Über 150 Jahre Beschleunigerforschung
Von den Anfängen der Teilchenbeschleunigung bis zum anstehenden Upgrade der größten und komplexesten Maschine der bisherigen Menschheitsgeschichte LHC liegen gut zwei Menschenleben.
In dieser Zeit zeichnet sich die Beschleunigerforschung aus durch:
- Geduld
- Systemintegration
# Elektrische Beschleunigung
- 1857 füllt Heinrich Geißler, Instrumentenbauer und Glasbläser aus Thüringen, Glaszylinder mit verdünnten Gasen und beobachtet ein Leuchten, wenn er zwischen den Enden der Röhre eine elektrische Spannung anlegt. Die Geißlerröhre bildet die technologische Grundlage zur Beschleunigung von Teilchen durch Vakuum mittels elektrischer Kräfte. Anfang des 20. Jahrhunderts wird sie zur Neonröhre weiterentwickelt und schafft einen Multimillardenmarkt.
- Um 1870 ist die Vakuumtechnologie ausreichend fortgeschritten, um die Geißlerröhre stärker zu evakuieren: Das Ergebnis ist die Crookes-Röhre, benannt nach dem britischen Chemiker und Physiker William Crookes.
- Weder Geißler noch Crookes ahnen, dass in ihren Röhren Elektronen beschleunigt werden. Denn Elektronen werden erst drei Jahrzehnte später - 1897 – mit eben dieser Röhre entdeckt.
- 1895 nutzt Wilhelm Röntgen eine Schattenkreuzröhre für seine Entdeckung der nach ihm benannten Röntgenstrahlung, deren Revolutionspotenzial für die medizinische Diagnostik Röntgen bereits in seinen ersten Vorträgen demonstriert.
# Magnetische Ablenkung
1897 stellt Ferdinand Braun seine Röhre vor, in der Elektronen nicht nur schneller werden, sndern auch abgelenkt werden können. Damit lag nicht nur alles auf dem Tisch, was wir zur Teilchenbeschleunigung nutzen können, wenig später wurde die Braun’sche Röhre das Herzstück der ersten Fernsehgeräte und späteestens nach dem Zweiten Weltkrieg das Fernsehen zum prägendem Massenmedium und Milliardenmarkt machten.
1949: Die starke Fokussierung wurde erstmals 1949 von Nicholas Christofilos erdacht, aber nicht veröffentlicht (Christofilos entschied sich stattdessen, seine Idee patentieren zu lassen),[3] 1952 wurde das Prinzip der starken Fokussierung von Ernest Courant, M. Stanley Livingston, Hartland Snyder und J. Blewett am Brookhaven National Laboratory unabhängig entwickelt,[4][5] die später die Priorität von Christofilos’ Idee anerkannten.[6]
# Wechselspannung-Beschleuniger / Hohlraumresonatoren
Die Beschleunigung durch ein zeitlich wechselndes elektromagnetisches Feld umgeht die Begrenzung der statischen Beschleunigung. Das erste Experiment in Richtung eines HF-Linacs wurde 1928 von dem norwegischen Physiker R. Wideroe
An der RTWTH Aachen experimentiert der norwegische Physiker Rolf Widerøe, mit Hilfe von Wechselspannung größere Teilchenenergien zu erreichen.
der Grundlage eines Vorschlags von Ising aus dem Jahr 1925 durchgeführt.
2. It was not until 1931 that the first linac was developed by Sloan and Lawrence at Berkeley Laboratory [3].
2. Luis Alvarez erkennt, dass man Wechslspannung mit Frequenzen im Mikrowellenbereiuch benötigt, damit die Länge von Beschleuniger auf Fast-Lichtgeschwindikeit nicht ausufert.
4. An der Universität von Kalifornien beschleunigt der erste mikrowellengespeiste Linac Protonen auf 32 MeV.
gebaut wurde, beschleunigte Protonen von 4 auf 32 MeV.
Er erkannte, dass für höhere Energien die Frequenz um eine Grössenordnung erhöht und die Driftröhren in einem HF-Hohlraum (Resonator) eingeschlossen werden mussten. Ein 200 MHz 12 m langer Driftröhren-Linac (DTL), der 1955 [4] von Luis Alvarez an der Universität von Kalifornien gebaut wurde, beschleunigte Protonen von 4 auf 32 MeV. Die Entwicklung des ersten Linacs wurde durch die Verfügbarkeit von Hochfrequenzstromgeneratoren ermöglicht, die während des Zweiten Weltkriegs für Radaranwendungen entwickelt wurden.
3. Dauerstrichbetrieb dankl Supraleitung
# Synchrotronlichtquellen
# FELs
- Julian Schwinger veröffentlicht Berechnungen, mit denen sich die mathematische Beschreibung von Undulatorlicht so vereinfachen lässt, dass sie ohne Computerhilfe erfolgen kann.
# Beugungslimitierte Lichtquellen
- Seit 1993 werden konkrete Pläne für Beschleuniger mit ultraniedriger Emittanz diskutiert, deren Elektronenstrahlen Quellen für Synchrotronlicht bilden können, deren Synchrotronlichtquellen
für Synchrotronlichtquellen diskutiert, deren Elektronenstrahlen so geringfügig aufgeweitet sind, dass Emittanz von Elektronenstrahlen so verringert werden kann, dass sie keine negativen Auswirkungen auf die Photonenstrahleigenschaften mehr hat
2. Das Konzept wird aufgegegriffen und verfeinert. Weltweit enttehen Pläne für neue Anlagen oder Upgrades: ESRF in Grenoble, SIRIUS in Brasilien, die Advanced Photon Source in den USA.
2016 wird mit MAX-IV die erste beugungslimitierte Lichtquelle in Betrieb genommen.
ERLs die Zukunft?