Mainzer Mikrotron

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Das Mainzer Mikrotron MAMI ist ein Teilchenbeschleuniger für Elektronenstrahlen, der vom Institut für Kernphysik der Universität Mainz betrieben wird und für Experimente der Kern- und Hochenergiephysik benutzt wird. Es ist als mehrstufiges Rennbahnmikrotron mit normalleitenden Linearbeschleunigern aufgebaut. Der Beschleuniger steht seit 1979 für Experimente zur Verfügung und wurde seither kontinuierlich erweitert. In der neuesten Ausbaustufe MAMI-C kann der Beschleuniger polarisierte Elektronenstrahlen (Polarisationsgrad typisch 80%) von mehr als 20 µA Strahlstrom und unpolarisierte Elektronenstrahlen von bis zu 100 µA auf relativistische Energien bis 1.5 GeV beschleunigen.

Das MAMI ist ein sogenannter Dauerstrichbeschleuniger. Der Elektronenstrahl ist also nicht wie bei manchen anderen Beschleunigeranlagen makroskopisch gebuncht (d.h. in Pakete aufgeteilt); vielmehr ist die Zeitstruktur des Strahls so klein, dass die Detektoren diese nicht mehr registrieren können und der Strahl somit wie ein kontinuierlicher Gleichstrom wirkt. Dies hat den großen Vorteil, dass die Menge anfallender Experimentierdaten gleichmäßig verteilt und nicht in kurzen Pulsen konzentriert ist. Der Beschleuniger erzeugt einen scharf definierten Strahl: der Strahldurchmesser ist wenige 0.1 mm groß und die Energieunschärfe kleiner als 13 keV. Die Energie der Elektronen streut also nur um etwa ein Hunderttausendstel um den Sollwert (MAMI-C : ca. 110 keV bzw. sieben Hunderttausendstel). Auch die Position des Strahls wird über komplexe Regelungsmechanismen auf weniger als 200 µm konstant gehalten.

Dieses Gerät eignet sich daher sehr gut, um Präzisionsuntersuchungen zur Struktur der Materie im subatomaren Bereich durchzuführen. Die Forschung am Institut konzentriert sich besonders auf die Untersuchung subatomarer Gebilde, die aus vielen Teilchen mit starker Wechselwirkung zusammengesetzt sind. Vier experimentelle Arbeitsgruppen mit Kooperationspartnern aus mehr als 10 Ländern haben sich bis jetzt (2007) am Institut angesiedelt, um den Beschleuniger zu nutzen. Eine Gruppe von theoretischen Physikern nutzt die so gewonnenen Erkenntnisse, um das Verständnis über die Wechselwirkung der Elementarteilchen, insbesondere der Quarks und Gluonen, zu verbessern.

In diesem Jahr (2007) soll die Ausstattung des Instituts um einen Supercomputer erweitert werden, mit dem komplexe theoretische Simulationen im Kontext der Teilchen- und Hochenergiephysik durchgeführt werden können.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Funktionsprinzip 3 Technische Daten 4 Forschungsschwerpunkte 4.1 A1-Kollaboration 4.2 A2-Kollaboration 4.3 A4-Kollaboration 4.4 X1-Kollaboration 4.5 Theoriegruppe 4.6 B1-Kollaboration 4.7 B2-Kollaboration 5 Betrieb 6 Quellenangaben 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte

1975	Erster Vorschlag für ein Rennbahnmikrotron (RTM)
1979	Erster Elektronenstrahl des Prototyp-RTM MAMI A1 mit 14 MeV Endenergie
1983	Fertigstellung der ersten Erweiterung MAMI A2 mit 183 MeV Endenergie
1990	Fertigstellung der zweiten Erweiterung MAMI B mit 855 MeV Endenergie
1992	Fertigstellung einer Quelle für polarisierte Elektronen
1993	Installation einer Anlage für kohärente Röntgenstrahlung im X1-Experiment
2002	Installation eines FEL für Infrarotstrahlung im X1-Experiment
2006	Fertigstellung der dritten Erweiterung MAMI C mit 1.5 GeV Endenergie

