Prinzip des Tandembeschleunigers

Das Prinzip in den Nacht- oder sonstigen Doppelschichten sieht doch wohl so aus:



Wir beschleunigen aber nicht nur uns zu den Teilchen beim Bäcker, sondern auch die Teilchen selbst.


Vielleicht kann man es auch etwas anders formulieren:

Das Prinzip: Der Tandembeschleuniger ist ein in der Kernphysik benutzter Teilchenbeschleuniger, der aus zwei hintereinander liegenden elektrostatischen Beschleunigungsstrecken umgekehrter Polarität besteht, deren Mittelpunkt (das "Terminal") von einem Van-de-Graaff-Generator auf positiver Hochspannung gehalten wird (daher die oft benutzte Bezeichnung "Tandem-Van-de-Graaff-Generator").




Auf einer Seite werden negativ geladene Ionen eingeschossen, die im Terminal in einem sogenannten "Stripper" (einem Gastarget oder einer dünnen Folie), einige ihrer Elektronen abstreifen und dann auf der anderen Seite als positive Ionen weiter beschleunigt werden. Ionenquelle und Reaktionstarget können somit auf Erdpotential gehalten werden, und die beschleunigende Spannung wird mehrfach genutzt.
Das Beschleunigungsrohr (je 2 Röhren nieder- und hochenergieseitig) besteht aus 400 tellerförmigen Elektroden, die mit Ringen der Länge 1" aus isolierendem Material, hier Glas, zusammengeklebt sind. In ihm durchlaufen die Ionen im Hochvakuum die Potentialdifferenz zwischen der Hochspannungselektrode und dem geerdeten Target. Die Elektroden sind nicht flach, sondern haben (wechselnde) Neigungswinkel gegen die z-Achse ("inclined field" bzw. "spirally inclined field"), um Sekundärelektronen nach kurzen Beschleunigungswegen aus dem Strahl zu lenken (Röntgenstrahlung!), während der Ionenstrahl eine oszillierende (schraubenförmige) Bahn durchläuft. Die gesamte tragende Struktur, die das Rohr, das Band und dessen Abstandsstäbe und die Widerstandskette zur Spannungsteilung enthält, ist ebenfalls mit 1" (25,4 mm) Abstand aus leitenden Ebenen und Glasbausteinen geklebt und wird durch eine mechanische Vorspannung von etwa 40 t freitragend gehalten. Die Widerstandskette teilt die Spannung am Terminal gleichmäßig (konstantes elektrisches Feld in axialer Richtung). In radialer Richtung (zum Tank) ist das Feld das eines geladenen Zylinderkondensators und nimmt nach außen ab. Zur Vermeidung von Spitzen (hohe Feldstärke!) ist jede Ebene mit polierten Potentialringen zum Tank hin abgeschlossen. Die Ionenquellen (in Köln sind es drei: eine Sputterquelle, ein Duoplasmatron mit Umladung und die Quelle polarisierter Ionen LASCO) müssen einfach negativ geladene Ionen vorbeschleunigt bereitstellen, die in der ersten Hälfte des Tandems die Energie eU gewinnen. Im Terminal findet die Umladung des einfach negativen Ionenstrahls in Z-fach geladene positive Ionen durch "Stripping" an einer dünnen Kohlenstofffolie statt. Die erreichbare Energie ist damit (Z+1)eU, wenn U die Terminalspannung ist.


Van-de-Graaff-Generator

Der Bandgenerator ist eine Apparatur zur Erzeugung hoher elektrischer Spannungen (bis zu mehreren Millionen Volt), die 1931 von dem amerikanischen Physiker Robert Jameson Van de Graaff (1901-1967) entwickelt wurde.

Der Van-de-Graaff-Generator arbeitet ähnlich wie die Influenzmaschine.

Die elektrische Ladung wird in Form von Elektronen oder Ionen aus einer Spitzenelektrode auf ein schnell umlaufendes Band aus Isoliermaterial (z.B. aus Kunststoff oder einer auf ein Leinenband aufgebrachten Gummimischung) aufgesprüht. Die Ladungen bleiben an dem Band haften und werden von ihm zur Hochspannungselektrode transportiert. Diese besteht aus einer äußeren Kugel aus Metall mit einem Durchbruch, durch den das Band über eine im Inneren angebrachte Rolle läuft. An dieser Rolle im feldfreien Inneren der Hochspannungselektrode werden die Ladungen durch eine Metallbürste vom Band abgestreift und fließen auf die Terminal-Elektrode ab, wodurch sich diese auf hohe Spannungen auflädt. Im einfachen VdG-Generator ist diese eine Kugel oder ein abgerundeter Zylinder. Beim Tandem-VdG-Generator wird die Terminalspannung mehrfach genützt; hier hat das Terminal Zylinderform. Nach einem Vorschlag von Ray Herb (NEC, Madison, Wisconsin) kann man das Band durch eine Kette gegeneinander isolierter Metallzylinder ersetzen, die die Ladung transportieren ("Pelletron"). Man erreicht damit eine wesentlich geringere Abhängigkeit von Materialeigenschaften wie z.B. den stark variierenden Eigenschaften der Bandoberfläche, der Bandabrieb (Staub!) entfällt, und infolgedessen ist die Hochspannung wesentlich stabiler (energieschärferer Strahl). Am Kölner FN-Beschleuniger besorgen zwei solche Ketten den Ladungstransport.

Hohe Spannungen oberhalb 1-2 MV erfordern aus Isolationsgründen die Installation der Anlage in einem Drucktank (Gesetz von Paschen). Heute werden Feldstärken bis zu 30 MVm-1 beherrscht. Der Kölner Tandem-VdG erreicht bis ca. 11 MV, d.h. 22 MeV für Protonen und Deuteronen, aber je nach Ladungszustand mehr für Schwerionen.
Der maximal erreichbare Strom im Bandgenerator wird durch die Ladungsdichte, die man auf das Band aufbringen kann (und die ebenfalls von der Durchbruchsfeldstärke im Druckgas abhängt), die Breite des Bandes und durch dessen Geschwindigkeit begrenzt. Man erreicht an unserem Beschleuniger bis zu etwa 300 Mikroampere. Von diesem Strom fliesst ein Teil durch den Spannungsteiler ab, so daß für den eigentlichen Teilchenstrahl maximal etwa 5 Mikroampere zur Verfügung stehen.