Science-Story ➜ Cavities zur Teilchenbeschleunigung

„Cavities“ oder Hohlraumresonatoren dienen in Teilchenbeschleunigern dazu, die geladenen Teilchen mittels resonanter elektrischer Felder auf höhere Geschwindigkeiten zu beschleunigen.

Die Abbildung zeigt ein Foto und Simulationen der elektromagnetischen Felder in einem einzelligen Hohlraumresonator (Single-Cell Cavity, Resonanzfrequenz 800 MHz) zur Elementarteilchenbeschleunigung, z.B. für Elektronen oder Protonen. 

Oben links sieht man das simulierte elektrische Feld, oben rechts das magnetische Feld der beschleunigenden resonanten Eigenschwingung der Cavity.

Um den Wirkungsgrad der Beschleunigung zu erhöhen, kann man mehrere Resonatorzellen miteinander verketten und so eine sogenannte Multi-Zell-Kavität erschaffen.

So besteht z.B. ein TESLA-Resonator aus neun Zellen (siehe Animation links). Geladene Teilchen, die den Hochfrequenzresonator durchqueren, interagieren mit dem resonierenden elektromagnetischen Feld und werden – mit der richtigen Phase – entlang des Resonators beschleunigt.

Mithilfe von Computersimulationen lassen sich die elektrischen und magnetischen Felder vorhersagen, die in solchen Strukturen entstehen. Das ermöglicht es, diese Strukturen zu verbessern, z.B. um die Teilchen in Teilchenbeschleunigern zunächst bis auf praktisch Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und dann auf immer höhere Energien zu bringen.

Die Simulation links zeigt das resonante elektrische Feld in einem TESLA-Resonator. Rote Bereiche bedeuten dabei höhere Feldstärken, blaue niedrigere.

Bild Single-Cell-Cavity und Text: Dr.-Ing. Shahnam Gorgi Zadeh
Bild TESLA-Cavity Animation und Text: M.Sc. Hendrikje Raben