Mikrotron

Grundlagen: Obwohl das Prinzip des Mikrotron schon 1944 von Veksler erfunden wurde bauten Physiker erst in den 50er Jahren die ersten Geräte. Das Mikrotron gehört zu der Klasse der Kreisbeschleuniger und kann Elektronen bis auf 20 MeV und mehr beschleunigen. Geräte für niedrigere Endenergien sind vergleichsweise einfach zu bauen, wesentlich einfacher als das bekanntere Betatron, ebenfalls ein Elektronenbeschleuniger. Die Funktion eines Mikrotrons gleich der eines klassischen Zyklotrons, auch im Mikrotron werden die Teilchen durch ein Hochfrequenzfeld beschleunigt während sie durch ein Magnetfeld auf eine Kreisbahn gezwungen werden. Allerdings ist die Kreisfrequenz beim Mikrotron deutlich höher als beim Zyklotron, da die leichten Elektronen wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreichen als die schweren Ionen im Zyklotron. Durch die hohe Geschwindigkeit der Elektronen wirken schon bei relativ niedrigen Energien relativistische Effekte, bei Ionen treten solche erste bei Energien im Gigaelektronenvolt in Erscheinung.

Durch geeignete Betriebsbedingungen kann erreicht werden dass das Elektron immer zum Zeitpunkt des maximalen Amplitudes des Mikrowellenfeldes durch den Resonator fliegt und dadurch an Energie zunimmt. Durch die höhere Energie werden die Orbitradien größer und die Flugzeit länger. Beträgt aber die Flugzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Wechselfeldperiode bleibt die Resonanzbedingung erhalten.

Besonders einfach werden die Verhältnisse wenn der Energiezuwachs ein gerades Vielfache oder ein gerader Teiler der Ruheenergie eines Elektrons sind. Diese Energie beträgt 511 keV, mit üblichen Resonatorleistungen < 100 kW können Beschleunigungswerte von 102 keV, 127 keV, 170 keV oder 255 keV erreicht werden. Verwendet man ein Magnetron im X-Band (9400 MHz) wird die Resonanzbedingung für den 255 keV Modus mit einem Magnetfeld von 167 mT erreicht für andere Energiewerte ändern sich die Parameter entsprechend

Resonator Energie		Magnetfeld	kleinster Orbitalradius	HF-Perioden	max. Energie < 8 cm Radius	Endorbital
102 keV	1/5 E₀	66,3 mT	1,70 cm	6	4 Orbitale > 408 kev	7,5 cm
127 keV	1/4 E₀	83,9 mT	1,52 cm	5	5 Orbitale > 635 keV	8,1cm
170 keV	1/3 E₀	111,8 mT	1,34cm	4	5 Orbitale > 850 keV	7,6 cm
255 keV	1/2 E₀	166,7 mT	1,14 cm	3	6 Orbitale > 1530 keV	7,9 cm

Mit dem verwendeten > Magneten < können Felder bis etwa 100 mT erzeugt werden. Somit kommen der 1/5 und der 1/4 Modus für den Betrieb in Frage. Für diese Moi sind auch nur kleine Mikrowellenleistungen von etwa 10 kW erforderlich.

Aufbau:
Der praktische Aufbau besteht aus einer Vakuumkammer in die ein Hohlleiter mit einem Resonator ragt. Die Erzeugung der Elektronen geschieht durch Feldemission an den Kanten der Resonatoröffnung. Zur Erzeugung der Kreisbahnen befindet sich die Kammer zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten. Nach erfolgter Beschleunigung werden die Elektronen mittels eines dickwandigen Eisenrohres ausgekoppelt. Durch das Rohr wird das Magnetfeld abgeschirmt sodas die Elektronen die Kammer in gerader Bahn verlassen können. Die notwendige Mikrowellenleistung wird durch einen >>Pulsgenerator<< mit einem Radarmagnetron erzeugt

Der Kammerkörper ist aus Plexiglas gefertigt und ist auf den unteren Polschuh des Magneten aufgeklebt. Der obere Polschuh ist mit einer Gummidichtung in die Kammer eingesetzt sodass die Kammer wieder geöffnet werden kann um Umbauten vorzunehmen. Das eiserne Auskoppelrohr hat einen Durchmesser von 15 mm und hat eine Bohrung von 6 mm. Am äußeren Ende ist eine dünne Alufolie als für Elektronen durchlässiges Fenster aufgeklebt (Lenard Fenster). Auch der Hohlleiter muß natürlich vakuumdicht verschlossen werden. Das wurde mit einer in den Flansch eingeklebten Polyimidfolie erreicht. Die Anforderungen an das Vakuum sind aber nicht sehr groß, ein Betriebsdruck von 10^-5 bis 10^-4 mBar ist ausreichend.

Ein entscheidendes Bauteil des Mikrotrons ist der Beschleunigungsresonator. Eine geeignete Spannungsverteilung zeigt ein Resonator im H₀₁₀ Mode. Die runde Resonatorkammer ist über ein 5 mm Koppelloch mit dem Hohleiter verbunden. Durch eine Kunststoffschraube kann die Resonanzfrequenz innerhalb kleiner Grenzen eingestellt werden. Wird der Resonator zum Test an Luft betrieben sieht man die Entladung an der Kante der Öffnungen. An dieser Stelle sollten im Hochvakuum durch Feldemission die Elektronen entstehen

Zum Test des Resonator wurde ein Fluoreszenzschirm in die Kammer gelegt und der obere Polschuh durch eine Plexiglasplatte ersetzt. wird bei einem Druck von < 10^-4 mbar das Magnetron in Betrieb genommen werden durch das Hochfrequenzfeld im Resonator Elektronen erzeugt und beschleunigt. Auf dem Leuchtschirm zeigt sich der Elektronenstrahl durch grünes Leuchten.
	Bei genauerer Betrachtung des Schirms zeigt sich dass die Emission aus einem kleinen 1x2 mm großen Spot der von einem circa 1 cm großen Halo umgeben ist. Laut Literatur wird der zentrale Spot von hochenergetischen Elektronen verursacht die schon Energien von 100 und mehr keV haben

Da trotz der hoffungsvollen Anfangsergebnisse keine Spur von Orbitalelektronen entdeckt werden konnte wurden die Arbeit vorerst eingestellt.