Strahldynamik

Strahldynamik,

 

Beschleunigerphysik: die Theorie der Bewegung geladener Teilchen in Beschleunigern unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder, besonders in zyklischen und Ringbeschleunigern. Ihr Hauptgegenstand ist die Untersuchung der Bedingungen, unter denen die Teilchenbewegung stabil ist, also die zu beschleunigenden Teilchen nicht im Beschleuniger verloren gehen. Diese Stabilität ist Grundvoraussetzung für die Funktionsfähigkeit eines Teilchenbeschleunigers. Sie bedeutet, dass auch Teilchen mit geringen Abweichungen von der Sollbahn oder von dem Sollphasenwinkel bezüglich der beschleunigenden Wechselspannung beschleunigt werden können. Das ist nur dann möglich, wenn der Beschleuniger rückstellende Eigenschaften hat, durch die die von den Sollwerten abweichenden Orte und Geschwindigkeiten der Teilchen auf die Sollwerte hin korrigiert werden. In Verbindung mit der Trägheit der Teilchen ergeben sich daraus Schwingungen um die Sollwerte (die Schwingungen in radialer Richtung werden als Betatron-, diejenigen in longitudinaler Richtung als Synchrotronschwingungen bezeichnet). Durch die jeweils maximal möglichen Amplituden der Schwingungen von Ort und Impuls um die Sollwerte wird ein Volumen im Phasenraum definiert, dessen Form und Größe zusammenfassend als Akzeptanz eines Beschleunigers bezeichnet werden. Ein Beschleuniger kann demnach nur Teilchen beschleunigen, die innerhalb seiner Akzeptanz liegen. Damit ist die Akzeptanz eines Beschleunigers neben der Art der zu beschleunigenden Teilchen sowie deren erreichbarer Energie und dem maximal möglichen Strahlstrom eine seiner wichtigsten Kenngrößen.

 

Das von den Teilchen eines zu beschleunigenden Teilchenpakets eingenommene Phasenraumvolumen wird als Emittanz bezeichnet. Für diese gilt in Beschleunigern die Liouville-Gleichung, sofern Energieverluste durch Synchrotronstrahlung vernachlässigbar sind. Daraus folgt einerseits, dass die Emittanz höchstens so groß sein darf wie die Akzeptanz und dass andererseits die Qualität eines Strahls beschleunigter Teilchen (z. B. das kleinstmögliche Produkt aus Energie- und Ortsschärfe) bereits durch die Emittanz der Teilchen beim Eintritt in den Beschleuniger begrenzt ist; sie kann nur durch Effekte der Strahlkühlung verbessert werden.