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.

Das grosse Zyklotron des PSI beschleunigt Protonen auf rund 80 % der Lichtgeschwindigkeit.
Das grosse Zyklotron des PSI beschleunigt Protonen auf rund 80 % der Lichtgeschwindigkeit. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Drei grossgewachsene Männer neben einem noch grösseren Magneten des grossen Ringbeschleunigers. In der Mitte steht Joachim Grillenberger, rechts von ihm sein Vorgänger Stefan Adam. Links im Bild eine der vier Kavitäten, die die Protonen auf ihrer Spiralbahn beschleunigen.
Drei grossgewachsene Männer neben einem noch grösseren Magneten des grossen Ringbeschleunigers. In der Mitte steht Joachim Grillenberger, rechts von ihm sein Vorgänger Stefan Adam. Links im Bild eine der vier Kavitäten, die die Protonen auf ihrer Spiralbahn beschleunigen. © Scanderbeg Sauer Photography
Der Cockcroft-Walton-Beschleuniger des PSI – die erste Stufe der Protonen­beschleunigeranlage. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Der Cockcroft-Walton-Beschleuniger des PSI – die erste Stufe der Protonen­beschleunigeranlage. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
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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 mit rund 48 Metern Umfang ein grosser Ringbeschleuniger, der in der Wissenschaft auch als Zyklotron bezeichnet wird. 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 Zyklotron eingespeist werden, haben bereits eine Geschwindigkeit von rund 37 % der Lichtgeschwindigkeit (72 MeV), die sie in einem Vorbeschleuniger erreichen. Dieser ist selbst ein kleineres Zyklotron. Als erste Stufe, aus der die Protonen in das kleine Zyklotron eingespeist werden, verwendet man einen Cockcroft-Walton-Beschleuniger, der auch die Protonenquelle enthält.

Das Herzstück der Anlage: das grosse Zyklotron

In einem Zyklotron 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 Protonenbeschleuniger des PSI sind es acht Magnete und vier Kavitäten. Der Protonenstrahl aus dem kleineren Zyklotron wird in die Mitte des grossen Zyklotrons 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.

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