Wie funktioniert ein Synchrotron? - Der Teilchenbeschleuniger einfach erklärt

So ist ein Synchrotron aufgebaut

• Vom Prinzip her ist ein Synchrotron ein Kreis- bzw. Ringbeschleuniger. Dabei durchlaufen die zu beschleunigenden Teilchen (Elektronen oder Protonen beispielsweise) eine fest vorgegebene Kreisbahn unzählige Male - im Gegensatz zu einem Linearbeschleuniger oder einem Betatron, bei der sich die Kreisbahn mit zunehmender Beschleunigung vergrößert.
• Geführt werden die Teilchen dabei auf einer fest vorgegebenen Kreisbahn mithilfe von magnetischen Feldern (Stichwort: Lorentzkraft; siehe unten).
• Beschleunigt werden die Teilchen von Hochfrequenzfeldern, die sich in regelmäßigen Abständen im Kreisring befinden. Die Frequenz dieser Felder wird - wie der Name "Synchrotron" schon aussagt - synchron mit dem Teilchenumlauf erhöht. Vereinfacht gesagt erhalten dadurch die Teilchen genau passend einen Anschubs durch das elektrische Feld der Hochfrequenz.
• Der Teilchenstrom wird durch einen (kleinen) Linearbeschleuniger vorbeschleunigt, bevor dieser mithilfe von Steuermagneten in den Synchrotronring eingespeist wird. Die Beschleunigung erfolgt meist in sog. Teilchenpaketen.
• Ein Synchrotron lässt sich um zum Speichern und Experimentieren mit den beschleunigten Teilchenpaketen nutzen, zum Beispiel an vorher festgelegten Stellen im Kreisring.

Gleichgewichte und Resonanzbedingungen - so funktioniert es

Aber wie funktioniert es? Für das erfolgreiche Beschleunigen von Teilchen in einem Synchrotron gelten im Prinzip zwei Randbedingungen:

• Um die Teilchen auf der Kreisbahn mit Radius R zu halten, muss die Zentripetalkraft (in der Umgangssprache Fliehkraft genannt) in jedem Moment der anlenkenden Lorentzkraft im Magnetfeld sein.
• Es gilt: mv²/R = Q_*v_*B mit m = Masse der Teilchen, v = Geschwindigkeit der Teilchen, Q = Ladung der Teilchen und B = magnetische Flussdichte. 
• Die richtige Beschleunigungstaktung funktioniert natürlich nur, wenn die Frequenz des elektrischen Feldes gleich der Umlauffrequenz des Teilchenpaketes ist.
• Im Betrieb muss daher im Verlauf der Beschleunigung sowohl die Stärke des Magnetfeldes als auch die Frequenz zunehmen. Dieser Vorgang lässt sich mit vorprogrammierten Abläufen bzw. korrigierenden Maßnahmen erreichen.
• Elektronen lassen sich mit einem Synchrotron relativ schnell auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen (relativistische Massenzunahme beachten). Protonen erreichen Energien von weit mehr als GeV.
• Bedeutende Synchrotronanlagen stehen bei DESY in Hamburg, am CERN in Genf sowie BESSY in Berlin.Und FAIR bei der Darmstädter GSI ist das neue Zukunftsprojekt, an dem derzeit gebaut wird.

Übrigens: Derart auf einen Kreisring gezwungene Elektronen geben einen Teil ihrer Energie als sog. Synchrotronstrahlung ab, eine je nach Beschleunigung sehr energiereiche Röntgenstrahlung, die für viele Untersuchungen geeignet ist. Dieses energiezehrende Nebenprodukt ist also durchaus erwünscht.