Was ist ein Synchrotron?
Ein Synchrotron ist ein Beschleuniger, der das elektrische Hochfrequenzfeld, das die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen (negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen und positive Ionen) beschleunigt, und das Magnetfeld, das ihre Bahn ablenkt, so steuert, dass der Wirbel auf einem konstanten Umfang gehalten werden kann.
Während Zyklotrone einen zunehmenden Kreiselradius haben, können Synchrotrone die kinetische Energie der geladenen Teilchen, die schließlich extrahiert werden, kontrollieren, indem sie sicherstellen, dass sie konstant bleibt. Damit entfallen auch die Probleme im Zusammenhang mit den Relativitätseffekten.
Anwendungen von Synchrotronen
Synchrotrone werden häufig in physikalischen Experimenten eingesetzt, da sie Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie erzeugen. Konkrete Beispiele sind Hochenergie-Kollisionsexperimente und Experimente mit Synchrotronstrahlung.
Die hochbrillante Röntgenstrahlung, die mit Synchrotronstrahlung gewonnen wird, kann auch für die Röntgenfluoreszenzanalyse und die Kristallstrukturanalyse durch Röntgenbeugung verwendet werden und liefert Informationen, die mit gewöhnlicher Röntgenstrahlung nicht gewonnen werden können. Sie tragen daher zu chemischen und biologischen Forschungsarbeiten bei, die bisher nicht möglich waren, wie die Beobachtung kleinster Defekte in Materialien, die Identifizierung von Isotopen in Proben und die Untersuchung der detaillierten dreidimensionalen Struktur von Proteinen.
Darüber hinaus werden sie manchmal in der Teilchenstrahltherapie (Schwerteilchen- und Protonenstrahlen) eingesetzt. Teilchenstrahlen sind eine Form der Strahlentherapie, die derzeit in der Krebsbehandlung eingesetzt wird. Die Teilchen-Strahlentherapie findet aufgrund ihrer therapeutischen Vorteile gegenüber der herkömmlichen Strahlentherapie mit Röntgenstrahlen (die im Behandlungsbereich als elektromagnetische Wellen betrachtet werden) immer mehr Beachtung.
Funktionsweise von Synchrotronen
Elektromagnete sind ringförmig angeordnet, um eine Bahn für die geladenen Teilchen zu bilden, und in der Mitte der Bahn wird ein Punkt (elektrisches Feld) erzeugt, an den eine Hochfrequenzspannung angelegt wird. Die Aufgabe der Elektromagnete besteht darin, die geladenen Teilchen auf eine kreisförmige Bahn zu bringen. Die magnetische Kraft wird genutzt, um die Bahn der geladenen Teilchen durch die Lorentz-Kraft zu krümmen. Die Stärke des Magnetfelds wird an die Geschwindigkeit der Teilchen angepasst, um eine konstante Flugbahn zu gewährleisten.
Beim Anlegen einer Hochfrequenzspannung wird eine Hochfrequenzspannung mit genau der richtigen Frequenz an den Raum angelegt, damit die geladenen Teilchen durch die elektrostatische Kraft angezogen und beschleunigt werden können. Das heißt, wenn sich vor dem geladenen Teilchen eine entgegengesetzte Ladung befindet, wenn es ankommt, wird das Teilchen nach vorne gezogen.
Beim Vorbeifahren wird die Spannung umgekehrt, so dass das geladene Teilchen durch die Abstoßung der Ladungen beim Vorbeifahren beschleunigt wird. Durch diesen periodischen Vorgang können die Teilchen beschleunigt werden, und durch Anpassung der Spannungsumschaltzeit kann die Geschwindigkeit auf eine Zielgeschwindigkeit eingestellt werden. Geladene Teilchen werden extrahiert, indem sie auf eine kreisförmige Umlaufbahn mit festem Radius beschleunigt und schließlich tangential zum Umfang ausgestoßen werden.
Weitere Informationen zu Synchrotronen
Merkmale der Schwerteilchen-Strahlentherapie
Ein wichtiger Anwendungsbereich der Synchrotrone ist die Schwerteilchen-Strahlentherapie, von der bekannt ist, dass sie Vorteile bietet, die es bisher in der Krebsbehandlung nicht gab. Bei der Schwerteilchen-Strahlentherapie werden schwere Teilchen bestrahlt, die eine größere Masse haben als Elektronen und Protonen. Bei der derzeit praktizierten Schwerteilchentherapie werden ausschließlich Kohlenstoff-Ionen verwendet.
Teilchenstrahlen zeichnen sich durch ihren starken Teilchencharakter aus, der dazu führt, dass die Teilchen im Körper stehen bleiben (im Gegensatz zu Röntgenstrahlen, die starke Welleneigenschaften haben). Da die Teilchen beim Anhalten kinetische Restenergie an die Umgebung abgeben, können sie bei richtiger Steuerung der Energie des Teilchenstrahls Krebsgeschwüre in der Tiefe gezielt und konzentriert treffen, so dass sie gegen Krebsgeschwüre tief im Körper wirksam sind.
Röntgenstrahlen wurden in der Strahlentherapie gegen Krebs eingesetzt, aber sie durchdringen den Organismus aufgrund ihres starken Wellencharakters. Daher wurden bei der Verwendung von Röntgenstrahlen zur Krebsbehandlung Methoden entwickelt, um den Krebs intensiv zu bekämpfen, indem man ihn aus mehreren Richtungen bestrahlt und sich so die Eigenschaften der Strahlung zunutze macht.
Darüber hinaus haben Teilchenstrahlen eine stärkere Wirkung auf lebende Organismen als Röntgenstrahlen und können daher Krebszellen selbst besser abtöten. Je schwerer die Teilchen in einem Teilchenstrahl sind, desto größer ist die tödliche Wirkung, wobei schwere Teilchenstrahlen stärker sind als Protonenstrahlen. Die Schwerteilchen-Strahlentherapie hat sich als wirksam bei der Behandlung von Krebserkrankungen wie Sarkomen erwiesen, die mit der herkömmlichen Strahlentherapie nur schwer zu behandeln waren, und auch andere Vorteile wurden bestätigt.