Elektronenkühlung

Elektronenkühlung

Elektronenkühler (links im Bild) im Low Energy Ion Ring (LEIR) am CERN. Die Elektronenquelle und Elektronenauffangeinrichtung befinden sich in den oben angeordneten silbernen Zylindern

Die Elektronenkühlung ist ein Verfahren, um einen Strahl in einem Teilchenbeschleuniger mittels eines Elektronenstrahls zu kühlen, d. h. die Größe der Teilchenpakete im Phasenraum bzw. die Emittanz zu verkleinern. Dabei muss die Masse der Teilchen des zu kühlenden Strahls größer als die Elektronenmasse sein.

Geschichte

Im Jahr 1966 wurde von Gersch Izkowitsch Budker die Elektronenkühlung als ein Verfahren zur Dämpfung von Oszillationen eines Protonenstrahls in einem Speicherring vorgeschlagen. [1] Erstmals demonstriert wurde die Elektronenkühlung im Jahr 1974 am „NAP-M“-Speicherring im Budker-Institut für Kernphysik (BINP) in Akademgorodok.[2][3] Am CERN wurde eine erste Anlage im Jahr 1977 errichtet.[4] Heutzutage kommt die Elektronenkühlung in vielen Synchrotron-Teilchenbeschleunigern und Speicherringen zum Einsatz.

Funktionsweise

Mit einer Elektronenquelle wird ein Elektronenstrahl erzeugt. Dieser Strahl wird durch ein statisches elektrisches Feld beschleunigt. Im Potential des beschleunigenden elektrischen Felds werden alle Elektronen unabhängig von ihrem genauen Weg um den gleichen Betrag beschleunigt. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen sehr schmal ist. Der Elektronenstrahl wird so weit beschleunigt, dass die Geschwindigkeit seiner Elektronen mit der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen im Teilchenstrahl übereinstimmt.

Nach der Beschleunigung wird der Elektronenstrahl mit Hilfe von Magnetfeldern mit dem Teilchenstrahl überlagert. In einer geraden Flugstrecke stoßen gehäuft solche Teilchen an die Elektronen, die nicht mit dem Elektronenstrom mitschwimmen. Durch diese Stöße kommt es zur Impulsabgabe an die Elektronen und damit zur Kühlung des Strahls. Nach einigen Metern gemeinsamer Flugstrecke werden die Elektronen ausgekoppelt und aufgefangen.

Der zu kühlende Teilchenstrahl kann mittels Elektronenkühlung nur soweit abgekühlt werden, bis dieser mit dem Elektronenstrahl im thermischen Gleichgewicht steht.

Die Energie, um Elektronen der Masse $ m_e $ auf die gleiche Geschwindigkeit wie Partikel der Masse $ m_p $ und der Energie $ E_p $ zu beschleunigen ist $ E_e=\frac{m_e}{m_p} E_p $.

Nutzung

Die Elektronenkühlung ist ein wichtiges Hilfsmittel bei der Erzeugung von Antimaterie, so bietet am Antiproton Decelerator im CERN die Elektronenkühlung eine höhere Kühlrate als die stochastische Kühlung.

Der Einsatz in Vorbeschleunigern ist ebenfalls weit verbreitet, beispielsweise werden so im Low Energy Ion Ring (LEIR) Blei-Ionen für den Large Hadron Collider (LHC) bereitgestellt.

Weitere Anwendung findet die Elektronenkühlung bei der Verbesserung der Strahlqualität, etwa am Kühlersynchrotron COSY.

Der Einsatz der Elektronenkühlung wird durch die zur Beschleunigung der Elektronen nötige Energie eingeschränkt, so waren in bisherigen Elektronenkühler-Anlagen Elektronenenergien von bis zu maximal 300 keV üblich, entsprechend einer Protonenenergie von 550 MeV.[5] Bei höheren Geschwindigkeiten kam daher die stochastische Kühlung zum Einsatz.[4]

Die größte Anlage befindet sich am Fermi National Accelerator Laboratory. Dort werden seit Mitte Juli 2005 auf einer 20 m langen Kühlstrecke Antiprotonen mit einer Energie von bis zu 8 GeV durch Elektronen mit einer maximalen Elektronenenergie von 4,3 MeV gekühlt. Im Betrieb fließt ein Strom bis zu 0,5 A.[3]

