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Das '''Synchrotron''' (von [[Synchronität|synchron]], „gleichzeitig“) ist ein Typ von [[Teilchenbeschleuniger]]n und gehört zu den [[Ringbeschleuniger]]n. Geladene [[Elementarteilchen]] oder [[Ionenstrahlung|Ionen]] können darin auf sehr hohe (''[[relativistische Geschwindigkeit|relativistische]]'') Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch sie sehr hohe [[kinetische Energie]]n erhalten. Synchrotrone wurden entwickelt, um über die mit [[Zyklotron]]en erreichbaren Energien hinauszukommen.

Eine Sonderform des Synchrotrons ist der [[Speicherring]]. Das Synchrotron kann auch selbst, nachdem die Teilchen auf eine gewünschte Energie beschleunigt sind, als Speicherring betrieben werden. Auch eine Gesamtanlage aus einem Speicherring und einem getrennten Synchrotron zu dessen Füllung wird manchmal einfach als Synchrotron bezeichnet.
[[Datei:Aust.-Synchrotron-Interior-Panorama,-14.06.2007.jpg|mini|hochkant=2|Elektronensynchrotron in Clayton bei Melbourne (Australien). Sichtbar sind der Speicherring und rechts im Vordergrund eine ''[[Strahllinie|beamline]]'' zur Nutzung der Synchrotronstrahlung]]

== Prinzip und Aufbau ==
Ein Synchrotron besteht seinem Grundbauplan nach aus mehreren Ablenkmagneten und dazwischen angeordneten geradlinigen Beschleunigungsstrecken, kombiniert damit also die Prinzipien des Ring- und des Linearbeschleunigers. Anders als beim [[Zyklotron]] oder [[Betatron]] jedoch, bei denen die Teilchenbahnen spiralförmig sind, verlaufen sie beim Synchrotron vom Anfang bis zum Ende des Beschleunigungsvorgangs als in sich geschlossener Ring. Das Feld der Ablenkmagnete kann daher nicht wie im Zyklotron oder Betatron zeitlich konstant bleiben, sondern muss während der Beschleunigung jedes Teilchenpakets proportional zu dessen aktuellem und von Durchlauf zu Durchlauf wachsendem Teilchen-[[Impuls (Physik)|Impuls]] erhöht werden. Zur Beschleunigung in den geraden Beschleunigungsstrecken dienen dabei [[Hochfrequenz|hochfrequente]] elektrische Wechselfelder in [[Hohlraumresonator]]en. Damit die Teilchen dabei nicht durch Stöße mit Gasmolekülen verlorengehen, muss in dem Ringrohr, in dem sie sich bewegen, außerdem – wie bei anderen Beschleunigern auch – ein [[Vakuum|Ultrahochvakuum]] (UHV) herrschen.

Ein Synchrotron beschleunigt die Teilchen nicht „von Null an“, sondern wird immer von einem Vorbeschleuniger (Injektor) gespeist. Dieser bringt sie auf eine Energie – beispielsweise 20 oder 50 [[Elektronenvolt|MeV]] –, die im Fall von Elektronen schon weit über der [[Ruheenergie]] des Teilchens liegt, im Fall von Ionen dagegen weit darunter.<ref>Die Ruheenergie eines Elektrons beträgt 0,511 MeV, diejenige eines Protons 938 MeV.</ref> Dementsprechend treten Elektronen schon mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins Synchrotron ein. Dort erhöhen sich, wie von der [[Kinetische Energie#Kinetische Energie in der relativistischen Mechanik|relativistischen]] Mechanik beschrieben, ihre Energie und ihr Impuls, aber praktisch nicht mehr die Geschwindigkeit; die Frequenz, mit der der Strom der Magneten moduliert wird, und die Phasenlage der Beschleunigungsstrecken zueinander können daher konstant sein. Bei Protonen und noch schwereren Teilchen nimmt dagegen auch im Synchrotron selbst die Geschwindigkeit noch erheblich zu. Hier muss daher während der Beschleunigung eines jeden Teilchenpakets nicht nur das Magnetfeld, sondern auch die Phase der Hochfrequenzspannungen der einzelnen Resonatoren laufend [[Synchronisation|angepasst]] werden.

