Ein Linearbeschleuniger ist ein Gerät, das Materie auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, indem es sie mit elektromagnetischen Feldern entlang einer linearen Bahn bewegt. Der Begriff wird am häufigsten verwendet, um sich auf einen linearen Teilchenbeschleuniger oder Linac zu beziehen, der Atome oder subatomare Teilchen beschleunigt. „Linearbeschleuniger“ kann sich auch auf Geräte beziehen, die Elektromagnetismus verwenden, um größere Objekte wie Coilguns und Railguns anzutreiben. Lineare Teilchenbeschleuniger werden häufig in Medizin, Industrie und wissenschaftlichen Experimenten verwendet, und elektromagnetische Beschleuniger für größere Objekte könnten zukünftige Anwendungen für Zwecke wie Raumfahrt und Waffen haben.
Ein linearer Teilchenbeschleuniger feuert magnetisch geladene Teilchen ab. Dies können ganze geladene Atome, sogenannte Ionen, oder subatomare Teilchen wie Protonen und Elektronen sein. Zunächst wird das zu beschleunigende Teilchen durch eine elektromagnetische Vorrichtung wie eine Kathode oder Ionenquelle erzeugt und in eine mit Elektroden ausgekleidete rohrförmige Vakuumkammer abgegeben. Die Elektroden werden dann mit Energie versorgt, um oszillierende Magnetfelder zu erzeugen, die dem Partikel Energie verleihen und es durch die Röhre zum Ziel des Geräts beschleunigen. Die genaue Anordnung der Elektroden innerhalb der Röhre, die Leistung und Frequenz der in die Elektroden eingestrahlten Energie sowie die Größe der Elektroden variieren je nach den beschleunigten Partikeln und dem Zweck der Vorrichtung.
Ein einfaches und sehr verbreitetes Beispiel ist die Kathodenstrahlröhre, die häufig in Fernsehern, Monitoren und anderen Anzeigetechnologien verwendet wird. Die Kathodenstrahlröhre treibt Elektronen durch die Röhre, bis sie am Ende der Röhre auf ein festes Ziel treffen, das aus lumineszierenden Materialien namens Phosphor besteht, bei denen es sich normalerweise um Metallsulfidverbindungen handelt. Dabei wird ein Teil der Energie der Elektronen als Emission elektromagnetischer Energie in den Wellenlängen freigesetzt, die das menschliche Auge als sichtbares Licht wahrnimmt. Röntgengeräte, die in der Medizin und der biologischen Forschung verwendet werden, folgen einem ähnlichen Prinzip, indem sie Elektronenströme in Kupfer, Molybdän oder Wolfram feuern, um Röntgenemissionen zu erzeugen, die für die Bildgebung oder mit leistungsstärkeren Geräten für die Strahlentherapie verwendet werden können.
Lineare Teilchenbeschleuniger werden auch in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Kleine Geräte werden häufig zur Bildgebung in der biologischen und archäologischen Forschung verwendet. Linearbeschleuniger, die für die Forschung verwendet werden, variieren stark in der Größe und können aufgrund der extrem hohen Energieniveaus, die erforderlich sind, um einige der in der modernen Physik untersuchten Phänomene zu erzeugen, wirklich kolossale Dimensionen erreichen. Der größte lineare Teilchenbeschleuniger der Erde, der sich am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien, befindet, ist drei Kilometer lang.
Sie werden auch in einigen industriellen Prozessen verwendet. Einige Siliziumchips, die in der modernen Elektronik verwendet werden, werden in einem Prozess hergestellt, bei dem Beschleuniger verwendet werden, die anstelle von subatomaren Teilchen ganze geladene Atome antreiben, was eine sehr genaue Platzierung der Atome während der Produktion ermöglicht. Beschleuniger können auch verwendet werden, um Ionen in die Oberfläche von Materialien wie Stahl zu implantieren, wodurch die Struktur des Materials verändert wird, um es widerstandsfähiger gegen chemische Risskorrosion zu machen.
Der Begriff „Linearbeschleuniger“ wird manchmal auch für Geräte verwendet, die größere Objekte auf ähnliche Weise antreiben, indem sie Elektromagnetismus verwenden, um ein Projektil entlang einer geraden Bahn zu beschleunigen. Diese funktionieren, indem Elektrizität entweder durch eine Metallspule geleitet wird, die um den Lauf des Geräts gewickelt ist, ein Design, das als Coilgun, Massentreiber oder Gauss-Kanone bezeichnet wird, oder durch ein Paar parallel zueinander positionierter Metallschienen, die als Railgun bezeichnet werden. Ein Objekt aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, kann mit den Magnetfeldern, die durch zeitlich richtig abgestimmte elektrische Ströme erzeugt werden, den Lauf des Geräts hinunter beschleunigt werden. Coilguns wurden als eine Möglichkeit vorgeschlagen, Ladungen von der Erdoberfläche in den Weltraum zu schleudern, und sowohl Coilguns als auch Railguns werden als mögliche Waffen erforscht.