Was ist ein Linearbeschleuniger?
Ein Linearbeschleuniger ist ein Gerät, das Materie auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, indem es mit elektromagnetischen Feldern einen linearen Pfad entlang bewegt. Der Begriff wird am häufigsten verwendet, um einen linearen Teilchenbeschleuniger oder Linac zu bezeichnen, der Atome oder subatomare Teilchen beschleunigt. "Linearbeschleuniger" kann sich auch auf Geräte beziehen, die Elektromagnetismus zum Antreiben größerer Objekte verwenden, wie beispielsweise Spulen- und Schienengewehre. Linearpartikelbeschleuniger werden üblicherweise in der Medizin, in der Industrie und in wissenschaftlichen Experimenten verwendet, und elektromagnetische Beschleuniger für größere Objekte können zukünftige Anwendungen für Zwecke haben wie Raumfahrt und Waffen.
Ein linearer Teilchenbeschleuniger feuert magnetisch geladene Teilchen ab. Dies können ganze geladene Atome, sogenannte Ionen, oder subatomare Teilchen wie Protonen und Elektronen sein. Zunächst wird das zu beschleunigende Teilchen durch eine elektromagnetische Vorrichtung wie eine Kathode oder eine Ionenquelle erzeugt und in eine mit Elektroden ausgekleidete rohrförmige Vakuumkammer abgegeben. Die Elektroden werden dann erregt, um oszillierende Magnetfelder zu erzeugen, die dem Partikel Energie verleihen und es durch die Röhre zum Ziel der Vorrichtung hin beschleunigen. Die genaue Anordnung der Elektroden in der Röhre, die Leistung und Frequenz der in die Elektroden gesendeten Energie sowie die Größe der Elektroden variieren je nach den zu beschleunigenden Partikeln und dem Zweck der Vorrichtung.
Ein einfaches und sehr verbreitetes Beispiel ist die Kathodenstrahlröhre, die üblicherweise in Fernsehgeräten, Monitoren und anderen Anzeigetechnologien verwendet wird. Die Kathodenstrahlröhre treibt Elektronen durch die Röhre, bis sie auf ein festes Target am Röhrenende treffen, das aus lumineszierenden Materialien besteht, die als Phosphore bezeichnet werden und normalerweise Metallsulfidverbindungen sind. Dies bewirkt, dass ein Teil der Energie der Elektronen als Emission elektromagnetischer Energie in den Wellenlängen freigesetzt wird, die das menschliche Auge als sichtbares Licht erkennt. Röntgengeräte, die in der Medizin und in der biologischen Forschung eingesetzt werden, folgen einem ähnlichen Prinzip: Sie feuern Elektronenströme in Kupfer, Molybdän oder Wolfram, um Röntgenemissionen zu erzeugen, die für die Bildgebung oder mit leistungsstärkeren Geräten für die Strahlentherapie verwendet werden können.
Lineare Teilchenbeschleuniger werden auch in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. In der biologischen und archäologischen Forschung werden häufig kleine Geräte zur Bildgebung eingesetzt. Die für die Forschung verwendeten Linearbeschleuniger sind sehr unterschiedlich groß und können aufgrund der extrem hohen Energieniveaus, die zur Erzeugung einiger der in der modernen Physik untersuchten Phänomene erforderlich sind, wirklich kolossale Dimensionen erreichen. Der größte lineare Teilchenbeschleuniger der Erde befindet sich im National Accelerator Laboratory des SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) im kalifornischen Menlo Park und ist 3,2 km lang.
Sie werden auch in einigen industriellen Prozessen eingesetzt. Einige in der modernen Elektronik verwendete Siliziumchips werden in einem Verfahren hergestellt, das Beschleuniger enthält, die anstelle von subatomaren Partikeln ganze geladene Atome antreiben, was eine sehr genaue Platzierung von Atomen während der Produktion ermöglicht. Beschleuniger können auch verwendet werden, um Ionen in die Oberfläche von Materialien wie Stahl zu implantieren und die Struktur des Materials zu ändern, um es resistenter gegen chemische Risskorrosion zu machen.
Der Begriff "Linearbeschleuniger" wird manchmal auch für Geräte verwendet, die größere Objekte auf ähnliche Weise antreiben und Elektromagnetismus verwenden, um ein Projektil auf einer geraden Bahn zu beschleunigen. Diese funktionieren, indem Strom entweder durch eine Metallspule, die um den Lauf des Geräts gewickelt ist, eine Konstruktion, die als Coilgun, Massentreiber oder Gauss-Kanone bezeichnet wird, oder durch ein Paar parallel zueinander angeordneter Metallschienen, die als Railgun bezeichnet werden, geleitet wird. Ein Gegenstand aus einem ferromagnetischen Material, wie Eisen, kann mit den Magnetfeldern, die durch richtig zeitgesteuerte elektrische Ströme erzeugt werden, durch den Zylinder der Vorrichtung beschleunigt werden. Coilguns wurden vorgeschlagen, um Ladungen von der Erdoberfläche in den Weltraum zu befördern, und sowohl Coilguns als auch Railguns werden als mögliche Waffen untersucht.