LHC Status:
Energie: 6.5 TeV
max. Pakete pro Ring: 2076

Protonenquelle

Die im LHC verwendeten Protonen werden durch Ionisation (Elektronenverlust) von Wasserstoff, mittels einem sogenannten Duoplasmatron hergestellt. Da diese Protonenquelle mit statischen Feldern arbeitet, gehört sie zur Familie der Direktbeschleuniger. Die Protonenquelle ist in einem Faradayscher Käfig untergebracht. Dieser Käfig dient als Vorsichtsmassnahme, da die Quelle mit Hochspannung betrieben wird. In einer kleinen roten Gasflasche befindet sich der Wasserstoff. Eine solche Menge reicht für ein Jahr LHC Betrieb. Von diesem Ort aus, starten die Protonen auf ihre lange Reise, bis zur Kollision mit einem anderen Proton in den grossen Detektoren des LHC.


Vor dem Faradayschen Käfig ist ein 1:1 Modell der Protonenquelle zu sehen (Plexiglaskasten).


Funktionsweise der Protonenquelle

Das Duoplasmatron besteht aus einer Kathode (negativ geladen) welche erhitzt wird. An der Metalloberfläche treten Leitungselektronen aus, sobald die thermische Energie die materialabhängige Austrittsarbeit übersteigt (glühelektrischer Effekt/Glühemission). Damit die Elektronen nicht in alle Richtungen wegfliegen, sondern einen feinen Strahl bilden, müssen sie fokussiert werden. Dies geschieht mit Hilfe eines sog. Wehneltzylinder, einem negativ geladenen Metallzylinder, welcher um die Kathode herum angebracht ist. Die Elektronen werden von den Wänden dieses Zylinders abgestossen und sammeln sich daher in der Mitte. Eine positiv geladene Anode beschleunigt die Elektronen. Dieser Elektronenstrahl trifft nun auf das Wasserstoffgas. Die beschleunigten Elektronen stossen dabei mit den Atomen des Wasserstoffgases zusammen. Wird ein Wasserstoffatom mit schnellen Elektronen beschossen, so schlagen diese das Hüllenelektron aus dem Atom heraus und der Wasserstoff wird ionisiert. Zurück bleibt ein positiv, geladenes Proton, welches von einer negativ geladener Elektrode (90000 Volt), der Extraktionselektrode, angezogen und beschleunigt wird. Die Protonen werden danach zum ersten Linearbeschleuniger (RFQ) geleitet.


Schema einer Protonenquelle


Kinetische Energie

Die Protonen erfahren durch die Extraktionselektrode eine bestimmte Bewegungsenergie. Diese Energie kann z.B. durch die Einheit Elektronenvolt, abgekürt eV, beschrieben werden. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron oder wie in diesem Fall ein Proton erhält, wenn es ein elektrisches Feld von 1 Volt im Vakuum durchläuft, dadurch beschleunigt wird und somit kinetische Energie gewinnt. Die Protonen besitzen nach der Extraktionselektrode des Duoplasmatrons eine kinetische Energie von 90000 eV, was 14.94 Millionen km/h oder 1.4% der Lichtgeschwindigkeit entspricht.


Beschleunigung auf 1 eV