Fabian Bernstein, Oliver Keller, Sascha Schmeling, Thomas Wilhelm und Julia Woithe

Ein LINAC zum Selberbauen

Teilchenbeschleuniger, Linear-Beschleuniger, CERN
Der neu errichtete Linearbeschleuniger LINAC 4 am CERN , © CERN 2020

Fabian Bernstein, Oliver Keller, Sascha Schmeling, Thomas Wilhelm und Julia Woithe

Modell eines elektrostatischen Linearbeschleunigers

CERN besucht, z.B. bei einer Lehrerfortbildung (https://teachers.cern), und die Experimente und Aufbauten unmittelbar vor Ort erlebt, ist nicht selten von den Ausmaßen und der Komplexität der Anlagen beeindruckt und fasziniert. So ist der Large Hadron Collider (LHC) am CERN eine der größten und komplexesten Maschinen, die je gebaut wurden.
Was die Freude der einen ist, mag zum Kummer der Lehrkraft werden, die sich vor die Aufgabe gestellt sieht, diese Komplexität zu reduzieren und zentrale Konzepte der Elementarteilchenphysik für Schülerinnen und Schüler zugänglich zu machen. Dies betrifft insbesondere die experimentelle Teilchenphysik, deren Anlagen und Apparate sich kaum in einem schultauglichen Maße elementarisieren lassen. Daher sind auch nur wenige schulische Experimente für diesen Inhaltsbereich verfügbar (s.a. Überblick zu Unterrichtsmaterialien zum Thema in [1]).
Um hier mittelfristig Abhilfe zu schaffen, werden in der Arbeitsgruppe des Schülerlabors am CERN kontinuierlich neue Experimente für den Unterricht entwickelt, die verschiedene Bereiche der Teilchenphysik umfassen und Lehrkräften kostenfrei zur Verfügung gestellt werden [2].
Ein selbst gedrucktes LINAC-Modell
Ein Beispiel für eine solche Unter-richtsressource ist der Bausatz eines Teilchenbeschleuniger-Modells, das hilft, Prinzipien der Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen in elektrischen Wechselfeldern zu demonstrieren. Gerade im Bereich der Teilchenbeschleuniger sind bisher besonders wenige schulische Experimente möglich.
Probleme vorhandener Modellexperimente
Verfügbare Modelle für Beschleuniger laufen häufig Gefahr, Fehlvorstellungen bei Schülerinnen und Schülern Vorschub zu leisten, indem z.B. Magnetfelder zur (linearen) Beschleunigung eingesetzt werden (wie z.B. in [3]). Dies ist jedoch in realen Beschleunigern nicht der Fall und wäre aufgrund der Orthogonalität von Geschwindigkeitsvektor und Lorentzkraft auch physikalisch nicht möglich.
Ähnlich realitätsfern ist das verbreite „Salatschüsselbeschleuniger-Modell [4], bei dem der beschleunigte Körper laufend umgeladen wird.
Ein LINAC-Modell aus dem 3D-Drucker mit Arduino-Steuerung
Auf dem in Kasten 1 dargestellten Prinzip der Beschleunigung durch Wechselspannung bei Linearbeschleunigern beruht das hier vorgestellte Beschleunigermodell. Seine funktionstüchtige erste Version wurde vollständig von Jugendlichen im Rahmen des High-School-Student-Internship-Programms [5] am CERN im November 2019 konzipiert, ausgedruckt, aufgebaut und getestet. Die vorliegende Fassung (s. Abb. 1 ) entstand auf der Basis dieser Schülerarbeiten im Frühjahr 2020, konnte jedoch noch nicht mit Schülerinnen und Schülern im Schülerlabor erprobt werden.
1) INFORMATIONEN
1) INFORMATIONEN
Funktionsprinzip von Linearbeschleunigern
Die ursprüngliche Form des Linearbeschleunigers beruht auf einer Anordnung metallischer Röhren (sog. Driftröhren), zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt (s.a. Foto eines aktuellen Beschleunigers in Abb. 2 ). Die Grundidee dieses Typs von Linearbeschleunigern geht auf den schwedischen Physiker Gustav Ising zurück und wurde bereits 1924 veröffentlicht. Erstmalig realisiert wurde ein solcher Wechselspannungs-Linearbeschleuniger vier Jahre später von Rolf Wideröe an der RWTH Aachen.
Funktionsprinzip
Das Prinzip des Wechselspannungs-Linearbeschleunigers ist einfach: Elektrisch geladene Teilchen, welche die Teilchenquelle verlassen, passieren eine Abfolge von Driftröhren (s. Abb. 3 ). Beschleunigt werden sie in den Spalten zwischen den Driftröhren, wohingegen in den Röhren selbst das elektrische Feld abgeschirmt ist. Durch eine geschickte Umpolung der an den Driftröhren anliegenden Spannung zum richtigen Zeitpunkt wirkt auf die Teilchen zwischen den Driftröhren stets ein beschleunigendes elektrisches...

Friedrich+ Kunst

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 180 / 2020

Teilchenphysik

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 11-13