Die Protonenbeschleunigeranlage des PSI

Die am PSI für Experimente benötigten Neutronen und Myonen werden erzeugt, indem man einen Strahl sehr schneller Protonen auf ein sogenanntes Target prallen lässt – aus Blei an der Neutronenquelle SINQ und aus Kohlenstoff an der Myonenquelle SμS. Die Protonen werden dafür in der Beschleunigeranlage des PSI auf eine Geschwindigkeit von rund 80% der Lichtgeschwindigkeit gebracht. Die Protonenbeschleunigeranlage ging 1974 in Betrieb und erzeugt heute nach zahlreichen Verbesserungen den intensivsten Protonenstrahl weltweit.

Protonen werden in drei Stufen beschleunigt

Die Anlage besteht aus drei Beschleunigern. Diese beschleunigen die Protonen, die in einer Quelle aus Wasserstoffatomen gewonnen werden, immer weiter auf ihre Endgeschwindigkeit. Das Herzstück dieser Anlage ist das grosse Ringzyklotron mit rund 48 Metern Umfang. Darin werden die Protonen auf ihre Endgeschwindigkeit von rund 80 % der Lichtgeschwindigkeit (entspricht einer Bewegungsenergie von 590 MeV) beschleunigt. Die Protonen, die in das grosse Ringzyklotron eingespeist werden, haben bereits eine Geschwindigkeit von rund 37 % der Lichtgeschwindigkeit (72 MeV), die sie in einem Vorbeschleuniger erreichen. Dieser ist selbst ein kleineres Ringzyklotron. Als erste Stufe, aus der die Protonen in das kleine Ringzyklotron eingespeist werden, verwendet man einen Cockroft-Walton-Beschleuniger, der auch die Protonenquelle enthält.

Das Herzstück der Anlage: das Ringzyklotron

In einem Ringzyklotron sorgen starke Magnete dafür, dass die beschleunigten Teilchen im Kreis rundherum geleitet werden und dabei zu Strahlpaketen gebündelt bleiben. Die Beschleunigung der Strahlpakete erfolgt portionenweise: Bei jedem Durchgang durch eine Kavität geben die darin aufgebauten, starken elektrischen Felder den Teilchen einen weiteren Schubs. Mehrere solcher Kavitäten stehen zwischen den Magneten auf dem Weg des Teilchenstrahls. Im grossen Ringzyklotron des PSI sind es acht Magnete und vier Kavitäten. Der Protonenstrahl aus dem kleineren Ringzyklotron wird in die Mitte des grossen Ringzyklotrons eingeschossen und dort auf einer Spiralbahn mit 186 Runden auf die Endgeschwindigkeit beschleunigt.

Die Beschleunigeranlage des PSI erzeugt seit 2008 einen Protonenstrahl mit einem Strom von 2200 Mikroampere. Mit diesem Wert überbot die Anlage zum wiederholten Mal den eigenen Weltrekord, den sie seit 1994 hält und seither immer wieder selbst übertrifft. Im Projektstadium wurde eine Strahlintensität von 100 Mikroampere geplant, die im Jahr 1970 noch von vielen als utopisch angesehen wurde.