Synchrotron - einfach und anschaulich erklärt

In diesem Video geht es um den vereinfachten Aufbau und die Funktionsweise eines Synchrotrons.
Ein Synchrotron besteht aus einem Linearbeschleuniger, der die Teilchen auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt, bevor sie in den Ringbeschleuniger gelangen. Ein Elektromagnet, der sogenannte Injektionsmagnet, lenkt die vorbeschleunigten Teilchen in den Ringbeschleuniger. Die Ablenkmagnete lenken die Teilchen auf die Ringbahn und die Fokussierungsmagnete sorgen dafür, dass die Teilchen möglichst mittig durch den Ring fliegen. An beiden Seiten befinden sich Linearbeschleuniger, die die Teilchen weiter beschleunigen, bzw. die Masse der Teilchen erhöhen. Der Ejektionsmagnet sorgt dafür, dass wenn er eingeschaltet ist, Teilchen den Ringbeschleuniger gezielt verlassen können.
Begleiten wir einmal ein Elektron auf seiner Reise durch das Synchrotron. Mithilfe des Glühelektrischen Effekts, verlassen einige Elektronen die Ionenquelle in Richtung einiger Driftröhren. Die Driftröhren sind hohle Zylinder aus Metall. Die Driftröhren sind abwechselnd positiv und negativ geladen. Im Inneren der Driftröhren existiert kein elektrisches Feld, deshalb wird das Elektron im Inneren nicht beschleunigt. Aber zwischen den Driftröhren bilden sich elektrische Felder, die das Elektron beschleunigen. Verlässt nun ein Elektron die Ionenquelle, so wird es hin zur ersten positiv geladenen Driftröhre beschleunigt. Jetzt geschieht das Entscheidende. Wenn das Elektron in der Driftröhre ist, werden die Driftröhren aufgrund der anliegenden Wechselspannung umgepolt. Nun wird das Elektron weiter in Richtung der nächsten Driftröhre beschleunigt. Da die Geschwindigkeit des Elektrons immer mehr anwächst, müssen die Driftröhren immer länger werden, damit das Elektron nach der stets gleichen Zeitspanne (also im Takt der Wechselspannungsfrequenz) in das nächste elektrische Feld gelangt.
Das beschleunigte Elektronen fliegt nun geradeaus weiter in Richtung des Injektionsmagneten. Ist dieser Elektromagnet eingeschaltet, zeigen die Magnetfeldlinien vom Nordpol zum Südpol. Auf Ladungen, die sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegen wirkt die Lorentzkraft. Mithilfe der 3-Finger-Regel der linken Hand kann man die Richtung bestimmen. In diesem Fall zeigt die Lorentzkraft in die Mitte des Synchrotrons. Dadurch wird das Elektron abgelenkt und gelangt in einen Ablenkmagneten. Auch hier wirkt auf das Elektron die Lorentzkraft in Richtung der Mitte des Synchrotrons. Dadurch wird das Elektron auf einer Kreisbahn gehalten. Das Elektron führt während des Umlaufs unvermeidlich Schwingungen um seine ideale Kreisbahn aus. Aus diesem Grund gibt es mehrere Fokussierungsmagnete, die für eine Stabilisierung der Teilchenbahn sorgen, sodass das Elektron möglichst mittig durch die Ablenkmagneten fliegen. Dann trifft das Elektron auf einen Linearbeschleuniger. Zur Beschleunigung in den geraden Beschleunigungsstrecken dienen dabei wieder hochfrequente elektrische Wechselfelder. Damit das Elektron dabei nicht mit Gasmolekülen zusammenstößt, muss in dem gesamten Ring in dem sich das Elektron bewegt ein Ultrahochvakuum herrschen. Da das Elektron immer schneller wird müssen sowohl die elektrischen Wechselfelder der Linearbeschleuniger als auch die magnetische Feldstärke in den Ablenkplatten proportional zu dessen aktuellem und von Durchlauf zu Durchlauf wachsendem Teilchen-Impuls erhöht werden. Solange der Ejektionsmagnet ausgeschaltet ist, durchläuft unser Elektron die Ringbahn. Sobald das Elektron einen bestimmten Impuls erreicht hat, kann man den Ejektionsmagneten einschalten. Dadurch wirkt auf das Elektron eine Lorentzkraft, die nach außen zeigt. Dadurch kann das Elektron den Ring gezielt verlassen und bei Experimenten gezielt mit einem bestimmten Objekt kollidieren.