Wegen dieser erheblichen technischen Unterschiede ist ein Synchrotron immer speziell
*entweder für Elektronen/[[Positron]]en
*oder für Protonen (und eventuell noch schwerere Ionen) gebaut.

== Geschichte ==
Die grundlegenden Konzepte für das Synchrotron entwickelten unabhängig voneinander [[Wladimir Iossifowitsch Weksler]] 1944 am [[Lebedew-Institut]] in Russland und [[Edwin McMillan]] während des Zweiten Weltkriegs in [[Los Alamos National Laboratory|Los Alamos]] in den USA. Das erste Elektronensynchrotron wurde 1945 von [[Edwin Mattison McMillan]], das erste Protonensynchrotron 1952 von [[Mark Oliphant]] gebaut. Die Entdeckung des Prinzips der starken Fokussierung durch [[Ernest Courant]], [[M. Stanley Livingston]] und [[Hartland Snyder]] in den USA (und unabhängig vorher durch [[Nicholas Christofilos]]) führte etwa um 1960 zum Bau von Synchrotronen, die den GeV-Energiebereich erschlossen: Im [[CERN]] entstand das ''[[Proton Synchrotron]]'' und in [[Brookhaven National Laboratory|Brookhaven]] das ''[[Alternating Gradient Synchrotron]]'', beide für Protonen im 30-GeV-Bereich, und etwa zur gleichen Zeit bei [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] und [[DESY]] Elektronensynchrotrone mit etwa 6 GeV.

Die heute (2016) größte Synchrotronanlage [[Large Hadron Collider]] (LHC) hat Protonen bis auf 6,5 TeV beschleunigt, so dass [[Colliding-Beam-Experiment]]e mit 13 TeV möglich sind. Dagegen dienen Elektronensynchrotrone heute nicht mehr der Teilchenphysik, sondern als Quellen für Synchrotronstrahlung.

== Verwendungen ==
In Synchrotronen beschleunigte Ionen werden in der Regel zu [[Colliding-Beam-Experiment|Kollisions-]] oder Targetexperimenten der [[Teilchenphysik|teilchenphysikalischen]] Grundlagenforschung verwendet, in einigen Fällen auch zu [[Strahlentherapie|therapeutischen]] Zwecken. Dagegen verwendet man Elektronenspeicherringe seit den 1980er Jahren hauptsächlich als Quellen von [[Synchrotronstrahlung]]; diesem Zweck dienen die meisten heute existierenden Synchrotronanlagen.

== Erreichbare Energien ==
Die Teilchenenergie <math>E_\mathrm{max}</math>, die in einem bestimmten Synchrotron erreicht werden kann, ist abhängig von der maximalen [[Magnetische Flussdichte|magnetischen Flussdichte]] ''B'', vom Radius ''r'' des (hier vereinfachend als Kreis angenommenen) Rings und von den Teilcheneigenschaften. Für hohe Energien gilt näherungsweise:

:<math>E_\mathrm{max} \approx r\,q\,B\,c</math>.

Dabei ist ''q'' die [[elektrische Ladung]] des beschleunigten Teilchens und ''c'' die [[Lichtgeschwindigkeit]]. In der Formel besteht keine Abhängigkeit von der [[Masse (Physik)|Masse]] des Teilchens, aber man muss zusätzlich die Abgabe von [[Synchrotronstrahlung]] berücksichtigen, die proportional zur vierten Potenz des [[Lorentzfaktor]]s <math>\gamma = E/(mc^2)</math> ist. Leichtere Teilchen strahlen daher bei gleicher Energie wesentlich stärker als schwerere Teilchen. Der Energieverlust durch diese Abstrahlung muss durch die elektrische Beschleunigung ausgeglichen werden.

