Was ist ein Zyklotron?
Ein Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der ein konstantes Magnetfeld und wechselnde elektrische Felder verwendet, um ein Teilchen in einer Spiralbewegung zu beschleunigen. Diese Arten von Teilchenbeschleunigern gehörten zu den ersten, die entwickelt wurden, und haben gegenüber frühen Linearbeschleunigern mehrere Vorteile, wie z. B. geringere Größenanforderungen. Während Fortschritte in der Technologie komplexere Arten von Teilchenbeschleunigern möglich gemacht haben, gibt es immer noch einige Verwendungen für Zyklotrons auf einer Reihe von verschiedenen Gebieten. Ein Zyklotron kann immer noch für physikalische Experimente verwendet werden, insbesondere als früher Bestandteil eines mehrstufigen Beschleunigers.
Ein Zyklotron wurde 1932 entwickelt und ist ein Teilchenbeschleuniger, der eine kreisförmige Bewegung verwendet, typischerweise in einer nach außen wachsenden Spirale, um Teilchen für eine Reihe von verschiedenen Anwendungen zu beschleunigen. Die Teilchenbeschleunigung erfordert in der Regel eine relativ große Entfernung, damit die Teilchen für die Verwendung in Experimenten eine ausreichende Geschwindigkeit erreichen. Die Konstruktion eines Zyklotrons ermöglicht es jedoch, kleinere Beschleuniger mit großer Wirkung einzusetzen, da sich das Teilchen in einer Kreisbewegung bewegt und eine große Strecke zurücklegt, ohne dass ein langer gerader Korridor für den Durchgang erforderlich ist.
Bei einem Zyklotron werden im Prinzip zwei Hochleistungselektroden verwendet, die jeweils die Form eines „D“ haben und mit den flachen Seiten zueinander weisen, um eine vollständige Kreisform zu erzeugen. Beginnend in der Mitte des Kreises beginnt sich ein Partikel von der Mitte weg zu bewegen, aber durch Anziehung und Abstoßung wird es stattdessen in eine kreisförmige Bewegung gezogen. Die Dioden wechseln ihre Ladung, so dass das Teilchen in Richtung einer beschleunigt wird, sich dann dreht, wenn es von dieser weggedrückt und in Richtung der anderen angezogen wird, und dann das Muster zwischen den beiden Elektroden fortsetzt. Dies würde eine perfekte Kreisbewegung erzeugen, wenn es in Ruhe gelassen würde, aber es wird ein Magnetfeld zwischen den beiden Dioden erzeugt, das senkrecht zur Kreisbewegung des Teilchens ist.
Dieses Magnetfeld verschiebt die Bewegung des Partikels geringfügig, sodass es bei jedem Durchgang zwischen den beiden Elektroden ein Stück vom Mittelpunkt des Kreises entfernt wird. Indem Sie das Teilchen leicht nach außen bewegen, wird der Weg, den es während der Beschleunigung nimmt, eher zu einer nach außen wachsenden Spirale als zu einem Kreis. Dies ermöglicht es dem Partikel, schließlich auf einen Zielbereich im Inneren der Containment-Einheit zu treffen, wo es dann zur weiteren Untersuchung oder Verwendung weitergeleitet werden kann.
Einer der Hauptnachteile eines Zyklotrons besteht darin, dass die Zielfläche nur für ein Teilchen verwendet werden kann, das sich mit Geschwindigkeiten fortbewegt, die mit der Newtonschen Physik richtig berechnet werden können. Höhere Geschwindigkeiten würden zu relativistischen Effekten führen, und das Ziel würde nicht richtig getroffen, was bedeutet, dass ein Zyklotron normalerweise nicht die Beschleunigungspegel erzeugen kann, die neuere Linearbeschleuniger können. Es wurden jedoch isochrone Zyklotrons entwickelt, die relativistische Änderungen des Partikels ausgleichen und sehr effektiv sein können.