Was ist ein Teilchenstrahl?

Ein Teilchenstrahl ist ein Strahl beschleunigter Teilchen, üblicherweise geladener Teilchen (Ionen). Zu den realen Anwendungen eines Teilchenstrahls gehören Teilchenbeschleuniger ("Atomzerstörer"), in der Plasmaphysik, in Kathodenstrahlröhrenfernsehgeräten, in Computerbildschirmen und in Krebstherapien. Nach einer kurzen Flut von Forschungen zu Teilchenstrahlwaffen in den 1980er Jahren wurden solche Untersuchungen größtenteils eingestellt, wobei Laser und andere gezielte Energiewaffen heutzutage die Aufmerksamkeit und die Forschungsgelder auf sich zogen. Ein natürliches Beispiel für einen Teilchenstrahl wäre der Blitz, bei dem Elektronen von negativ geladenen Wolken auf den neutralen Boden springen.

Die meisten Arten von Teilchenstrahlen bestehen aus geladenen Teilchen wie Protonen oder Elektronen, da sich geladene Teilchen mit Hilfe von Magneten leicht beschleunigen lassen. Die meisten Teilchenstrahlen werden erzeugt, indem ein Teilchenstrom durch eine Reihe von Vorrichtungen geleitet wird, von denen jede dem Strahl einen kleinen Stoß verleiht, bis er auf eine signifikante Geschwindigkeit beschleunigt wird. In einigen Teilchenbeschleunigern kann diese Geschwindigkeit bis zu 99,999% der Lichtgeschwindigkeit betragen. Teilchenstrahlen, die aus Elektronen bestehen, sind in der Regel die schnellsten, da diese Teilchen mehr als tausendmal leichter als Protonen sind und daher am einfachsten beschleunigt werden können.

Obwohl der Begriff "Teilchenstrahl" ein Science-Fiction-Gefühl hat, werden Teilchenstrahlen in allen Kathodenstrahlröhrenfernsehgeräten gefunden. Selbst bei allen elektrischen Kabeln kann davon ausgegangen werden, dass sie eine Art Elektronenstrahl enthalten, obwohl ihr Weg selten linear ist. In einem Kathodenstrahlröhrenfernsehgerät wird ein Teilchenstrahl durch eine Elektronenkanone erzeugt. Die Elektronenkanone feuert Elektronen auf einen fluoreszierenden Bildschirm, der als Reaktion auf die einfallenden Partikel aufleuchtet und ein Bild erzeugt.

Eine innovative Anwendung von Teilchenstrahlen ist die Strahlentherapie, bei der ein Teilchenstrahl zur Abtötung von Krebszellen eingesetzt wird. Der Nachteil dieses Ansatzes ist die Schädigung gesunder Zellen und das Risiko einer übermäßigen Strahlenexposition. Der Wirkungsmechanismus ist die Strahlung, die die DNA bösartiger Zellen schädigt und dazu führt, dass sie sich nicht mehr selbst reproduzieren können. Eine Herausforderung bei dieser Art der Strahlentherapie ist die Bildung von sauerstoffarmen Tumoren - Tumoren, die über ihre Blutversorgung hinauswachsen. Tumoren mit hohem Sauerstoffgehalt eignen sich ideal für die Strahlentherapie, da durch das Bombardieren des sauerstoffhaltigen Gewebes mit Strahlung zahlreiche freie Radikale freigesetzt werden, die Krebszellen sekundär schädigen.

Die stärksten Teilchenstrahlen der Welt werden in den größten Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf (Schweiz) verwendet. Der Large Hadron Collider befindet sich in einem Tunnel mit einem Umfang von 27 km und einer Tiefe von 175 m. Der LHC ist mit Kosten von rund 10 Mrd. USD (US-Dollar) eine der größten und teuersten Maschinen, die je gebaut wurden.

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