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Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger im Alltag

Teilchenbeschleuniger scheinen auf den ersten Blick weit entfernt von unserem Alltag. Aber: Weltweit gibt es mehr als 17.000 Beschleunigeranlagen, darunter wenige Hundert, die der Forschung dienen. 7.000 hingegen werden medizinisch genutzt und mit ihnen jedes Jahr 30 Millionen Patienten weltweit behandelt. Alle in der Industrie mit Teilchenbeschleunigern untersuchten oder bearbeiteten Güter haben einen Jahresgesamtwert von mehr als 500 Milliarden Euro. Teilchenbeschleuniger haben eine große Rolle in Industrie und der Medizin eingenommen.

Medizin

Foto: O. Jäkel/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt

Konventionelle Strahlentherapie
Bei der konventionellen Strahlentherapie werden kleine Linearbeschleuniger verwendet. Diese beschleunigen Elektronen, die entweder direkt zur Bestrahlung verwendet oder auf einen Metallblock geschossen und so in Röntgenbremsstrahlung umgewandelt werden. Mit der so erhaltenen Röntgenstrahlung lassen sich auch Tumore bestrahlen, die deutlich tiefer liegen, als es die Reichweite der Elektronen erlaubt.





Foto: Universitätsklinikum Regensburg

Isotopenproduktion
Bei der Positron-Emissions-Tomographie, auch PET genannt, wird dem Patienten ein Präparat verabreicht, das Antimaterie-Teilchen – Positronen – aussendet. Die Präparate haben nur eine kurze Halbwertszeit und werden kurz vor dem PET-Scan mit Hilfe von speziellen Teilchenbeschleunigern hergestellt. Das erste mobile Zyklotron wurde Anfang 2014 in Berlin eingeweiht.









Foto: Universität Heidelberg

Hadrontherapie
Die Bestrahlung mit stark wechselwirkenden Hadronen, wie z.B. Protonen oder Kohlenstoffkernen ermöglicht einen präziseren Energieeintrag als die konventionelle Tumortherapie. So wird das umliegende Gewebe weniger geschädigt und ein Großteil der Dosis in den Tumor gebracht. Verwendet wird die Therapie hauptsächlich für Hirn- und Augentumoren. In Deutschland gibt es Hadrontherapieanlagen in Berlin, Heidelberg und München. Weltweit sind schon über 100.000 Menschen mit Hadronen therapiert worden (Stand 2012).






MRI-Scan eines Kopfes. Bild: TheBrain.

MRT
Bei der Magnetresonanz-Tomographie, kurz MRT, können die Strukturen von Geweben und Organen im Körper sichtbar gemacht werden. Dazu werden Atomkerne im Körper mit starken Magnetfeldern angeregt. Starke Magnetfelder werden auch bei Teilchenbeschleunigern benötigt, um Teilchen auf ihrer Kreisbahn zu halten. Die Entwicklung von supraleitenden Magneten und Kabeln für die ersten supraleitenden Beschleuniger und die Weitergabe des technischen Know-hows an die Industrie, ermöglichten den Bau der ersten MRT-Scanner mit supraleitenden Magneten.




Industrie

Foto: iStockphoto

Dotieren von Halbleitern
Mit Ionenbeschleunigern lassen sich mikroskopisch kleine Regionen von Silizium- oder Germaniumsubstraten dotieren. Die so erzeugten Verbindungen ermöglichen den Bau von schnellen Transistoren in Chips und finden sich quasi überall in der digitalen Elektronik.





Forschung

Foto: DESY

Synchrotronstrahlung
Teilchen in Beschleunigern senden in den Kurven Strahlung aus, die sogenannte Synchrotronstrahlung. Dieser Effekt, der es schwierig macht immer höhere Energie mit Beschleunigern zu erreichen, liefert gleichzeitig eine der vielfältigsten Anwendungsmöglichkeiten: von Materialforschung über die Untersuchung von Biomolekülen und Werkstoffprüfung bis hin zu Kunsthistorik. Mit PETRA III steht beim Forschungszentrum DESY in Hamburg eine der brillantesten Röntgenstrahlungsquellen der Welt.

Foto: DESY

Röntgenlaser
Eigentlich entwickelt für den Teilchenphysik-Linearbeschleuniger der nächsten Generation, wird Beschleunigertechnologie mit supraleitenden Cavities nun in Teilchenbeschleunigern verwendet, die hochenergetisches Röntgenlicht liefern. Mit dem European XFEL, der zurzeit in Hamburg gebaut wird, wird eine atomgenaue Auflösung und eine Zeitauflösung im Bereich von Femtosekunden möglich sein. FLASH, der kleine Bruder des European XFEL, ist bereits seit 2004 in Betrieb.


Foto: Lawrence Livermore National Laboratory

Beschleuniger-Massenspektrometrie
Die Beschleuniger-Massenspektrometrie ermöglicht es das Verhältnis eines Isotops zu einem anderen Isotop desselben Elements zu messen. Ursprünglich entwickelt um die Radiokohlenstoffdatierung zu präzisieren, werden heute verschiedene Isotope untersucht. Die Beschleuniger-Massenspektrometrie arbeitet mit einem Teilchenbeschleuniger und zwei Massenspektrometern.




Umwelt

Foto: CERN

Solarkollektoren
In Beschleunigern ist ein Ultrahochvakuum wichtig, um die Teilchen ungestört im Kreis fliegen zu lassen. Mit Hilfe dieser Vakuumtechnologie hat das CERN Solarkollektoren entwickelt, die direktes aber auch diffuses Sonnenlicht sammeln und Temperaturen von bis zu 350°Celsius erreichen. Mit diesen Temperaturen liegen sie oberhalb von konventionellen Kollektoren und erweitern so das Anwendungsspektrum.


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