,Wird durch ein elektrisches Feld E auf ein Teilchen der Ladung q und Masse m eine Kraft F mit
,
ausgeübt, so erfährt es die Beschleunigung a mit
.
Ein Teilchen lässt sich also durch ein elektrisches Feld E und somit eine Spannung U beschleunigen. Dieses Prinzip machen sich die Teilchenbeschleuniger zu nutze. Die geladenen Teilchen durchlaufen in der Beschleunigungsstrecke eine Potentialdifferenz U und erhöhen so ihre Energie ΔEkin um
.
Die wesentlichen Bausteine eines Beschleunigers sind:
Beinahe jeder von uns hat seinen eigenen Teilchenbeschleuniger zu Hause stehen, den Fernseher.
Die ersten Teilchenbeschleuniger besaßen eine gerade
Beschleunigungsstrecke. Sie werden daher Linearbeschleuniger oder LINAC (Linear
Accelerator) genannt. Der einfachste LINAC ist der van
de Graaff-Generator. Er ist ein elektrostatischer Beschleuniger bei dem Teilchen
mit einer Gleichspannung beschleunigt werden. Die mit dem van de Graaff-Generator
erzeugbaren Energien von maximal 30 bis 40 MeV reichen jedoch für die Elementarteilchenforschung
nicht aus. Daher verwendet man einen Driftröhrenbeschleuniger
oder einen Wanderwellenbeschleuniger.
Im Gegensatz zum van de Graaff-Generator werden die Teilchen durch eine Wechselspannung
beschleunigt. Diese Art von Beschleuniger wird Hochfrequenzbeschleuniger genannt.
Auf der Suche nach Möglichkeiten immer größere Teilchenenergien zu erreichen und die Kosten dafür niedrig zu halten wurden die Kreisbeschleuniger entwickelt. Hierzu zählen das Zyklotron, das Betatron und das Synchrotron. Bei den Kreisbeschleunigern werden die geladenen Teilchen durch Magnetfelder auf eine kreisförmige Bahn gelenkt. So können sie die eingebauten Beschleunigungsstrecken mehrfach durchlaufen und erreichen höhere Energien.
Jedes beschleunigte Teilchen sendet elektromagnetische Strahlung aus, wie es in den Maxwellgleichungen festgehalten ist. So auch Teilchen in Kreisbeschleunigern. Sie erfahren in den Ablenkmagneten eine Beschleunigung zur Mitte. Diese Strahlung wird Synchrotronstrahlung genannt.