Injektor 2 - ein Vorbeschleuniger für Protonen

Anonim

Als grundlegende Bausteine ​​der Materie sind Protonen ein Teil aller Dinge, die uns umgeben. Am Paul Scherrer Institut PSI treten sie jedoch aus ihrer gewohnten Rolle aus und werden eingesetzt, um andere Teilchen, nämlich Neutronen und Myonen, zu erzeugen, die anschließend zum Studium von Materialien verwendet werden. Zu diesem Zweck müssen die Protonen zuerst beschleunigt werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei eine dreistufige Beschleunigeranlage, in deren Mitte der Beschleuniger Injector 2 steht.

Drei in Reihe angeordnete Beschleuniger bilden am PSI die Möglichkeit zur Protonenbeschleunigung: Sie beginnt mit dem pilzförmigen, etwa 10 Meter hohen Cockcroft-Walton-Beschleuniger, in dem die Protonen erzeugt und vorbeschleunigt werden. Es endet mit dem großen Protonenbeschleuniger, einem Ringbeschleuniger, der im Fachjargon Zyklotron genannt wird. Hier werden die Protonen auf 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dazwischen steht Injector 2, ein kleinerer Ringbeschleuniger, ebenfalls als Zyklotron klassifiziert. Seine Aufgabe als Vorbeschleuniger besteht darin, Protonen mit 38 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in das große Zyklotron zu liefern. Wie die Getriebe in einem Automobil bauen die Beschleuniger aufeinander auf. Denken Sie an Cockcroft-Walton als ersten Gang: Die Protonen erhalten eine anfängliche Beschleunigung entlang einer geraden Strecke. Injektor 2, zweiter Gang: Die Geschwindigkeit der Protonen wird erhöht, wenn sie um den Ring zirkulieren. Der große Beschleuniger, dritter Gang: Wiederum im Kreis gehend, werden die Protonen auf die gewünschte Endgeschwindigkeit gebracht. Wie beim Autofahren kommt man ohne den ersten und zweiten Gang nicht aus.

Nachdem die Protonen erzeugt wurden, werden sie durch ein Vakuum innerhalb des Cockcroft-Walton geleitet, so dass sie nicht gegen Luftmoleküle stoßen. Hier bedeutet Vakuum nicht einfach eine evakuierte Kammer, da immer ein bisschen Luft bleibt. Ein Vakuum kann unterschiedliche Qualität haben - je besser das Vakuum, desto weniger Gas enthält es. Das Vakuum, das die Protonen umgibt, ist nicht überall gleich gut, wenn sie durch die drei Anlagen gehen. Das im Injektor 2 aufrechterhaltene Vakuum entspricht beispielsweise einem Milliardstel Atmosphärendruck; mit anderen Worten sind nur extrem kleine Spuren von Gas vorhanden.

Jeder der drei Beschleuniger ist in einer eigenen Halle untergebracht. Auf den ersten Blick erscheint Injector 2 in seinem 12 Meter hohen, fast quadratischen Raum in Form von sich abwechselnden türkisfarbenen Magneten, insgesamt vier, und vier silberfarbenen Resonatoren - alle etwa so groß wie ein Mann - die radial ausgerichtet sind. Von oben sieht diese Anordnung von Magneten und Resonatoren wie ein bereits portionierter Kuchen aus, wobei die Spitzen der Scheiben abgeschnitten sind.

Die Resonatoren erzeugen ein elektrisches Wechselfeld, mit dem die Protonen zunehmend beschleunigt werden. Und die Magnete sorgen dafür, dass die Protonen 80 Mal um die Mitte des Injektors zirkulieren. Das Magnetfeld variiert von der Mitte nach außen so, dass die Protonen, die ihre Zirkulation auf der Innenseite beginnen, immer die gleiche Zeit benötigen, um eine Runde zu absolvieren, auch wenn der Weg, den sie nehmen, immer länger wird.

Im Beschleuniger geht kein Proton allein

Protonen sind keine Einzelgänger im Beschleuniger. Sie reisen in kleinen Gruppen oder Bündeln. Da Protonen eine positive elektrische Ladung tragen, stoßen sie sich gegenseitig ab und bewegen sich entlang ihrer Flugbahn innerhalb dieser Gruppierung voneinander weg, bis ein wichtiger Effekt einsetzt: Mit der Zeit, so Joachim Grillenberger, verantwortlich für den Betrieb der Protonenanlage, der Strahl fokussiert sich. Das bedeutet, dass die Protonengruppen sich nach zehn oder zwanzig Runden um den Ring zusammenballen und eine kugelähnliche Form annehmen, die sie dann behalten.

