Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger oder Akzelerator ist eine Sammelbezeichnung für Geräte und Anlagen, in denen elektrisch geladene Teilchen (v. a. Elektronen, Protonen und ihre Antiteilchen sowie Atomkerne und Ionen) auf sehr hohe Energien (heute bis zu mehreren 1 000 GeV) beschleunigt werden und dadurch Kern- und Elementarteilchenreaktionen auslösen können. Dabei entsteht Brems- sowie Synchrotronstrahlung, zum Teil auch bestimmte Elementarteilchenstrahlen, die man u. a. für analytische Anwendungen nutzt. Die Beschleunigung erfolgt grundsätzlich durch elektrische Felder, die auf die Ladungen der Teilchen wirken.
Nach Form der Teilchenbahnen unterscheidet man Linearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger (Ringbeschleuniger, Zirkularbeschleuniger), bei denen magnetische und elektrische Felder die Teilchen auf kreisförmigen Bahnen beschleunigen. Große Teilchenbeschleunigeranlagen, in denen Teilchen verschiedener Ladungen auf ringförmigen (Speicherringe) oder linearen Bahnen diametral gegeneinander geführt und zur Kollision gebracht werden, nennt man auch Collider. Die wichtigsten Kreisbeschleuniger für Elektronen sind das Betatron, das Mikrotron und das Elektronensynchrotron (Synchrotron), für Protonen, schwerere Atomkerne und Ionen das Zyklotron, das Synchrozyklotron und das Protonensynchrotron. ‒ Teilchenbeschleuniger haben v. a. in der Grundlagenforschung der Kern- und Elementarteilchenphysik große Bedeutung. Sie werden außerdem u. a. zur Herstellung von Radionukliden (z. B. in der Schwerionenforschung), in der Medizin zur Strahlentherapie und in der Technik zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt.

Wichtige große Teilchenbeschleuniger und Speicherringanlagen befinden sich in Westeuropa am Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik (CERN) bei Genf und am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) bei Hamburg, in Russland bei Serpuchow am Forschungsinstitut für Elementarteilchenphysik sowie in Nowosibirsk am Institut für Kernphysik, in Japan am Nationalen Laboratorium für Hochenergiephysik in Tsukuba und in den USA am Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) in Batavia (Illinois), am Brookhaven National Laboratory (BNL) in Brookhaven (New York), an der Cornell University in Ithaca (New York) sowie am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC).

Chemiefasern

Unter Chemiefasern (Synthesefasern, umgangssprachlich auch Kunstfasern) versteht man im weiteren Sinn alle auf chemischem Wege erzeugten Fasern aus organischen oder auch anorganischen Materialien; im engeren Sinn die aus makromolekularen Naturstoffen (natürliche Polymere) oder Kunststoffen (synthetische Polymere) gewonnenen und v. a. zur Herstellung von Textilien und technischen Geweben geeigneten Fasern. Sie werden in Form von endlosen Filamentgarnen (früher auch Chemieseide oder Kunstseide genannt) oder als Spinnfaserband (auf eine bestimmte Länge geschnitten) erzeugt. Filamentgarne bestehen entweder aus mehreren feinen Elementarfäden (Multi- oder Polyfile) oder aus einem einzigen gröberen Faden (Monofil). Spinnfasern werden je nach Feinheit, Schnittlänge, Festigkeit, Dehnung und Kräuselung unterschieden.

Arten:

Zu den halbsynthetischen Fasern zählen v. a. die aus regenerierter oder veresterter Cellulose hergestellten Fasern, z. B. Viskose. Die wichtigsten Materialien für vollsynthetische Chemiefasern sind: Polyamide (Nylon, Perlon, Rilsan, Kevlar u. a.), Polyester (Diolen, Trevira, Dacron u. a.), Polyacrylnitrile (Dralon, Orlon u. a.) und Polyurethane (Elasthan). Die Grundstoffe werden durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition gewonnen, anschließend in leicht verdampfbaren Lösungsmitteln gelöst und durch Spinndüsen gedrückt. Dabei werden die entstehenden Fäden auf unterschiedliche Weise verfestigt. Beim Trockenspinnverfahren (für Acetat und zum Teil Polyacrylnitril) wird die Lösung unter Druck (5 bis 15 bar) durch die Spinndüsen gepresst und das verdunstende Lösungsmittel abgesaugt. Beim Nassspinnverfahren (Viskoseverfahren) werden die Fäden durch Fällungsreaktion im Spinnbad (Fällbad) fadenförmig ausgeschieden (»ausgefällt«). Beim Schmelzspinnverfahren (v. a. für thermoplastische Polymere verwendet) werden die Polymermoleküle (Polyamide, Polyester oder Polyolefine) durch Anblasen mit Kaltluft verfestigt. Im Anschluss an verschiedene Nachbehandlungsschritte erhält man die Filamentgarne. ‒ Nicht durch einen Spinnprozess, sondern durch Längsschneiden hochverstreckter Polyethylen- oder Polypropylenfolien entsteht Chemieflock (Kurzfasern), durch Spleißen (Splitten) werden Spaltfasergarne oder verspinnbare Splitterfasern erzeugt. ‒ Anorganische Chemiefasern sind z. B. Silikatfasern (Glasseide und Glaswolle), die nur als Isoliermaterial dienende Schlackenwolle (Sillan) sowie Keramikfasern (Fiberfrax), Metallfäden, Stahlfasern und Kohlenstofffasern zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen.

