Für alle, die den Unterschied zwischen Synchrotronen und Zyklotronen verstehen wollen – aber nicht wissen, wo sie anfangen sollen

1. Was ist ein Synchrotron?

Die Bezeichnung “Synchrotron” kommt von dem Wort “synchron”, also “gleichzeitig”. Es handelt sich dabei um einen Teilchenbeschleuniger, den man zu den Ringbeschleunigern zählt. Ganz wie es der Name bereits andeutet, handelt es sich bei einem Ringbeschleuniger um eine Art des Teilchenbeschleunigers, der so konstruiert ist, dass die geladenen Teilchen eine annähernd kreisförmige Bahn repetitiv umlaufen. Bei diesen geladenen Teilchen kann es sich klassischerweise um Elektronen, Protonen oder auch Schwerionen wie beispielsweise Goldionen handeln, die mithilfe des Synchrotron auf eine extrem hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Der ringförmige Teilchenbeschleuniger ist im Inneren vakuumisiert.

Wie ist das Synchrotron also aufgebaut? Grundlegend wird die Beschleunigung der Teilchen innerhalb des Snychrotrons durch elektrische Wechselfelder erzeugt. Durch statische magnetische Felder werden die Teilchen konstant in der gleichen “runden” Umlaufbahn gehalten. Zusätzlich sind in dem Synchrotron noch sogenannte Ablenkmagneten angebracht, die die beschleunigten Teilchen zu Richtungsänderungen zwingen, um so die gewünschte kreisförmige Bahn beizubehalten. die die erzeugten Lichtwellen der beschleunigten Teilchen – die Synchrotronstrahlung – auffangen und zu Arbeitsstationen umleiten. Technisch gesehen besteht der Snychrotron aus vielen verschiedenen solcher Ablenkmagneten und dazwischen errichteten geraden Beschleunigungsstrecken. Der Teilchenbeschleuniger ist in geschlossener Ringform aufgebaut. Daher können die Felder der Ablenkmagneten nicht eine konstante Größe beibehalten, sondern müssen während der immer stärker werdenden Beschleunigung der Teilchen ebenfalls ein stärkeres Magnetfeld aufbauen, um so die relativen Proportionen wahren zu können. Daher kommt der Name “Synchrotron”, da die Erhöhung der Ladung synchron mit der Beschleunigung der Teilchen erfolgt. Vor dem eigentlichen Ringbeschleuniger findet sich noch ein sogenannter Injektor, eine Art Vorbeschleuniger, der die Teilchen bereits im Voraus auf ein Level beschleunigt, welches beispielsweise bei Elektronen weit über ihrem Ruheenergielevel liegt. Ob dann zusätzlich zu den Ablenkmagneten auch die elektrischen Wechselfelder verstärkt werden müssen, hängt daher auch stark mit dem Vorbeschleuniger und der Art des Teilchens zusammen. Die Elektronen werden bereits von dem Vorbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Da die Elektronen bereits von dem Vorbeschleuniger auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht werden können, bewirkt das Synchrotron lediglich gemäß der Gesetze der relativistischen Mechanik eine Erhöhung ihres energetischen Wertes und ihres Impulses. Protonen und Schwerionen jedoch werden vom Synchrotron noch einmal erheblich beschleunigt. Daher müssen in einem solchen Fall nicht nur die Magneten proportional zu der Teilchengeschwindigkeit, sondern auch die elektrischen Wechselfelder dementsprechend angepasst werden. Deswegen gibt es auch verschiedene Arten von Synchrotronen: Einige sind speziell für Elektronen oder Positronen, andere für Protonen und Schwerionen konstruiert. Am Ende der ringförmigen Umlaufbahn befindet sich ein weiterer starker Magnet, ein sogenannter Ejektor, der die gewonnen Resultate dann Auswertungsstationen zuführt.