=== Starke Fokussierung ===
Die Teilchen führen während des Umlaufs unvermeidlich Schwingungen (sogenannte ''Betatronschwingung'') um ihre Sollbahn aus. Die Amplitude dieser Schwingungen bestimmt die „Dicke“ des Strahls, damit die nötige Breite der Magnetpolschuhe und so die Gesamtgröße und die Baukosten. Synchrotrone für höhere Energien nutzen deshalb das Prinzip der ''starken Fokussierung'': Die Ablenkmagnete haben abwechselnd nach beiden Seiten angeschrägte Polschuhe, so dass die Magnetfelder quer zur Teilchen-Flugrichtung [[Gradient (Mathematik)|Gradienten]] mit wechselnder Richtung haben. Dies ergibt eine Stabilisierung (Fokussierung) der Teilchenbahnen. Auf die Ablenkung eines Teilchens in der Querrichtung bezogen entspricht es anschaulich der Hintereinanderanordnung von Sammel- und Zerstreuungslinsen für Licht, mit einer Fokussierung als Nettoeffekt.

Außer mit wechselnden Gradienten der Ablenkmagnetfelder kann die starke Fokussierung auch außerhalb der Ablenkmagneten mit [[Quadrupolmagnet|Quadrupollinsen]] erreicht werden.<ref>Frank Hinterberger: ''Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik.'' 2. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-75281-3, S. 62.</ref>

== Elektronensynchrotron ==
[[Datei:Aerial view of Synchrotron SOLEIL.jpg|mini|300px|rechts|Das Elektronen-Synchrotron [[Synchrotron SOLEIL|SOLEIL]] in Frankreich]]
[[Datei:Schéma de principe du synchrotron.jpg|mini|rechts|Übersichts-Schema von SOLEIL. Im Inneren des Ringes der Vorbeschleuniger; in den äußeren tangentialen Armen wird die Synchrotronstrahlung beobachtet und genutzt]]
Weil der [[Synchrotronstrahlung#Erzeugung und Anwendung|Strahlungsverlust bei relativistischen Geschwindigkeiten]] mit der vierten Potenz der Energie ansteigt, lassen sich Elektronen im Synchrotron nur bis ca. 10 [[Elektronenvolt|GeV]] einigermaßen wirtschaftlich beschleunigen. Nur als Ausnahme wurden 1999 in einem Versuch an der Anlage [[Large Electron-Positron Collider|LEP]] Elektronen auf über 100 GeV gebracht.<ref>Frank Hinterberger: ''Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik.'' 2. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-75281-3, S. 47.</ref> Günstiger erhält man Elektronen mit mehr als einigen GeV mit [[Linearbeschleuniger]]n. Bei der heute fast ausschließlichen Verwendung von Elektronensynchrotronen als Strahlungsquelle werden Elektronenenergien bis zu etwa 6 GeV genutzt.

Beim Elektronensynchrotron erzeugt eine [[Elektronenkanone]] mit einer [[Glühkathode]] freie Elektronen, die dann über eine Gleichspannungs-Beschleunigungsstrecke in einen Linearbeschleuniger, ein [[Mikrotron]] oder sogar schon in einen ersten Synchrotron-Beschleunigungsring geleitet werden. In diesem werden die Elektronen auf ihre Endenergie beschleunigt und dann – im Fall einer Speicherringanlage – in einem Speicherring gespeichert, der bis zu einigen hundert Metern Umfang haben kann. Die Elektronen laufen dort um, bis sie durch Kollisionen mit noch vorhandenen Gasmolekülen verloren gehen. Bei modernen Elektronensynchrotronen wie [[BESSY]] oder [[European Synchrotron Radiation Facility|ESRF]] beträgt die Lebensdauer des Elektronenstroms im Speicherring einige Tage; allerdings werden in regelmäßigen Abständen Elektronen zugeführt, um einen dauerhaft ausreichenden Ringstrom bereitzustellen.