Mikrosystemtechnik

Die Mikrosystemtechnik ist ein Gebiet der Technik, das sich mit Entwurf, Simulation, Entwicklung, Fertigung und Test miniaturisierter technischer Baugruppen beschäftigt. Ein Mikrosystem verbindet mindestens zwei Funktionalitäten aus Mikroelektronik, Mikromechanik, Mikrooptik oder Mikrotechnik. Aufgabe der Mikrosystemtechnik ist es, die Wechselwirkung dieser Funktionselemente aufeinander abzustimmen und sie zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem zu integrieren. Eine zentrale Rolle spielen deshalb rechnergestützte Entwurfsmethoden (CAD, Schichttechniken), Strukturierungstechniken sowie Methoden der Signalverarbeitung. ‒ Ein komplettes Mikrosystem (im weiteren Sinn) besteht aus einer Sensoreinheit, die eine bestimmte physikalische oder chemische Größe aufnimmt, einer Elektronik, die die Sensorsignale verarbeitet, einem Stellglied (Aktor), das zu einer Reaktion befähigt ist, aus Leitungen, die die genannten Einheiten miteinander verbinden, sowie aus einer Schnittstelle zur Außenwelt.

Vorteile:

Die Vorteile der Mikrosystemtechnik bestehen v. a. in der Miniaturisierung unterschiedlicher Funktionseinheiten und deren Integration zu einem kompletten technischen System. Durch die Miniaturisierung werden bestimmte Effekte erst zugänglich gemacht und neuartige Anwendungen ermöglicht. Die Materialersparnis bei Mikrosystemen, verbunden mit Volumen- und Masseeinsparungen sowie geringerer thermischer Trägheit und verringertem Energieverbrauch, erlaubt den Einsatz auch kostspieliger Werkstoffe, führt zur Realisierung mobiler Systeme und macht kostengünstige Massenfertigungsverfahren nutzbar. Die Reduktion von Leitungsbahnen, Messvolumina und Toträumen, eine Minimierung der Zahl von Verbindungsstellen und -gliedern sowie die Redundanz gewisser Bauteile erhöhen die Zuverlässigkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems.

Anwendungen:

Anwendungen von Mikrosystemen finden sich in nahezu allen technischen Bereichen, z. B. als Düsen für Tintenstrahldrucker, Mikroventile und -schalter oder Strahlungssensoren. Temperatur-, Druck- und Kraftsensoren werden z. B. in der Verfahrenstechnik zur Anlagenüberwachung und im Automobilbau (z. B. Beschleunigungssensoren als Auslöser für Airbags) eingesetzt; in der Medizintechnik finden u. a. miniaturisierte Aktoren Verwendung (z. B. implantierbare Mikropumpen zur Medikamentendosierung). Die Informationstechnik nutzt verschiedenste Strukturen und Systeme für optoelektronische und faseroptische Baugruppen. Angesichts der breiten Einsatzmöglichkeiten gilt die Mikrosystemtechnik als eine der zukunftsträchtigsten Schlüsseltechnologien.

