Das Zyklotron

Das Zyklotron (griechisch κύκλος, kýklos bzw. lateinisch cyclus „Bogen“, „Kreis“) ist ein Teilchenbeschleuniger, genauer gesagt ein Kreisbeschleuniger. Ein Magnetfeld bringt die zu beschleunigenden Teilchen in eine spiralähnliche Bahn, auf der die Beschleunigungsstrecken immer wieder durchlaufen werden. Durch die Mehrfachnutzung der Beschleunigungsstrecken sind Kreisbeschleuniger im Allgemeinen wirtschaftlicher als Linearbeschleuniger.


Protonenzyklotron der University of Washington

In Zyklotronen werden Ionen auf Energien im Bereich von etwa 10 bis 500 MeV beschleunigt. Für Energien, die groß sind im Vergleich zur Ruheenergie der Teilchen, sind Zyklotrone weniger geeignet. Daher werden sie für Elektronen nicht eingesetzt.

Geschichte


27-inch-Zyklotron des Radiation Laboratory in Berkeley mit M. Stanley Livingston (links) und Ernest O. Lawrence (Aufnahme von 1935)

Überlegungen zu einem Zyklotron wurden in den 1920er Jahren von mehreren Elektrotechnikern und Physikern unabhängig voneinander vorgestellt, so 1924 von Dennis Gábor in Berlin,[1]:S.80f 1926 von Eugen Flegler in Aachen,[2] 1927 von Max Steenbeck in Kiel[1]:S.81f und 1929 von Leó Szilárd in Berlin, der ein Patent hierzu anmeldete.[1]:S.81,[3] All diesen Überlegungen folgte aber keine praktische Umsetzung. Erstmals realisiert wurde ein Zyklotron 1930 in Berkeley von Ernest O. Lawrence und seinem Doktoranden M. Stanley Livingston. Ebenfalls 1930 baute Jean Thibaud in Paris ein Zyklotron, das aber kaum Beachtung fand.[1]:S.80,101

Lawrence war zu Beginn des Jahres 1929 auf eine Veröffentlichung[4] von Rolf Wideröe gestoßen, in der dieser einen Linearbeschleuniger mit zwei Beschleunigungsstufen beschrieben hatte und die ihn zum Bau eines Zyklotrons veranlasste.[1]:S.82f,[5] Aber erst im Februar 1930 begann die Umsetzung, anfangs für kurze Zeit durch seinen Assistenten Edlefsen und ab dem Sommer durch Livingston. Im September stellte Lawrence sein Vorhaben erstmals auf einer Konferenz vor,[6] und im Dezember gelang es Livingston, mit einer Beschleunigungsspannung von nur 300 V Wasserstoff-Molekül-Ionen H 2 + {\displaystyle \mathrm {H} _{2}^{+}} {\displaystyle \mathrm {H} _{2}^{+}} auf die Energie 6 keV zu beschleunigen. Dieses erste Zyklotron hatte den maximalen Bahnradius R = 4 , 5 c m {\displaystyle R=4{,}5\,\mathrm {cm} } {\displaystyle R=4{,}5\,\mathrm {cm} } und wurde mit magnetischen Flussdichten B {\displaystyle B} B von bis zu 0,55  T betrieben. Mit einem im Januar 1931 kurzzeitig ausgeliehenen Magneten konnten 1,27 T und damit eine Ionenenergie von 80 keV erreicht werden. [7],[1]:S.87–89, 93–98

Unmittelbar darauf begannen die Arbeiten an einem zweiten, größeren Zyklotron, dem 10-inch-Zyklotron,[A 1] mit R = 11 , 5 c m {\displaystyle R=11{,}5\,\mathrm {cm} } {\displaystyle R=11{,}5\,\mathrm {cm} } und B m a x = 1 , 4 T {\displaystyle B_{\mathrm {max} }=1{,}4\,\mathrm {T} } {\displaystyle B_{\mathrm {max} }=1{,}4\,\mathrm {T} }, mit dem auch Protonen in ausreichender Zahl beschleunigt werden konnten. Im Januar 1932 konnten mit diesem Gerät Protonen nach 150 Umläufen auf vorher noch nie erreichte 1,2 MeV beschleunigt werden; die Stromstärke des Strahls betrug dabei etwa 1 nA.[8],[9]:S.28 Damit war die technische Machbarkeit für diesen Beschleunigertyp nachgewiesen, der in den ersten Jahren „Magnetresonanzbeschleuniger“ genannt wurde. Die Bezeichnung „Zyklotron“ stammt aus dem Laborjargon und wurde erst ab 1936 auch offiziell verwendet.[1]:S.84,[9]:S.31

Ein Zyklotron mit höherer Ionenenergie musste einen größeren Durchmesser haben.[A 2][1]:S.128,131 Es konnte realisiert werden, weil die Research Corporation die erheblich gestiegenen Kosten trug und Lawrence einen Magneten aus einem ausrangierten Poulsen-Sender der Federal Telegraph Company übernehmen konnte. Diese Kooperation führte bereits 1931 zur Gründung des Radiation Laboratory.[1]:Kap. III.1 In der Folge entstanden bis 1939 drei Anlagen: das 27-inch-Zyklotron[A 1] (Deuteronen mit bis zu 6 MeV), das 37-inch-Zyklotron (Deuteronen mit bis zu 8 MeV) und das 60-inch-Zyklotron (Deuteronen mit bis zu 20 MeV, Heliumkerne mit bis zu 40 MeV). Auch die Stromstärke des Strahls konnte erheblich gesteigert werden von 1 nA beim 10-inch-Zyklotron auf 150 μA beim 37-inch-Zyklotron.[1]:S.270,[9]:S.32 Diese neueren Zyklotrone erlaubten erstmals auch produktive kernphysikalische Forschung. So synthetisierte eine Gruppe um Seaborg 1940/1941 erstmals Plutonium durch den Beschuss von Uran mit Deuteronen aus dem 37-inch- und 60-inch-Zyklotron.[10] Eine andere Anwendung war schon in diesen Anfangsjahren die Krebsbehandlung mit Neutronen.[9]:S.32 Das 60-inch-Zyklotron war der Prototyp für etliche Anlagen außerhalb Berkeleys. Auch Firmen wie General Electric, Philips und BBC bauten nun Zyklotrone. 1945 gab es bereits mindestens 15 Anlagen in den USA und 10 in der restlichen Welt.[9]:S.32f

In der Sowjetunion wurde bereits 1932 auf Anregung von George Gamow und Lew Myssowski beschlossen, in Leningrad ein Zyklotron zu bauen. Fertiggestellt wurde es schließlich 1937 von diesem und Igor Kurtschatow. Es war, abgesehen von dem nicht über den ersten Schritt hinausgekommenen Zyklotron von Thibaud, der erste europäische Beschleuniger dieses Typs.[11] In Paris begann Frédéric Joliot-Curie mit dem Bau eines Zyklotrons, der sich aber durch den Zweiten Weltkrieg verzögerte. Erst nach dem Waffenstillstand zwischen Deutschland und Frankreich konnte es im Jahr 1942 unter Mitarbeit von Walther Bothe und Wolfgang Gentner fertiggestellt werden. 1943 wurde ein Zyklotron in Heidelberg in Bothes Institut aufgebaut und in Betrieb genommen; Gentner hatte in Berkeley 1938/39 Informationen und Blaupausen von Lawrence und seinen Mitarbeitern erhalten.[12]

Weiteres dazu im Link:

https://de.wikipedia.org/wiki/Zyklotron