Wozu benötigt man nun ein solches Synchrotron? Das Prinzip des Teilchenbeschleunigers basiert zum einen auf dem Fakt, dass die Elektronen bei der Beschleunigung Lichtenergie in Form von elektromagnetischen Schwingungen abgeben, die sogenannte Synchrotronstrahlung. Je nach Beschleunigung verändert sich die Frequenz der Lichtwellen, die von den Teilchen abgegeben werden. Das Synchrotron wird für viele verschiedene Anwendungsgebiete benötigt, unter anderem für die Pharmazeutik, dem Bereich der Physik der kondensierten Materie, die Ingenieurstechnik, die Umwelttechnik oder auch die Forschung zum Kulturerbe der Menschheit. Da das noch sehr abstrakt klingt, sollen einige Beispiele die Wirkweise des Synchrotrons in den verschiedenen Anwendungsbereichen illustrieren. Beispielsweise hilft Synchrotronstrahlung im Spektralbereich der Infrarotstrahlung dabei, neue Therapien für die Krebsbehandlung zu finden. Mit Synchrotronstrahlung wurde auch 1959 durch Max Perutz erstmalig die Struktur des Hämoglobins detailliert dargelegt. In Form von Röntgenstrahlung hilft die Synchrotronstrahlung auch dabei, Material auf Korrosion und auf feinste Risse zu überprüfen, was in der Ingenieurstechnik beispielsweise beim Bau von Containern für radioaktive Abfälle eine große Rolle spielt. Aber auch die Forschung im Bereich Kulturerbe profitiert von der Synchrotronstrahlung: So können zum Beispiel in Bernstein seit hunderten Millionen Jahren eingeschlossene Insekten durch die Synchrotronstrahlung gefahr- und schadlos untersucht werden. Zweitens werden Synchrotronen, wie beispielsweise das berühmte Synchrotron in CERN dafür verwendet, um Teilchenkollisionen zu erzeugen. Um diese Teilchenkollisionen zu erzeugen, werden zwei verschiedene Ringbahnen benötigt. Bei sehr hoher Geschwindigkeit werden dann die gegensätzlich beschleunigten Teilchen zusammengebracht. Bei den dabei neu entstehenden Teilchen erhoffen sich die Forscher Erkenntnisse über die Entstehung und Aufbau unseres Universums.

2. Was ist ein Zyklotron?

Bei dem Zyklotron handelt es sich um einen Teilchenbeschleuniger, allerdings um einen Kreisbeschleuniger. Klassischerweise besteht ein Zyklotron aus einer runden und flachen Vakuumkammer sowie zwei konstanten Magneten und zwei Metallelektroden, Duanten genannt, die aufgrund ihrer charakteristischen D-Form im Englischen auch als “Dees” bekannt sind. Im Inneren der Duanten befindet sich zusätzlich noch eine Teilchenquelle. Diese Teilchenquelle handelt es sich dabei um entweder eine Elektronenquelle oder einen Alphastrahler. Diese Elektronenquelle findet beispielsweise schon beim altbekannten Röhrenfernseher, nämlich in Form einer Kathodenstrahlröhre.

Wie funktioniert nun ein solches Zyklotron in der Praxis? Die Duanten werden von einer hochfrequenten Wechselspannung bespeist, das die Duanten jeweils negativ oder positiv lädt. Die homogenen Magnete umschließen dabei die Duanten und bildet in ihrem Inneren so ein konstantes Magnetfeld. In den Spalt zwischen diesen beiden Duanten bildet sich ein zum Magnetfeld rechtwinklig stehendes elektrisches Wechselfeld. Die Teilchenquelle gibt positiv geladene Protonen ab, die in den Spalt zwischen den Duanten eintreten. Die Protonen treten nun in einen der Duanten ein. Die Magneten oberhalb und unterhalb der beiden Duanten wirken dabei durch ihr konstantes Magnetfeld auf die Protonen mit der Lorentzkraft ein und zwingen dabei die Protonen auf eine Kreisbahn. Wenn das Proton den ersten Duanten auf halber Strecke durchquert hat, werden die Duanten wieder umgepolt und ihre Ladung ändert sich. Aufgrund dieser veränderten Ladung trifft das Proton in dem Spalt zwischen den Duanten nun auf ein Wechselfeld, was es in den anderen Duanten zwingt, in dem es wiederum eine Kreisbahn beschreibt. Bei diesem Vorgang wird jedoch die Geschwindigkeit des Protons erhöht und die Kreisbahn vergrößert sich. Aufgrund dessen beschreibt das Proton eine Art Spirale in dem Zyklotron. Die Beschleunigungsfrequenz, die auch Zyklotronsfrequenz genannt wird, bleibt dabei gleich. Sie wird erst erhöht, wenn die beschleunigten Teilchen eine Geschwindigkeit von 10% der Lichtgeschwindigkeit erreicht haben. Am Ende dieser Spirale wird das nun erheblich beschleunigte Proton durch eine Ablenkelektrode zu einer Auswertungsstation geleitet.