Reproduktionsmedizin

Die Reproduktionsmedizin oder Fortpflanzungsmedizin ist ein Spezialgebiet der Medizin, das sich der menschlichen Fortpflanzung und Behandlung des unerfüllten Kinderwunsches unter Berücksichtigung gynäkologischer, urologischer, genetischer, biologischer, juristischer und ethischer Aspekte widmet. Verfahren der Reproduktionsmedizin zur Erfüllung des Kinderwunsches sind entsprechend der zugrunde liegenden Störung die kontrollierte Eierstockstimulation durch Hormongaben, die Spermienaufbereitung zur Anreicherung normal geformter, gut beweglicher Spermien mit anschließender Übertragung in den Gebärmutterhals oder die Gebärmutter, die In-vitro-Fertilisation und die intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI). Hierbei zunächst überzählige Embryonen werden in Deutschland im 2-PN-Stadium (Vorkernstadium) für eine spätere Implantation eingefroren (Kryokonservierung). Die Erfolgsraten reproduktionsmedizinischer Techniken sind u. a. abhängig vom Alter der Frauen, den verschiedenen Methoden und den durchführenden Institutionen; sie liegen zwischen 5 und 50 %. Risiken der künstlichen Befruchtung bestehen in einer erhöhten Rate an Mehrlingsschwangerschaften mit einer höheren Belastung der Schwangeren und häufigeren Frühgeburten; auch das Risiko einer schweren Fehlbildung des Kindes ist im Vergleich zur natürlichen Befruchtung größer. Die Stimulationsbehandlung der Eierstöcke kann zu leichten Vergrößerungen der Eierstöcke und zu Zystenbildungen, aber auch zu einem Überstimulierungssyndrom mit Bauchschmerzen, Blähungen, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Wassersucht und Eindickung des Blutes führen. Die Behandlungen werden heute in darauf spezialisierten Kliniken durchgeführt. Im Vorfeld einer Behandlung erfolgt ein ausführliches Beratungsgespräch, bei dem die Paare über die Möglichkeiten der Behandlung informiert werden. In den meisten Kliniken wird eine psychologische Begleitung der Behandlungen angeboten. Sie folgen festgelegten Behandlungsschemata, die in Protokollen festgelegt sind. ‒ Die Verfahren der assistierten Reproduktion unterliegen dem Embryonenschutzgesetz und den Bestimmungen der Berufsordnungen der einzelnen Landesärztekammern, die Richtlinien zur Durchführung erlassen haben.

Röntgenstrahlung

Bei den Röntgenstrahlen handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als das Licht. Sie unterscheidet sich von den Gammastrahlen und dem elektromagnetischen Bestandteil der kosmischen Strahlung nur durch die Entstehungsweise. Röntgenstrahlen sind unsichtbar, erzeugen Fluoreszenz, schwärzen Fotoplatten und können Atome ionisieren. Ähnlich Lichtstrahlen zeigen sie Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und Polarisation, haben aber im Unterschied zum Licht ein hohes Durchdringungsvermögen für die meisten Stoffe. Die Röntgenstrahlung setzt sich zusammen aus der Bremsstrahlung, die beim plötzlichen Abbremsen schneller Elektronen beim Aufprall auf Materie entsteht (Ablenkung der Teilchen im elektrischen Feld der Atomkerne), und der charakteristischen Röntgenstrahlung (Eigenstrahlung, Röntgenfluoreszenzstrahlung) der Atome. Diese entsteht, wenn die kernnächsten, inneren Elektronen der Atomhülle angeregt wurden und von dem angeregten in einen energetisch tiefer liegenden Zustand zurückfallen. Die Bremsstrahlung zeigt ein kontinuierliches Spektrum, die charakteristischen Röntgenstrahlen sind Strahlen einer bestimmten Wellenlänge, im Spektrum deshalb als einzelne Linien erkennbar. Die Linien werden danach benannt, welche innere Schale beim jeweiligen Elektronenübergang »aufgefüllt« wird (K, L, M, N, … ), das K-Spektrum z. B. entsteht als Folge des Elektronenüberganges von höheren Schalen in die K-Schale. Die Frequenz der charakteristischen Röntgenstrahlen verschiebt sich nach dem Moseley-Gesetz (Moseley) mit steigender Ordnungszahl des emittierenden Atoms in den kurzwelligen Bereich. Auf Materie auftreffende Röntgenstrahlung kann Elektronen herauslösen (Röntgenfotoeffekt) oder wiederum neue Röntgenstrahlen erzeugen (sekundäre Röntgenstrahlen).

Einteilung und Anwendung:

Technisch werden Röntgenstrahlen meist mit Röntgenröhren erzeugt, wobei man ultraweiche (Wellenlängen > 1 nm), weiche (1‒0,1 nm), harte (0,1‒0,01 nm) und ultraharte (< 0,01 nm) Röntgenstrahlen unterscheidet. Die Röntgenstrahlen überschneiden sich am langwelligen Ende des Spektrums mit der UV-Strahlung Röntgen-UV (< 100 nm), bei kurzen Wellenlängen mit der Gammastrahlung. Sehr viel kurzwelligere (härtere) Röntgenstrahlen lassen sich mit Elektronenbeschleunigern (bis etwa 10-7 nm) erzeugen (Synchrotronstrahlung). Technisch nutzt man die Röntgenstrahlen v. a. in der Medizin, Metallurgie, Kristallografie und chemischen Analytik. Die für verschiedene Stoffe unterschiedliche Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlen wird besonders für medizinische Zwecke (Röntgenuntersuchung, Strahlenschäden, Strahlentherapie) und zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angewandt. Weitere Verfahren zur Strukturuntersuchung sind u. a. Röntgenstrukturanalyse, Röntgenspektroskopie und Röntgenmikroskopie. ‒ Der Umgang mit Röntgenstrahlen unterliegt den Verordnungen des Strahlenschutzes. Zur Bestimmung der Dosis (Dosisleistung) von Röntgenstrahlen dienen Dosimeter.