[Bearbeiten] Funktionsprinzip

In Teilchenbeschleunigern werden elektrisch geladene Teilchen mittels elektrischer und magnetischer Felder beschleunigt. Das einfachste Prinzip ist die Verwendung einer hohen Gleichspannung, in deren elektrischem Feld die Teilchen beschleunigt werden. Oberhalb von einigen 100 kV nimmt jedoch die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Lichtbögen stark zu, so dass die erreichbare Energie begrenzt ist. Für höhere Energien wird daher das Prinzip des Linearbeschleunigers verwendet, bei dem die Elektronen durch Mikrowellenstrahlung beschleunigt werden. Hiermit lassen sich Energien erreichen, für die ein Elektron mehrere MV an Spannung durchlaufen müsste.

Auch ein solcher Beschleuniger erlaubt aber typischerweise nur wenige MeV an Energiegewinn pro Meter Länge. Um also nicht eine kilometerlange Strecke von Linearbeschleunigern zu bauen, durchlaufen die Elektronen an MAMI denselben Linearbeschleuniger mehrfach, wobei sie nach jedem Durchlauf über Magnete umgelenkt und wieder zum Anfang des Linearbeschleunigers zurückgeführt werden. Die Bahnen sehen hierbei wie die Rennbahnen einer antiken Arena aus, weshalb dieses Konzept als Rennbahn-Mikrotron (Racetrack-Microtron bzw. RTM) bezeichnet wird. Die Umlenkmagnete müssen groß genug sein, damit auch die Elektronen der höchsten Energie noch vollständig innerhalb der Magnete abgelenkt werden. Für die Beschleunigerstufe MAMI B sind diese Magnete ca. 5 m breit und 450 t schwer. Damit ist die mechanische Grenze des RTM-Konzepts erreicht ^[1], wodurch MAMI das größte Mikrotron der Welt ist. Die neueste Beschleunigerstufe verwendet daher nicht mehr zwei um 180° ablenkende Magnete, sondern vier jeweils um 90° ablenkende Magnete.

• Anm.: Es gibt einige, spezielle Teilchenbeschleuniger (z.B. SLAC und der geplante TESLA/ILC), die tatsächlich als Kette von Linearbeschleunigerstrukturen aufgebaut sind.

[Bearbeiten] Technische Daten

Stufe	MAMI B[2]	MAMI C[3]
Endenergie	854.6 MeV	1500 MeV
Umläufe	90	43
Magnetfeld (Umlenkmagnete)	1.28 T	0.95 - 1.53 T
Masse (Umlenkmagnete)	450 t	250 t
Mikrowellenfrequenz	2.45 GHz	2.45 / 4.90 GHz
Mikrowellenleistung	102 kW	117 / 128 kW
Länge (Linearbeschleuniger)	8.9 m	8.6 / 10.1 m

[Bearbeiten] Forschungsschwerpunkte

Das Institut für Kernphysik beherbergt vier experimentelle Arbeitsgruppen, die den Strahl des Beschleunigers auf unterschiedliche Arten für die physikalische Grundlagenforschung und angewandte Forschungsthemen nutzen.

