Speicherring

Ein Speicherring ist eine Sonderform eines Synchrotron-Teilchenbeschleunigers, spezialisiert auf die Ansammlung und lange Aufrechterhaltung eines hohen Strahlstroms. Er besteht aus einem ringförmigen Vakuumgefäß, in dem hochenergetische, elektrisch geladene Teilchen durch Magnete auf einer geschlossenen Umlaufbahn gehalten werden.

Schema eines Elektron-Positron-Speicherrings für Hochenergiephysik-Experimente
Beschleunigungsstrecke des Ionen-Speicherrings ESR der GSI, Darmstadt
Abschnitt des ESR des GSI

Die Befüllung eines Speicherrings erfolgt meist über einen separaten Teilchenbeschleuniger; jedoch kann ein Synchrotron auch selbst als Speicherring funktionieren, indem die Beschleunigungsspannung fast oder ganz abgeschaltet und das Feld der Ablenkmagnete konstant gehalten wird. Manche Anlagen können daher ebenso gut als Synchrotron wie als Speicherring bezeichnet werden.

Meist werden im Speicherring viele Teilchenpakete des Beschleunigers angesammelt (daher der Name „Speicher“), so dass die Intensität im Speicherring viel höher ist als im Beschleunigerstrahl. In großen Anlagen wurden so Strahlströme von mehreren Ampere erzeugt. Um eine lange Verweildauer des Strahls im Speicherring von teils vielen Stunden zu erreichen, ist ein extrem gutes Vakuum nötig, da Stöße mit dem Restgas die Strahlstärke verringern und auch die Strahlqualität beeinträchtigen.[1] Eine Ausleitung des Strahls aus dem Ring zu Experimentierzwecken ist entweder gar nicht vorgesehen oder hat nachrangige Bedeutung. Es existieren Speicherringe für Elektronen und verschiedene Ionen, von Protonen und Antiprotonen bis zu Schwerionen wie Gold und Blei.

Erzeugung von Synchrotronstrahlung

Elektronenspeicherringe werden oft primär oder ausschließlich zum Zweck der Erzeugung von Synchrotronstrahlung betrieben. Zur Steigerung der Intensität der Synchrotronstrahlung werden besondere Bauteile eingebaut, die sogenannten Wiggler bzw. Undulatoren; diese bringen die Elektronen auf einem sonst geraden Bahnabschnitt in eine Wellenlinie und damit zu verstärkter Abgabe der Strahlung. In den Beschleunigungsstrecken werden die Strahlungsverluste wieder ausgeglichen.

Collider

Eine Sonderform der Speicherringe sind die sogenannten Collider (engl. collide: zusammenstoßen), die meist aus zwei Ringen mit entgegengesetzter Umlaufrichtung aufgebaut sind. Die Teilchen werden an einem oder mehreren Kreuzungspunkten zur Kollision gebracht. Auf diese Weise kann, anders als beim Beschuss eines feststehenden Targets, die gesamte kinetische Energie in Masse neuer Teilchen umgewandelt werden, denn es wird keine kinetische Energie für eine Weiterbewegung des Schwerpunkts des Teilchensystems benötigt (siehe Colliding-Beam-Experiment).

Auch bei dieser Verwendung tritt für hochenergetische leichte Teilchen wie Elektronen das Problem aller Kreisbeschleuniger, der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung auf. Neue Konzepte für Höchstenergie-Elektronencollider sehen deshalb zwei gegeneinander gerichtete Linearbeschleuniger vor wie z. B. beim in Planung befindlichen International Linear Collider.

Physikalische Grundlagen

Ein geladenes Teilchen der Masse m und Ladung q, das sich mit der Geschwindigkeit in einem magnetischen Feld der Flussdichte bewegt, wird durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn mit Radius r gezwungen. Setzt man Lorentzkraft und Zentripetalkraft gleich, kann man die resultierende Gleichung nach auflösen und den Durchmesser der Kreisbahn bestimmen.

Speicherring-Standorte

Speicherringe finden sich u. a.

Literatur

F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage, Springer 2008, ISBN 978-3-540-75281-3

Einzelnachweise
  1. K. Johnsen: CERN Intersecting Storage Rings (ISR). In: Proc. Na. Acad. Sci. USA. 70. Jahrgang, Nr. 2, 1973, S. 619–626, PMC 433316 (freier Volltext).
  2. https://www.fnal.gov/pub/tevatron/index.html
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