Ein Teilchenbeschleuniger ist ein physikalisches Gerät, in dem elektrisch geladene Teilchen, wie beispielsweise Elementarteilchen, Atomkerne oder auch ionisierte Atome sowie Moleküle, durch mehrere elektrische Felder auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Im Innenraum eines solchen Teilchenbeschleunigers ist ein luftleerer Raum.

Je nach Art des Teilchenbeschleunigers und der Art der zu beschleunigenden Teilchen, werden diese fast so schnell wie die Lichtgeschwindigkeit. Diese beträgt knapp 300000 Kilometer pro Sekunde. Die kinetische Energie eines solchen Teilchens beträgt dann ein Vielfaches ihrer Ruheenergie. Die Bewegung dieser Teilchen sowie deren Energie kann durch Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie erklärt werden.

Klassische Beschleuniger waren beispielsweise Zyklotronen. Die Problematik bei diesen waren jedoch die Platzprobleme aufgrund der großen benötigten Vakuumkammer und der Magnete. Daher mussten die Teilchenbeschleunigungen, trotz der immer höher werdenden Teilchenenergie, auf einer gleichbleibenden Bahn beschleunigt werden. Diese konnte entweder gerade sein, wie beim Linearbeschleuniger oder eine Umlaufbahn in einem Ringbeschleuniger, mit regelmäßig angeordneten Ablenkmagneten.

Die Linearbeschleuniger haben einen deutlichen Vorteil. Die Teilchen erleiden keinen Energieverlust durch Synchrotronstrahlung. Diese Energieverluste treten bei Ringbeschleunigern immer auf, denn sie sind unvermeidbar. Allerdings machen sich die Physiker die Synchrotronstrahlung auch zu Nutze. Auch der klassische Ringbeschleuniger hat einen Vorteil: bei jedem Umlauf der Teilchen können die gleichen Beschleunigungseinheiten verwendet werden. Daher sind Ringbeschleuniger deutlich kostengünstiger und somit viel wirtschaftlicher als die zuvor beschriebenen Linearbeschleuniger.

Die beschriebenen Ringbeschleuniger wurden ab der Zeit nach Ende des zweiten Weltkrieges, also ab Mitte der 1940er Jahre von den Physikern und anderen Naturwissenschaftlern realisiert. Zu Beginn der 1950er Jahre machte diese Entwicklung aufgrund der Erfindung der starken Fokussierung deutliche und schnelle Fortschritte. Die Ablenkungsmagnete konnten mit Polschuhen versehen werden, so dass die Magnetfelder quer zu der Flugrichtung der beschleunigten Teilchen war. Dies sorgte für eine gute Stabilität und Fokussierung der Teilchenbahnen. Dies führte dazu, dass am CERN in Genf in der Schweiz sowie in Brookhaven in England Protonen Synchrotronen gebaut werden konnten, die im 30 Giga – Elektronenvolt Bereich lagen. Zum Vergleich: heute ist der LHC am CERN die größte Synchrotronanlage und kann Protonen bis auf 6,5 Tera – Elektronenvolt beschleunigen.

In den 1960 Jahren wurden der Linearbeschleuniger SLAC sowie das Elektronensynchrotron DESY entwickelt. Sie erlangten internationale Berühmtheit. Ein in weltweiter Zusammenarbeit geplanter Beschleuniger, der ILC sollte eine Gesamtlänge von 30 kilometern erreichen. Hierdurch sollten Elektron – Positron Stößen im 500 Giga – Elektronenvolt Bereich und höher ermöglicht werden.

Ende der 1960er Jahre beziehungsweise Anfang der 1970er Jahre, begann der Bau sehr großer Beschleuniger für schwere Ionen. Hierzu gehörte zum Beispiel auch der UNILAC Beschleuniger. Dieser kann Ionen einer beliebigen Masse auf ungefähr 11 Mega – Elektronenvolt pro atomarer Masseneinheit beschleunigen.

Speicherringe

Ein weiterer großer technischer Fortschritt war die Erfindung von Speicherringen, den Synchrotronen. Diese beschleunigen die Teilchen nicht, sondern bewahren beschleunigte Teilchen, bei gleichbleibender Energie, auf. Dieser Sammelprozess dauert so lange, bis eine hohe Stromstärke des Elektronenstrahls erreicht ist. Mittlerweile dienen diese Speicherringe für Elektronen in erster Linie als Quelle für Synchrotronstrahlung.

Speicherringe für Ionen werden insbesondere als Collider verwendet. Diese Anlagen besitzen zwei, sich gegenläufig bewegende Strahlen. Die Stoßprozesse, „Kollisionen“, dieser Teilchen ermöglichen eine fast vollständige Umsetzung der Kollisionsenergie in neue Teilchen.

Berühmte Speicherringe sind: SPEAR am SLAC in Stanford, ISR, SPS LEP und insbesondere der LHC am CERN in Genf, das Tevatron am Fermilab, der ESR am GSI Helmholtzinstitut oder Doris, Petra und Hera am DESY.

Arten von Teilchenbeschleunigern:

Geradlinige, lineare Beschleunigung
• Van de Graaff Beschleuniger
• Tandembeschleuniger
• Pelletron
• Dynamitron
• Kielfeld Beschleuniger
• Linearbeschleuniger

Krummlinige, spiralförmige oder ringförmige, zyklische Beschleunigung
• Belatron
• Mikrotron
• Rhodotron
• Speicherring
• Synchrotron
• Zyklotron

Die Anwendungsgebiete der Teilchenbeschleunigung sind zahlreich. Kerngebiet ist das Entwicklergebiet der Physik mit deren Teildisziplinen Atomphysik, Kernphysik, Teilchenphysik sowie Kosmologie und Synchrotronstrahlung. Außerdem kommt die Teilchenbeschleunigung in der Chemie beim Massenspektrometer vor und findet auch in der Medizin bei der Strahlentherapie ihre Anwendung. Hinzu kommen einige weitere Anwendungsgebiete aus der Technik und der Industrie, wie zum Beispiel: Materialuntersuchung, Lebensmittelbestrahlung und Elektronenstrahlschweißen.

Das „Abfallprodukt“ der Teilchenbeschleunigung

Die Synchrotronstrahlung war einst das Abfallprodukt der Teilchenbeschleunigung, wie zum Beispiel bei Elektronenbeschleunigern wie DESY. Die Physiker erkannten ihr Potential lange Zeit nicht. Mittlerweile ist der Nutzen der Synchrotronstrahlung bekannt. Die wird häufig in der Materialforschung eingesetzt und ebenso in der Medizin zur Diagnostik. Die Synchrotronstrahlung ist längst kein Abfallprodukt mehr, sondern wird auch gezielt in eigens hierfür errichteten Elektronen – Beschleunigern erzeugt.

Als Begründer der Beschleunigerphysik gelten unter anderem Ernest Lawrence, John Cockcroft, Ernest Walton sowie Simon van der Meer und Edwin McMillan. Sie wurden mehrfach ausgezeichnet. Außerdem gab es für die Urväter der modernen Beschleunigerphysik zahlreiche Nobelpreise . Dies gilt auch für Erkenntnisse und Entdeckungen, welche durch Teilchenbeschleuniger gemacht worden sind.