Zyklotron

Atomphysik ist ein faszinierendes Teilgebiet der Physik. Durch Teilchenbeschleuniger kann man die Eigenschaften der kleinsten Teilchen in unserem Universum näher erforschen und Hinweise auf den Beginn sammeln. Eine Art eines Teilchenbeschleunigers, die sich Zyklotron nennt, werde ich in diesem Beitrag aus einem meiner Vorträge näher erläutern.

Definition

Teilchenbeschleuniger sind Geräte, die geladenen Teilchen kinetische Energie erteilen.
Atominstitut der Österreichischen Universitäten

Im Grunde werden Teilchen durch die wachsende kinetische Energie immer schneller und schneller, sodass sie dann später für die Forschung und Anwendung verfügbar sind.

Geschichte

Die Idee für einen kreisförmigen Teilchenbeschleuniger hatte Ernest Orlando Lawrenz im Jahre 1930. Zwei Jahre später konnte E. O. Lawrenz seine Idee mit seinem Kollegen Milton Stanley Livingston realisieren. Dieser erste Zyklotron konnte Teilchen auf eine Energie von 1,25 MeV (Mega Elektronen Volt) bringen. Ein paar Jahre später beschleunigte er Teilchen schon auf ca. 9 MeV und erhielt 1939 den Nobelpreis für seine revolutionäre Erfindung.

Aufbau

Hier sollte ein Zyklotron erscheinen... — Zyklotron Schema

Das Zyklotron besteht aus einem großen Magnetjoch, welches zwei Spulen verstärkt. Diese Spulen sind nach dem Prinzip der Helmholzspule angeordnet, sodass zwischen ihnen ein nahezu homogenes Magnetfeld herrscht. Im Mittelpunkt des Magnetfelds befinden sich zwei halbkreisförmige Duanten, die als Elektroden für den an sie angeschlossenen Hochfrequenz-Generator dienen. Die Duanten sind mit Vakuum „gefüllt“ und so angeordnet, dass sich zwischen ihnen ein homogenes elektrisches Feld ausbildet. Außerdem befindet sich zwischen den Duanten eine Ionenquelle, welche den Teilchenbeschleuniger mit geladenen Teilchen versorgt. Während des Austrittes eines Teilchens sorgt ein Deflektor für dessen korrekte Ausrichtung.

Grundprinzip

Die einzige Aufgabe des homogenen elektrischen Feldes ist es das Ion (geladenes Teilchen) zu beschleunigen. Man kann sich das wie einen Kondensator vorstellen, in dem ein Elektron von der positiv geladenen Seite angezogen wird und dadurch beschleunigt wird. Das Ion wird nun also von der Ionenquelle in das elektrische Feld abgegeben und sofort, basierend auf der Ladung (+, -), von der Seite mit der entgegengesetzten (-, +) Ladung angezogen und beschleunigt. Nach dem Eintritt in den Duanten wird das Ion durch die Lorentzkraft abgelenkt und wieder auf Kurs gebracht, sodass es wieder in das elektrische Feld fliegt, welches durch den Hochfrequenz-Generator umgepolt wurde. Das Ion wird also wieder von der anderen Seite angezogen und beschleunigt. Über die Zeit kommt es dann zu einer Spiralförmigen Bewegung, die beim Deflektor für das Ziel abgelenkt/begradigt wird.

Lorenzkraft

Kraftwirkung der Lorentzkraft in den Duanten

Die Lorentzkraft wirkt hier wie die Zentripetalkraft und kann deshalb mit dieser gleichgestellt werden, um verschiedene Berechnungen anzustellen. Man kann z. B. die Frequenz, die man am Hochfrequenz-Generator einstellen muss, für ein Teilchen mit einer bestimmten Ladung und Masse berechnen und stellt sogar fest, dass diese gar nicht von dem Radius der Duanten abhängt. Jedoch muss man bei hohen Geschwindigkeiten / kinetischen Energien relativistische Effekte in Betracht ziehen, denn die Masse des Teilchen vergrößert sich, sodass man einen Faktor braucht um die Frequenz dementsprechend zu senken. Das Problem bei einem Zyklotron ist, dass die Frequenz statisch ist, sie also nicht über die Zeit veränderbar ist. Durch das Synchrotron, die Weiterentwicklung vom Zyklotron, ist dieses Problem allerdings gelöst.

Synchrotron

Der Synchrotron beschleunigt die Teilchen nicht wie der Zyklotron auf einer Spiralbahn, sondern auf einer Kreisbahn. Die Teilchen werden durch Magnete an den Ecken fixiert. Die Beschleunigung erfolgt via elektromagnetischer Wellen (hochfrequenter Radiostrahlung) und es ist ein Vorbeschleuniger (Injektor) nötig, der den Teilchen eine Energie von ca. 50 MeV mitgeben. Die Ablenkmagnete sowie die Frequenz sind in dem Synchrotron über die Zeit veränderbar, sodass noch höhere Energien als im Zyklotron erreicht werden können.

Cern

Das CERN ist ein Forschungsinstitut für Teilchenphysik in Genf (Schweiz). Hier gibt es den LHC (Large Hadron Collider), der zurzeit mit 27 km Länge der größte Teilchenbeschleuniger der Welt ist. Am CERN sind insgesamt 10 Beschleuniger vorhanden, wovon ich vier näher erläutern werde.

LEP

Der Large Elektron-Positron Collider macht genau das, was der Name sagt. Es werden Elektronen und Positronen aufeinander geschossen und es entstehen unter anderem Z-Bosonen.

LHC

Hier im Large Hadron Collider werden Protonen auf Energien von 7 TeV (Terra Elektronen Volt) gebracht. Der Tunnel ist 27 km lang und 2012 wurde in ihm das Higgs-Boson experimentell nachgewiesen.

SPS

Im Super Positron Synchrotron werden Positronen aufeinander geschossen. Es entstehen Z-Bosonen. Außerdem wird das Quark-Gluonen-Plasma, welches angeblich kurz nach dem Urknall für eine geringe Zeit existierte, untersucht.

PS

Der Proton Synchrotron ist ein Vorbeschleuniger für den SPS. Er hat einen Durchmesser von nur 200 m, was im Vergleich zu den anderen drei Beschleunigern relativ gering ist.

Medizin

In der Medizin kommt das Zyklotron unter anderem in der Partikeltherapie zum Einsatz. Hier wird ein Hochenergetischer Protonenstrahl auf das betroffene Gewebe geschossen. Diese Methode ist millimetergenau und verschont somit umliegendes gesundes Gewebe.

Physik

In der Physik werden durch die Teilchenphysik die elementaren Gesetze unseres Universums erforscht. Wir erhoffen uns durch Forschung in den kleinsten uns bekannten Teilchen mit Teilchenbeschleunigern tiefere Einsichten in die Anfänge dieses wundervollen und mysteriösen Universums, in dem wir das Privileg haben leben zu dürfen.

Präsentation

Wie gesagt habe ich zum Thema Zyklotron einen Vortrag gehalten. Sie können sich im Folgenden das pdf mit den dazugehörigen Folien herunterladen oder ansehen.

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