Mikrotron

◆ Mi|kro|tron auch: Mi|krot|ron 〈n. 11; El.〉 ringförmiger Teilchenbeschleuniger für Elektronen mit konstantem Beschleunigungsfeld [<grch. mikros „klein“ + Elektron]

◆ Die Buchstabenfolge mi|kr... kann in Fremdwörtern auch mik|r... getrennt werden.

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Mikrotron

 

[zu mikro... und Elektron gebildet] das, -s/-s oder ...'trone, Kreisbeschleuniger für relativistische Elektronen, bei dem die Beschleunigung in separaten Hochfrequenz-Beschleunigungsstrecken erfolgt, die etwa zehn- bis hundertmal mit jeweils entsprechend großem Energiegewinn durchlaufen werden.

 

Beim klassischen Mikrotron (W. I. Weksler, 1944) bewegen sich die Elektronen auf Kreisbahnen senkrecht zu einem konstanten Magnetfeld der Flussdichte B und durchlaufen an einer gemeinsamen Tangente das elektrische Beschleunigungsfeld eines Hochfrequenzresonators der konstanten Eigenfrequenz ω_HF. Dieser Typ des Mikrotrons wird auch als Elektronenzyklotron bezeichnet. Der Energiegewinn Δ E der Elektronen pro Umlauf ist gleich ihrer Ruhenergie m_ec² = 0,511 MeV (m_e Elektronenmasse, c Vakuumlichtgeschwindigkeit); ω_HF genügt der Resonanzbedingung ω_HF = eB / m_e ≡ ω_z (e elektrische Elementarladung, ω_z Zyklotronfrequenz). Die Umlauffrequenz ω = eB / m der Elektronen steht dann immer in einem rationalen Verhältnis zu ω_z. Da der Resonator bei dieser Mikrotronausführung sehr klein sein muss (Einzelresonator im engen Luftspalt des Magneten), ist nur ein Impulsbetrieb möglich. Bei Eigenfrequenzen bis zu einigen GHz und entsprechenden magnetischen Flussdichten bis zu einigen 0,1 Tesla nimmt die erforderliche Magnetgröße sehr schnell mit der gewünschten Endenergie der Elektronen zu; aus diesem Grund wurden klassische Mikrotrone nur bis zu einer Energie von 30 MeV gebaut.

 

Diese Schwierigkeit entfällt, wenn man den Magneten in zwei jeweils um 180º ablenkende Hälften zerlegt, die durch gerade Strecken voneinander getrennt sind. In dem Zwischenraum kann ein Hochfrequenz-Linearbeschleuniger (Linearbeschleuniger, Abkürzung Linac) mit fokussierenden Linsen an seinen beiden Enden untergebracht werden. Das so entstehende Mikrotron, das auch als Rennbahnmikrotron (englisch racetrack microtron) bezeichnet wird, hat als Resonanzbedingung für den Energiegewinn pro Umlauf:

 

für n = 1 wächst die Teilchenbahnlänge pro Umlauf gerade um eine Hochfrequenzwellenlänge λ. Wegen des im Linearbeschleuniger erreichbaren Energiegewinns Δ E von etwa 10 MeV sind bei magnetischen Flussdichten B von etwa 1 Tesla Endenergien der Elektronen bis zu etwa 1 GeV erreichbar, bei noch vertretbarer Größe des Umlenkmagneten. Ein Rennbahnmikrotron mit N Umläufen des Teilchenstrahls kann als N-fach durchlaufener Linearbeschleuniger aufgefasst werden (man spricht hier und bei ähnlichen Beschleunigern auch von rezirkulierenden Beschleunigern, Rezyklotron). Das Mikrotron hat daher die gleiche gute Strahlqualität wie ein Linearbeschleuniger, mit kleinem Strahldurchmesser, kleiner Strahldivergenz und kleiner Energieunschärfe. Ein Mikrotron mit E = N · Δ E benötigt für das Erreichen der gleichen Endenergie wie ein Linearbeschleuniger nur eine um einen Faktor 1/N² geringere Leistung (bei 30 Umläufen nur etwa 0,1 %) und kann daher auch im Dauerstrichbetrieb verwendet werden (MAMI).

 

Die Teilchenoptik eines Rennbahnmikrotrons bleibt nur dann praktisch beherrschbar, wenn sich Anfangs- und Endenergie um nicht mehr als etwa einen Faktor 10 unterscheiden. Wegen des Einsatzes von Wanderwellen-Linacs können Mikrotrone außerdem bei Teilchenstrahlen sehr unterschiedliche Energie nur dann verwendet werden, wenn die Teilchen hochrelativistisch sind, ihre Geschwindigkeit sich also nicht mehr mit der Energie ändert (Relativitätstheorie). Für Elektronen ist das ab etwa 3,5 MeV der Fall (Geschwindigkeit etwa 0,99 c ). In gepulsten Mikrotronen kann diese Energie mit dem ersten Durchgang durch den Linac erreicht werden, bei Dauerstrichmikrotronen mithilfe eines kleinen Vorbeschleunigers (Linac oder Van-de-Graaff-Generator). - In den letzten Jahren sind kompakte gepulste Mikrotrone zu einer ernsthaften Konkurrenz der Linearbeschleuniger für medizinische Zwecke oder für die Injektion, besonders bei Synchrotronstrahlungsquellen, geworden.

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Mi|kro|tron, das; -s, -s u. ...one [zu griech. -tron = Suffix zur Bez. eines Gerätes]: Kreisbeschleuniger für ¹Elektronen.