezeichnung eine mit Wechselspannung hoher Frequenz betriebene Anlage (wie nachstehend beschrieben) gemeint. Eine genauere, aber seltene Bezeichnung dafür ist Hochfrequenz-Linearbeschleuniger (engl. radio frequency linac). Gleichspannungsbeschleuniger, wie der Van-de-Graaff- und der Cockcroft-Walton-Beschleuniger, arbeiten ebenfalls mit gerader Teilchenbahn, werden aber nur in Ausnahmefällen als „Linearbeschleuniger“ bezeichnet.

Entwicklung und Funktionsweise

Prinzip eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe

Während die Teilchen in den frühesten Beschleunigern 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. Ein solcher Linearbeschleuniger älteren Typs besteht aus vielen entlang einer geraden Achse angeordneten rohrförmigen Elektroden, den so genannten Driftröhren. Diese sind abwechselnd an den einen und den anderen Pol der Wechselspannung angeschlossen. In den Spalten zwischen den einzelnen Driftröhren pulsiert daher ein elektrisches Feld, das so getaktet ist, dass die Teilchen beim Durchflug von einer Röhre zur nächsten beschleunigt werden. Die Driftröhre selbst wirkt wie ein Faradayscher Käfig, in ihrem Inneren besteht kein Feld. Während das Teilchen"paket" die Driftröhre passiert, verstreicht eine Halbperiode der Wechselspannung, und beim Erreichen des Spalts zur folgenden Röhre wirkt das Feld erneut in beschleunigender Richtung auf das Teilchen. Damit dies an jedem Spalt erfolgen kann, muss die Länge der einzelnen Driftröhren entsprechend der zunehmenden Teilchengeschwindigkeit anwachsen, wie in der Abbildung angedeutet. Nach diesem Prinzip können Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die mit einer einzigen Beschleunigungsstrecke nicht zu erreichen sind.

Da nur solche Teilchen beschleunigt werden, die den Spalt bei geeigneter Phasenlage der Spannung erreichen, kann ein Linearbeschleuniger grundsätzlich nur einen gepulsten, nicht kontinuierlichen Teilchenstrahl liefern.

Ein moderner Linearbeschleuniger (für entsprechend höhere Teilchengeschwindigkeiten) besteht aus einem zylinderförmigen Hohlleiter, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreitet (Wanderwellenbeschleuniger, Runzelröhre). Die Phasengeschwindigkeit der Hochfrequenzwelle muss durch regelmäßig angeordnete Irisblenden an die Teilchengeschwindigkeit angepasst werden.^[1]

Einsatz

Medizinischer Linearbeschleuniger

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 radiologischen Strahlentherapie von Krebstumoren (s. a. Cyberknife)
- in der Industrie zur Durchstrahlungsprüfung von dickwandigen Bauteilen.

Linearbeschleuniger in Hochenergie-Experimenten

Die physikalische Hochenergieforschung mit schweren Teilchen wie etwa Protonen nutzt hauptsächlich Ringbeschleuniger wie ehemals HERA am DESY in Hamburg oder LEP und seit 2008 LHC am CERN in Genf. Dabei lässt man zwei entgegengesetzt umlaufende Teilchenstrahlen an bestimmten Stellen der Ringanlage einander durchdringen und beobachtet mit Teilchendetektoren die entstehenden Reaktionsprodukte. Für leichte Teilchen eignet sich diese Methode weniger, denn der Energieverlust durch die Synchrotronstrahlung verhindert hier das Erreichen hoher Teilchenenergien.

Der Ausweg sind doppelte Linearbeschleuniger mit gegeneinander gerichteten Strahlen. Eine solche Anlage, der Stanford Linear Collider (SLC), existierte am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Zurzeit wird die Möglichkeit erforscht, eine derartige Maschine mit für Elektron-Positron-Stöße bisher unerreichter Energie zu bauen. Entsprechende Studien existieren für den International Linear Collider (ILC) und den Compact Linear Collider (CLIC).

Galerie

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
Supraleitende Hohlraumresonatoren in einem Teilchenbeschleuniger für eine Resonanzfrequenz von 1,3 GHz
Der Linearbeschleuniger des Australischen Synchrotons erreicht Energien von bis zu 100 MeV