Um den Protonenstrahl im Injektor 2 einzustellen, werden Kollimatoren verwendet. Diese Komponenten bestehen hauptsächlich aus Kupfer, haben eine Öffnung und sind an geeigneten Stellen entlang der Spiralbahn der Protonen positioniert. Nur Protonen, die sich auf der idealen Bahn bewegen, passieren die Öffnung der Kollimatoren, und alle anderen Protonen werden vom Kupfer absorbiert.

Die drei Wege der Protonen

Nach der Beschleunigung im Injektor 2 sind drei Wege zum Protonenstrahl geöffnet. Der größte Teil des Protonenstrahls wird weiter zur weiteren Beschleunigung im großen Zyklotron geleitet. Die beschleunigten Protonen treffen zunächst auf ein Target-Gerät, das aus rotierenden Kohlenstoffscheiben besteht und dabei Pionen und Myonen erzeugt. Dann setzen sie ihren Weg fort und kollidieren schließlich mit einem Metallblock, um Neutronen zu erzeugen. Während Pionen, Myonen und Neutronen selbst für die Forschung von zentraler Bedeutung sind, helfen sie andererseits den Forschern, Einblicke in die Materialzusammensetzung zu gewinnen. Ein sehr kleiner Teil des Strahlstroms, etwa zwei Prozent, kann unmittelbar nach dem Injektor 2 auf einen zweiten Weg geschickt werden. Diese Protonen erzeugen dann Radionuklide, die bei der Entwicklung von Pharmazeutika verwendet werden. Solche Arzneimittel werden in der Krebsdiagnostik verwendet. Der dritte Weg führt zu einer Sackgasse, wo die Protonen einfach absorbiert werden. Protonen werden immer dann auf diese Weise kanalisiert, wenn ihnen die geeigneten Eigenschaften für die beiden anderen Pfade fehlen: Die Protonen sind in diesem Fall entweder zu langsam oder zu schnell.

Zurückblicken

Als die Protonenanlage 1974 in Betrieb ging, bestand das Hauptziel darin, die Protonen zur Erzeugung von Pionen zu verwenden. Es wurde angenommen, dass Pionen helfen würden, die damals aktuellen Fragen der Teilchenphysik zu beantworten. Seit dieser Zeit wurde die Einrichtung immer wieder den Bedürfnissen der Wissenschaft angepasst. Zu Beginn produzierte die Anlage einen Strahlstrom von 100 Mikroampere, der für damalige Verhältnisse außerordentlich hoch war. Joachim Grillenberger: Heute, rund 40 Jahre später, kann ein 24-mal höherer Strahlstrom erzeugt werden. Dies ist natürlich nur möglich, weil die Anlage ständig verbessert und weiterentwickelt wurde. Die stetige Verbesserung brachte für die seit 1994 bestehende Protonenanlage einen Weltrekord: Sie liefert weltweit den stärksten Protonenstrahl.

Um an der Spitze der Beschleunigertechnologie zu bleiben, können Sie sich nicht auf Ihren Lorbeeren ausruhen. Der Injektor 2 ist ein Glied in der Kette der dreistufigen Protonenbeschleunigeranlage. Auch sie muss immer auf dem neuesten Stand gehalten werden, um auch weiterhin den hohen Anforderungen an Leistung und Betriebssicherheit gerecht zu werden, so Joachim Grillenberger. Derzeit führt er zusammen mit Kollegen ein Projekt, das Injector 2 noch leistungsfähiger machen wird: In den Jahren 2018 und 2019 werden neue Resonatoren installiert und die gesamte Verstärkungskette modernisiert. Dadurch werden die Teilchen in einer noch kürzeren Zeitspanne beschleunigt und weniger Protonen gehen beim Beschleunigungsprozess verloren - was die Leistungsfähigkeit der gesamten Anlage steigert. So tragen die Beschleunigerexperten auch zur Modernisierung der Spallationsneutronenquelle SINQ bei, die auf Protonen aus der Beschleunigeranlage zur Erzeugung ihrer Neutronen setzt.

menu
menu