=== Synchrotronstrahlung ===
{{Hauptartikel|Synchrotronstrahlung}}
An Elektronensynchrotronen wurde erstmals die intensive und breitbandige elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich der [[Röntgenstrahlung|Röntgen-]] und [[Ultraviolettstrahlung]] nachgewiesen, die aufgrund der Ablenkung sehr schneller geladener Teilchen entsteht und den Teilchen dadurch kinetische Energie entzieht. Zunächst trat sie an Elektronensynchrotronen für die teilchenphysikalische Forschung störend in Erscheinung; ihre vorzügliche Eignung für Untersuchungen in anderen Bereichen der Physik sowie weiterer Naturwissenschaften, aber auch für industrielle und medizinische Anwendungen wurde erst nach und nach erkannt. Sie wird daher inzwischen gezielt produziert. Dazu werden nicht mehr die zur Führung des Teilchenstrahls benötigten [[Dipolmagnet]]en genutzt, sondern zusätzlich eingebaute Vorrichtungen, die [[Undulator (Synchrotron)|Undulatoren]].

=== Einige Elektronen-Synchrotronanlagen ===
* [[ALBA (Synchrotron)|ALBA]], Consorcio para la Construcción, Equipamiento y Explotación del Laboratorio de Luz de Sincrotrón, [[Cerdanyola del Vallès]], [[Spanien]]
* [[Advanced Light Source|ALS]] ('''A'''dvanced '''L'''ight '''S'''ource), [[Lawrence Berkeley National Laboratory]], [[Berkeley (Kalifornien)|Berkeley]], [[Vereinigte Staaten]]
* [[Advanced Photon Source]], [[Argonne National Laboratory]], [[DuPage County]], Vereinigte Staaten
* [[ANKA (Synchrotronstrahlungslabor)|ANKA]] ('''An'''gströmquelle [[Karlsruhe|'''Ka'''rlsruhe]]), Karlsruhe, Deutschland
* [[BESSY]] ('''B'''erliner '''E'''lektronen'''S'''peicherring-Gesellschaft für '''SY'''nchrotronstrahlung), abgebaut, [[West-Berlin|Berlin]], Deutschland
* [[BESSY|BESSY II]], [[WISTA|Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Adlershof]], [[Berlin]], Deutschland
* [[CHESS (Synchrotron)|CHESS]] ('''C'''ornell '''H'''igh '''E'''nergy '''S'''ynchrotron '''S'''ource)
* [[Canadian Light Source|CLS]] ('''C'''anadian '''L'''ight '''S'''ource), [[Kanada]]
* [[DELTA]] ('''D'''ortmunder '''El'''ek'''t'''ronen Speicherring '''A'''nlage), [[Dortmund]], Deutschland
* [[Deutsches Elektronen-Synchrotron|DESY]] ('''D'''eutsches '''E'''lektronen-'''Sy'''nchrotron), [[Hamburg]], Deutschland
* [[Diamond Light Source|Diamond]] (Diamond Light Source), [[South Oxfordshire]], [[Vereinigtes Königreich]]
* [[Elektronen-Stretcher-Anlage]] (ELSA), Universität Bonn, Bonn, Deutschland
* [[ELETTRA]], ELETTRA Synchrotron Light Laboratory, [[Triest]], [[Italien]]
* [[European Synchrotron Radiation Facility|ESRF (European Synchrotron Radiation Facility)]], [[Grenoble]], [[Frankreich]]
* [[LNLS]] ('''L'''aboratório '''N'''acional de '''L'''uz '''S'''íncrotron), [[Campinas]], [[Brasilien]]
* [[MAX IV]], [[Lund]], [[Schweden]]
* [[Metrology Light Source|MLS]] ('''M'''etrology '''L'''ight '''S'''ource), Berlin, Deutschland
* [[National Synchrotron Light Source|NSLS]] (National Synchrotron Light Source), Brookhaven National Laboratory, [[Brookhaven (New York)|Brookhaven]], Vereinigte Staaten
* [[Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East|SESAME]] ('''S'''ynchrotron-light for '''E'''xperimental '''S'''cience and '''A'''pplications in the '''M'''iddle '''E'''ast), [[Gouvernement al-Balqa|al-Balqa]], [[Jordanien]]
* [[Synchrotron-Lichtquelle Schweiz|SLS]] ('''S'''wiss '''L'''ight '''S'''ource), [[Paul Scherrer Institut]], [[Kanton Aargau|Aargau]], [[Schweiz]]
* [[Solaris (Synchrotron)|Solaris]], [[Krakau]], [[Polen]]
* [[SPring-8]] (Super Photon ring 8 GeV), [[Präfektur Hyōgo|Hyōgo]], [[Japan]]
* SSLS ('''S'''ingapore '''S'''ynchrotron '''L'''ight '''S'''ource), National University of Singapore, [[Singapur]]
* [[Shanghai Synchrotron Radiation Facility|SSRF]], [[Shanghai]], [[Volksrepublik China|China]]
* [[SOLEIL]], [[Gif-sur-Yvette]], Frankreich
* [[UVSOR II]] ('''U'''ltra'''v'''iolet '''S'''ynchrotron '''O'''rbital '''R'''adiation Facility), [[Okazaki]], Japan

