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Linearbeschleuniger,

 

Kurzbezeichnung Linac [Abkürzung für englisch linear accelerator], Gerät zur Beschleunigung geladener atomarer Teilchen (Beschleuniger) auf geradliniger Bahn, weswegen die Teilchen, im Gegensatz zu Zirkularbeschleunigern, die beschleunigenden elektrischen Felder nur einmal durchlaufen können. Für Energien bis zu einigen MeV werden elektrostatische Felder verwendet (Bandgenerator, Kaskadengenerator), für höhere Energien lässt man die Teilchen hochfrequente Wechselfelder durchlaufen, deren räumlicher und zeitlicher Verlauf so gestaltet ist, dass ihre beschleunigende Wirkung sich akkumuliert. Der Teilchenstrahl wird hierzu in Pakete (englisch bunches) unterteilt, die im richtigen Moment die Beschleunigungsstrecke passieren. Weil die Geschwindigkeit der Teilchen praktisch gleich der Lichtgeschwindigkeit c (d. h. konstant) wird, wenn ihre kinetische Energie etwa das Zehnfache der Ruhemasse erreicht, werden für Protonen und Schwerionen (Ruhemasse 1 GeV/c² und größer) andere Beschleunigerstrukturen verwendet als für Elektronen (Ruhemasse 0,5 MeV/c²).

 

Beim Wideröe-Linearbeschleuniger (1928) sind hohlzylindrische Elektroden (Driftröhren) abwechselnd an je einen der beiden Pole eines leistungsstarken Hochfrequenzsenders (etwa 30 MHz) gelegt. Die Länge dieser Röhren und ihr Abstand sind so abgestuft, dass die Teilchen während der beschleunigenden Phase des elektrischen Feldes die Strecken zwischen den Röhren passieren und während der verzögernden Phase abgeschirmt in deren Innerem fliegen. Dieser Linearbeschleunigertyp wird für Protonen und Schwerionen bis zu etwa 2 MeV verwendet. Wegen der grossen erforderlichen Länge der Driftröhren für größere Energien und damit Geschwindigkeiten geht man dann zu höheren Senderfrequenzen über (etwa 200 MHz) und baut die Driftröhren in einen gemeinsamen Hohlraumresonator-Tank ein (Alvarez-Linearbeschleuniger).

 

Eine andere Methode, ein elektrisches Wechselfeld phasenrichtig auf ein Teilchenpaket einwirken zu lassen, besteht darin, das Feld mit Lichtgeschwindigkeit längs einer Drahtspirale zu leiten, deren Steigung so variiert, dass die axiale Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feldes immer gleich der Teilchengeschwindigkeit ist (Wendel-Linearbeschleuniger). Für sehr niedrige Teilchengeschwindigkeiten (Protonen und Schwerionen bei einigen keV) wird zunehmend der Radiofrequenzquadrupol verwendet.

 

Bei Annäherung der Teilchengeschwindigkeit an c, d. h. für Protonen mit mehr als einigen 100 MeV und für Elektronen, wird das beschleunigende elektrische Feld mit Mikrowellenfrequenzen (1 bis 3 GHz) als Wanderwelle in einen zylindrischen Hohlleiter eingespeist, und die Teilchenpakete gewinnen, auf den Wellenbergen mit richtiger Phase »reitend«, kontinuierlich Energie. Da die Phasengeschwindigkeit einer Welle in einem Hohlleiter konstanten Querschnitts immer größer ist als c, muss sie durch periodisch angeordnete Hindernisse (z. B. Irisblenden) verzögert werden (Irisstruktur oder »Runzelröhre«). Mit solchen Hochfrequenzlinearbeschleuniger kann man nur Teilchenstromstärken von im Mittel einigen 10 mA erzielen, weil die im Beschleunigungsrohr gespeicherte elektromagnetische Feldenergie relativ klein ist und die Energiezufuhr aus dem Sender nur mit der Gruppengeschwindigkeit der Wanderwelle (hier etwa 0,1 c) erfolgen kann.

 

Für sehr große Impulsstrahlleistungen, wie sie z. B. bei der Trägheitsfusion erforderlich sind, findet das Prinzip des Induktionsbeschleunigers Anwendung. Der Teilchenstrahl spielt hier die Rolle einer gemeinsamen Sekundärwicklung einer linearen Kette von 1 : 1-Transformatoren mit Ferritkern, deren Primärwicklungen in geeigneter zeitlicher Reihenfolge mit Stromimpulsen hoher Leistung aus Kondensatoren beschickt werden. Auf diese Weise konnten Elektronenstrahlimpulse von 50 MeV Teilchenergie, 10 000 A Stromstärke und 80 ns Dauer erzeugt werden.

 

Linearbeschleuniger wurden bislang im Allgemeinen mit niedrigem Tastverhältnis (englisch duty factor, dem Produkt aus Impulsdauer und Wiederholungsrate) gepulst betrieben (typischerweise 5 μs Impulsdauer, bei einer Wiederholfrequenz von einigen 100 Hz). Wegen des nur einmaligen Durchgangs der Teilchen durch die Beschleunigungsstrecke werden dabei große elektrische Feldstärken und damit auch außerordentlich große Hochfrequenzleistungen benötigt; die erforderliche Hochfrequenzleistung steigt mit dem Quadrat der zu erzeugenden Feldstärke (für einen Energiegewinn von 15 MeV pro Meter Beschleunigungsrohr werden 5 MW/m benötigt; SLAC). Gepulste Linearbeschleuniger sind als Quellen für detaillierte und vollständige kernphysikalische Experimente (Koinzidenzmethode) aber nur beschränkt brauchbar. Durch Rezirkulation des Teilchenstrahls (Mikrotron, Rezyklotron) oder Verwendung supraleitender Beschleunigungsrohre konnte der Energieverbrauch drastisch gesenkt und das Tastverhältnis bis auf den Wert eins, d. h. Dauerstrichbetrieb, erhöht werden. Mit diesem Prinzip wurde auch die an sich schon sehr gute Strahlqualität der Linearbeschleuniger (kleiner Strahldurchmesser, kleine Strahldivergenz und kleine Energieunschärfe) weiter verbessert.

 

Gepulste Linearbeschleuniger werden weiterhin als Vorbeschleuniger (Injektor) für die großen Ringbeschleuniger der Hochenergiephysik verwendet. Elektronenlinearbeschleuniger mit niedrigem Tastverhältnis können bei genügender Länge und, wegen des Fehlens von Verlusten durch Synchrotronstrahlung, mit vertretbarem Aufwand Teilchenstrahlen nahezu beliebig hoher Energie erzeugen (lineare Collider, SLC) - Kleine Elektronenlinearbeschleuniger mit Energien von etwa 5 bis 50 MeV und Leistungen von 1 bis 50 kW haben in der Anwendung die schweren und komplizierten Betatrons weitgehend verdrängt: u. a. in der Medizin zur Strahlenbehandlung und bei der Positronenemissionstomographie, in der Technik zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, in der Lebensmitteltechnik zur Sterilisation von Nahrungsmitteln, ferner in der Polymerchemie.