[Bearbeiten] A1-Kollaboration

Für das Experiment der A1-Kollaboration wird der Elektronenstrahl auf feste, flüssige und gasförmige Ziele geschossen. Untersucht werden dabei besonders solche Reaktionen, in denen zusätzliche Teilchen erzeugt werden. Diese neu erzeugten Teilchen, die am Ziel gestreuten Elektronen und ggf. die aus dem Ziel herausgeschlagenen Kernfragmente werden dann mittels magnetischer Spektrometer nachgewiesen und identifiziert. Die A1-Kollaboration besitzt drei solcher Spektrometer, die jeweils unter verschiedenen Winkeln auf das Ziel ausgerichtet werden können und somit gezielt nur solche Teilchen nachweisen, die unter einem bestimmten Winkel gestreut oder erzeugt wurden. Die Spektrometer können in Koinzidenz betrieben werden, wodurch man die Beobachtung auf bestimmte Arten von Reaktionen einschränken kann. Ein viertes Spektrometer, das KAOS-Spektrometer, wird bei Messungen extrem kurzlebiger Teilchen, der Kaonen, zusätzlich in den Messaufbau eingesetzt. Diese Messungen dienen dazu, bestimmte Formfaktoren von Proton und Neutron zu ermitteln. Mit Hilfe dieser Messungen soll bestimmt werden, mit welcher Struktur Proton und Neutron aus ihren Bestandteilen, den Quarks und Gluonen zusammengesetzt sind. Außerdem werden Untersuchungen über Struktur und Zusammenhalt von leichten Atomkernen durchgeführt. Zur Homepage der A1-Kollaboration

[Bearbeiten] A2-Kollaboration

Im Experiment der A2-Kollaboration wird der Elektronenstrahl nicht direkt genutzt, sondern durch Bestrahlung eines Bremsstrahlungstargets hochenergetische Gammastrahlung mit Energien von 100 bis 800 MeV erzeugt. Durch Verwendung eines Taggers ist es möglich, für jedes der hierbei erzeugten Gamma-Quanten einzeln die genaue Energie zu bestimmen, so dass die Messergebnisse noch aussagekräftiger werden. Als Detektor verwendet das A2-Experiment seit 2003 den inzwischen weitgereisten Crystal Ball-Detektor, bestehend aus 672 Natriumiodid-Kristallen. Zur Homepage der A2-Kollaboration

[Bearbeiten] A4-Kollaboration

Im A4-Experiment wird der polarisierte Elektronenstrahl mit Energien zwischen 315 MeV und 855 MeV auf Ziele aus flüssigem Wasserstoff oder Deuterium geschossen. Die gestreuten Elektronen werden in einem Kalorimeter, bestehend aus 1022 Bleifluorid-Kristallen nachgewiesen. Hierbei werden speziell diejenigen Elektronen untersucht, die elastisch (d.h. ohne Zerstörung oder Anregung des Zielkerns) gestreut wurden. Bei Umkehrung der Polarisationsrichtung ändert sich die Anzahl gestreuter Elektronen um einen geringen Bruchteil von ca. einem Hunderttausendstel, und aus diesen Änderungen können Rückschlüsse auf den Aufbau des Zielkerns gezogen werden. Die A4-Kollaboration untersucht hiermit, wie stark Quantenfluktuationen zum inneren Aufbau und zu den Eigenschaften von Proton und Neutron beitragen, und welche Mechanismen bei der Wechselwirkung von Elektronen mit diesen Teilchen wirken. Zur Homepage der A4-Kollaboration

[Bearbeiten] X1-Kollaboration

Die X1-Kollaboration verwendet ebenfalls nicht den Elektronenstrahl selbst, sondern verwendet diesen zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Energien. Dies geschieht in Berylliumfolien durch Übergangsstrahlung, in Einkristallen durch parametrische Röntgenstrahlung oder ganz ohne Medium in magnetischen Undulatorstrukturen. Diese Strahlung kann z.B. zur Röntgen-Strukturanalyse von Materialien eingesetzt werden. Außerdem arbeitet die X1-Kollaboration an der Entwicklung von einem Freie-Elektronen-Laser, der über den Smith-Purcell-Effekt Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 0.05 und 0.20 mm erzeugen soll. Zur Homepage der X1-Kollaboration

Alle experimentellen Arbeitsgruppen sind auch in der Entwicklung von Detektorsystemen und experimentellen Apparaturen tätig. Viele der Entwicklungen werden von den im Institut ansässigen Werkstätten hergestellt.