Sein Hauptanwendungsgebiet hat das Zyklotron dabei in der Medizin mit der sogenannten Positronenemissions-Tomographie (PET): Die hochbeschleunigten Protonen werden beispielsweise auf Stickstoff “geschossen”. Dabei entstehen strahlende Isotope, die dann wiederum beim Patienten in der Onkologie, Kardiologie oder auch der Neurologie Anwendung finden. Man kann damit beispielsweise gutartige von bösartigen Tumoren unterscheiden oder auch die Wirksamkeit einer Chemotherapie voraussagen. Wiederum wird das Zyklotron auch in der physikalischen Forschung zur Auslösung von Kernreaktionen verwendet.

3. Die Unterschiede zwischen Zyklotron und Synchrotron – kurz und gut erklärt

Zyklotrone sind allgemein als Vorläufer des Synchrotrons anzusehen. Sie wurden in den 1920er Jahren zuerst entwickelt. Ein deutlicher Nachteil war, dass sie, um größere Geschwindigkeiten erzeugen zu können, einen physikalisch deutlich größeren Durchmesser benötigten, was dann wiederum auch mit steigenden Materialkosten verbunden ist. Das größte Zyklotron wurde 1954 in Russland gebaut und brachte stolze 7200 Tonnen auf die Waage. Durch diese Beschränkung sind Zyklotrone nur bis zu einer bestimmten Masse und Beschleunigungen von 10 bis 500 MeV einsetzbar. Für Elektrone sind sie daher nicht rentabel, da diese Energielevel erfordern würden, die im Vergleich zur Ruheenergie der Teilchen relativ groß wären. Das hängt damit zusammen, dass Elektronen schon bei kleinen Geschwindigkeiten eine hohe relativistische Masse aufweisen. Die dabei benötigte Energie würde wiederum ein sehr großes Zyklotron verlangen. Daher stellt sich nun die Frage, was bei einem Synchrotron anders oder besser gemacht wurde. Ein erstes Synchrotron wurde 1945 entwickelt. Der Hauptunterschied zum Zyklotron besteht darin, dass die elektrischen Felder und die Ablenkmagneten proportional zur Beschleunigung des Teilchens angepasst werden und nicht wie beim Zyklotron statisch sind. Die Teilchen bewegen sich kreisförmig und nicht spiralförmig, wie bei dem Zyklotron. Insgesamt sind die Geschwindigkeiten, die im Synchrotron erreicht werden können, wesentlich höher als die im Zyklotron. Es ist auch möglich, die Teilchen im Synchrotron in einem Sondermodell des Synchrotrons, dem Speicherring, sehr lange in Kreisbahnen zu beschleunigen, um so ihr erhöhtes Energielevel zu nutzen. Durch die Spiralbahnen der Teilchen im Zyklotron wäre dies nicht möglich.

Heutzutage werden Zyklotrone nur noch für kleinere Spezialprojekte eingesetzt, da die Teilchenphysik sich in der Forschung auf hohe Energielevel konzentriert, die mit einem Zyklotron so nicht erreichbar wären. Zusammenfassend sind also die Hauptunterschiede zwischen Synchrotron und Zyklotron zum einen die Bauweise, da das Zyklotron als Kreiskammer gebaut wurde und das Synchrotron klassischerweise einen Ring bildet. Auch die Teilchen bewegen sich anders: Im Zyklotron bewegen sie sich spiralförmig und im Synchrotron beschreiben sie eine Art Kreisbewegung. Außerdem verwendet das Zyklotron statische Größen, also statische Magnetfelder. Das Synchrotron hingegen passt die Spannung der elektrischen Wechselfelder und der Ablenkmagneten immer der Beschleunigung der Teilchen an. Ein bedeutender Unterschied ist auch, dass sich das Zyklotron nur für Protonen und Schwerionen eignet, nicht aber für Elektronen.