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. G. I. Budker: An effective method of damping particle oscillations in proton and antiproton storage rings. In: Atomic Energy. 22, Nr. 5, 1967, S. 438-440. doi:10.1007/BF01175204.
  2. G. I. Budker et al.: Experimental Studies of Electron Cooling. In: PAAC. 7, 1976, S. 197.
  3. 3,0 3,1 Sergei Nagaitsev: Electron cooling demonstration with Recycler 8.9-GeV/c pbars. Fermi National Accelerator Laboratory, 18. Juli 2005, abgerufen am 19. Januar 2011 (pdf; 254 kB, english, Vortragsfolien).
  4. 4,0 4,1 Gerard Tranquille: ICE-cool beams just keep on going. CERN Courier, 25. August 2009, abgerufen am 30. Dezember 2009 (english).
  5. Frank Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-75281-3, S. 359, doi:10.1007/978-3-540-75282-0.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


11.05.2021
Teleskop zur Erforschung von Objekten höchster Dichte im Universum
Eine internationale Gruppe von Astronomen hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen.
11.05.2021
Quantencomputing einfach erklärt
„Quantencomputing kompakt“ lautet der Titel eines aktuellen Buchs, das Bettina Just veröffentlicht hat. Die Mathematikerin und Informatikerin, die an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) lehrt und forscht, behandelt darin ein Teilgebiet der Informationstechnik mit großem Entwicklungspotenzial.
11.05.2021
Auf dem Weg zum kleinstmöglichen Laser
Bei extrem niedrigen Temperaturen verhält sich Materie oft anders als gewohnt.
07.05.2021
Die Entdeckung von acht neuen Millisekunden-Pulsaren
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden.
04.05.2021
Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
04.05.2021
Neuer Exoplanet um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt
Astronomen aus den Niederlanden, Belgien, Chile, den USA und Deutschland bilden neu entdeckten Exoplaneten „YSES 2b“ direkt neben seinem Mutterstern ab.
07.04.2021
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte. Und vielleicht sogar Hinweise auf noch unbekannte Teilchen im Universum gibt.
02.04.2021
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
02.04.2021
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
02.04.2021
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Weitere Raketenmissionen sollen folgen.
02.04.2021
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
25.03.2021
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.
24.03.2021
Können Sternhaufen Teilchen höher beschleunigen als Supernovae?
Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass hochenergetische kosmische Strahlung in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird. Neue Hinweise gefunden, wie kosmische Strahlung entsteht.
24.03.2021
Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage
Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht.
21.03.2021
Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.
21.03.2021
Chromatischer Lichtteilcheneffekt für die Entwicklung photonischer Quantennetzwerke enthüllt
Es ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung. In einem Schlüsselexperiment ist es gelungen, die bislang definierten Grenzen für Photonenanwendungen zu überschreiten.
18.03.2021
Stratosphärische Winde auf Jupiter erstmals gemessen
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hat ein Team von Astronomen zum ersten Mal die Winde in der mittleren Atmosphäre des Jupiters direkt gemessen.
18.03.2021
Was Gravitationswellen über Dunkle Materie verraten
Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen beobachtet.
18.03.2021
Filamente des kosmischen Netzwerks entdeckt
Einem internationalen Team von Astronominnen und Astronomen gelang zum ersten Mal die direkte Kartierung kosmischer Filamente im jungen Universum, weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Beobachtungen zeigen sehr leuchtschwache Galaxien, und geben Hinweise auf deren Vorfahren.
18.03.2021
Blaupausen für das Fusionskraftwerk
Am 21 März 1991 erzeugte die Experimentieranlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching das erste Plasma.
12.03.2021
Was die reflektierte Strahlung von Exoplaneten verraten könnte
Als 1995 der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde, war das eine Sensation, die später mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde.
12.03.2021
Theoretische Lösung für Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit
Wenn Reisen zu fernen Sternen innerhalb der Lebenszeit eines Menschen möglich sein sollen, muss ein Antrieb gefunden werden, der schneller als Lichtgeschwindigkeit ist.
12.03.2021
Quantenkontrolle mit Fernbedienung
Quantentechnologien basieren auf der präzisen Kontrolle des Zustands und der Wechselwirkung einzelner Quantenteilchen.
12.03.2021
Wie Gesteine die Bewohnbarkeit von Exoplaneten beeinflussen
Die Verwitterung von Silikatgesteinen trägt massgeblich dazu bei, dass auf der Erde ein gemässigtes Klima herrscht.