[Bearbeiten] Theoriegruppe

Neben den experimentellen Arbeitsgruppen gibt es eine theoretische Arbeitsgruppe, die unter Nutzung der experimentellen Ergebnisse das Verständnis über Struktur und Wechselwirkung der Elementarteilchen zu verbessern versucht. Ein Schwerpunkt ist hierbei die chirale Störungstheorie, eine effektive Feldtheorie, die möglichst gute Näherungslösungen für die analytisch nicht lösbaren Gleichungen der QCD sucht. Zum anderen wird im Rahmen der Gittereichtheorie daran gearbeitet, die Eigenschaften von Systemen mit starker Wechselwirkung durch numerische Verfahren (Monte-Carlo-Simulation) zu bestimmen. Zur Homepage der Theoriegruppe

Zwei Arbeitsgruppen beschäftigen sich mit Betrieb und Weiterentwicklung des Beschleunigers an sich:

[Bearbeiten] B1-Kollaboration

Die B1-Kollaboration ist für den Betrieb, die Wartung und Weiterentwicklung des Beschleunigers zuständig. Diese Kollaboration hat auch die jüngste Beschleunigerstufe geplant und aufgebaut. Zur Homepage der B1-Kollaboration

[Bearbeiten] B2-Kollaboration

Die B2-Kollaboration ist für die polarisierte Elektronenquelle des Beschleunigers zuständig. Die beteiligten Physiker untersuchen die Eigenschaften der hierfür benötigten Halbleiterkristalle und Lasersysteme, um die Strahlqualität weiter zu verbessern. Zur Homepage der B2-Kollaboration

[Bearbeiten] Betrieb

Der Beschleuniger wird von fest angestellten Wissenschaftlern und Ingenieuren betrieben. Die Experimente werden durch wissenschaftliche Arbeitsgruppen (auch als Kollaborationen bezeichnet) geplant, aufgebaut und betrieben. Die Arbeitsgruppen setzen sich aus fest am Institut angestellten Wissenschaftlern und Wissenschaftlern anderer Institute, sowie aus Studenten, die ihre Diplom- oder Doktorarbeit anfertigen, zusammen. Ein großer Teil der Planungs- und Aufbauarbeit wird hierbei von den Studenten geleistet.

Die reine Nutzdauer für Experimente betrug in den letzten Jahren im Mittel 5000 Stunden pro Jahr, das sind 57% des Jahres und 81% der jährlichen Betriebsdauer. Der Rest der Betriebszeit entfiel auf Vorbereitung und Weiterentwicklung. Wegen technischer Schwierigkeiten außer Betrieb war der Beschleuniger während 160 Stunden pro Jahr, dies sind 3% der jährlichen Betriebsdauer^[4]

[Bearbeiten] Quellenangaben

1. ↑ H. Herminghaus: From MAMI to the Polytrons. in: Proceedings of the European Particle Accelerator Conference (EPAC). Berlin 1.1992, 247-251.
2. ↑ Universität Mainz. Institut für Kernphysik: Jahresbericht 1990/91.
3. ↑ A. Jankowiak u.a.: Status report on the HDSM of MAMI C. in: Proceedings of the European Particle Accelerator Conference (EPAC). Edinburgh 2006, 834-836.
4. ↑ Anfrage bei Beschleunigergruppe des Instituts

[Bearbeiten] Siehe auch

• Crystal Ball-Detektor
• Smith-Purcell-Effekt
• Chirale Störungstheorie

[Bearbeiten] Literatur

• Institut für Kernphysik Johannes Gutenberg Universität, Mainz. (PDF)
• Jahresbericht des Instituts Mainz 2004-2005. (online)
• Klaus Wille: Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1996. ISBN 3-519-13087-4
• Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche: Teilchen und Kerne. 7. Auflage. Springer, Berlin 2006. ISBN 3540366857
• Konrad Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung. 4. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2005. ISBN 3-8351-0058-0

[Bearbeiten] Weblinks

• Homepage des Instituts für Kernphysik
• Homepage der B1-Kollaboration (Geschichte des Beschleunigers)

Koordinaten: 49° 59′ 30″ n. Br., 8° 14′ 11″ ö. L.