== Synchrotronanlagen für Ionen ==
[[Datei:CERN LHC Tunnel1.jpg|miniatur|Blick in den Tunnel des derzeit (2017) energiestärksten Synchrotrons [[Large Hadron Collider|LHC]] am CERN bei Genf (Schweiz)]]
Die für Ionen erreichbare Energie ist in modernen Synchrotronen hauptsächlich nach der oben genannten Formel durch Radius und Magnetflussdichte gegeben. Da die in großen Magneten erreichbare Flussdichte auf einige [[Tesla (Einheit)|Tesla]] beschränkt ist, müssen Synchrotrone für sehr hohe Energien zwangsläufig große Radien haben. Im [[Large Hadron Collider]] mit etwa 4,2 km Radius sind Protonen auf 6,5 TeV (Tera-Elektronenvolt), also 6500 GeV beschleunigt worden.

=== Einige Ionen-Synchrotronanlagen ===
* [[Large Hadron Collider]] in [[CERN]], Europäisches Kernforschungszentrum bei Genf, Schweiz
* [[Alternating Gradient Synchrotron|AGS]], AGS-Booster und [[Relativistic Heavy Ion Collider|RHIC]] am [[Brookhaven National Laboratory]] (USA)
* [[Antiproton Decelerator]], CERN-[[Proton Synchrotron|PS]], [[Intersecting Storage Rings|ISR]], [[Large Hadron Collider|LHC]] und [[Super Proton Synchrotron|SPS]] beim [[CERN]] (frz. '''C'''onseil '''E'''uropéen pour la '''R'''echerche '''N'''ucléaire, Europäisches Kernforschungszentrum) bei Genf, Schweiz
* [[Forschungszentrum Jülich#Kühlersynchrotron COSY|COSY]] ('''Co'''oler '''Sy'''nchrotron im [[Forschungszentrum Jülich]])
* [[Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum|HIT]] ('''H'''eidelberger '''I'''onenstrahl-'''T'''herapiezentrum), [[Universitätsklinikum Heidelberg]]
* [[J-PARC]] in Japan
* [[MedAustron]] in Wiener Neustadt, Österreich
* [[Nuclotron]] in Dubna (Russland)
* SIS18 und ESR am [[GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung]], [[Darmstadt]]
* [[Tevatron]] am [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] (USA) (2011 stillgelegt)

== Literatur ==
{{Siehe auch|Teilchenbeschleuniger|Teilchenphysik}}
* {{Literatur |Autor=Ralph Burmester |Titel=Die vier Leben einer Maschine: das 500 MeV Elektronen-Synchrotron der Universität Bonn |Verlag=Wallstein Verlag |Ort=Göttingen |Datum=2010 |Reihe=Abhandlungen und Berichte / Deutsches Museum |BandReihe=Neue Folge, Band 26 |ISBN=978-3-8353-0595-3}}

== Weblinks ==

* [https://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_besch/exp_besch_06.html Synchrotron (Grundlagen der Teilchenphysik)]
{{Commonscat|Synchrotrons|Synchrotron}}
{{Wiktionary}}
{{Wiktionary|Elektronensynchrotron}}
== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Beschleunigerphysik]]

Synchrotron - Versionsgeschichte

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