Wissenschaft

Was ist ein Zyklotron?

Die Geschichte der Teilchenphysik ist eine Geschichte der Suche nach immer kleineren Materiestücken. Als Wissenschaftler tief in die Zusammensetzung des Atoms eintauchten, mussten sie einen Weg finden, es zu spalten, um seine Bausteine ​​zu sehen. Diese werden als „Elementarteilchen“ bezeichnet. Es erforderte viel Energie, um sie aufzuteilen. Dies bedeutete auch, dass Wissenschaftler neue Technologien entwickeln mussten, um diese Arbeit zu erledigen.

Zu diesem Zweck entwickelten sie das Zyklotron, eine Art Teilchenbeschleuniger, der ein konstantes Magnetfeld verwendet, um geladene Teilchen zu halten, wenn sie sich in einem kreisförmigen Spiralmuster immer schneller bewegen. Schließlich treffen sie ein Ziel, was dazu führt, dass Physiker Sekundärteilchen untersuchen können. Zyklotrons werden seit Jahrzehnten in hochenergetischen physikalischen Experimenten verwendet und sind auch bei medizinischen Behandlungen für Krebs und andere Erkrankungen nützlich.

 

Die Geschichte des Zyklotrons

Das erste Zyklotron wurde 1932 von Ernest Lawrence in Zusammenarbeit mit seinem Studenten M. Stanley Livingston an der University of California in Berkeley gebaut. Sie platzierten große Elektromagnete in einem Kreis und entwickelten dann einen Weg, um die Partikel durch das Zyklotron zu schießen, um sie zu beschleunigen. Diese Arbeit brachte Lawrence 1939 den Nobelpreis für Physik ein. Zuvor war der verwendete Hauptteilchenbeschleuniger ein linearer Teilchenbeschleuniger, kurz  Iinac . Der erste Linac wurde 1928 an der Universität Aachen in Deutschland gebaut. Linacs werden heute noch verwendet, insbesondere in der Medizin und als Teil größerer und komplexerer Beschleuniger.

Seit Lawrences Arbeiten am Zyklotron wurden diese Testeinheiten auf der ganzen Welt gebaut. Die University of California in Berkeley baute mehrere davon für ihr Strahlenlabor, und die erste europäische Einrichtung wurde im russischen Leningrad am Radium Institute eingerichtet. Eine weitere wurde in den ersten Jahren des Zweiten Weltkriegs in Heidelberg gebaut.

Das Zyklotron war eine große Verbesserung gegenüber dem Linac. Im Gegensatz zum Linac-Design, bei dem eine Reihe von Magneten und Magnetfeldern erforderlich war, um die geladenen Teilchen in einer geraden Linie zu beschleunigen, bestand der Vorteil des kreisförmigen Designs darin, dass der geladene Teilchenstrom weiterhin durch dasselbe Magnetfeld fließt, das von den Magneten erzeugt wird immer und immer wieder ein bisschen Energie gewinnen. Wenn die Teilchen Energie gewinnen, bilden sie immer größere Schleifen um das Innere des Zyklotrons und gewinnen mit jeder Schleife mehr Energie. Schließlich wäre die Schleife so groß, dass der Strahl energiereicher Elektronen durch das Fenster hindurchtreten würde und an diesem Punkt in die Beschusskammer eintreten würde, um sie zu untersuchen. Im Wesentlichen kollidierten sie mit einer Platte, die Partikel in der Kammer verteilte.

Das Zyklotron war der erste der zyklischen Teilchenbeschleuniger und bot eine viel effizientere Möglichkeit, Teilchen für weitere Untersuchungen zu beschleunigen.

 

Zyklotrons in der Moderne

Zyklotrons werden heute noch für bestimmte Bereiche der medizinischen Forschung verwendet und haben eine Größe von ungefähr Tischdesigns bis hin zu Gebäuden und größeren Größen. Ein anderer Typ ist der  Synchrotronbeschleuniger. der in den 1950er Jahren entwickelt wurde und leistungsstärker ist. Die größten Zyklotrons sind das TRIUMF 500 MeV-Zyklotron. das noch an der Universität von British Columbia in Vancouver, British Columbia, Kanada, in Betrieb ist, und das supraleitende Ringzyklotron im Riken-Labor in Japan. Es ist 19 Meter breit. Wissenschaftler verwenden sie, um die Eigenschaften von Partikeln zu untersuchen, von etwas, das als kondensierte Materie bezeichnet wird (wo Partikel aneinander haften.

Modernere Teilchenbeschleunigerkonstruktionen, wie sie beim Large Hadron Collider vorhanden sind, können dieses Energieniveau bei weitem übertreffen. Diese sogenannten „Atomzerstörer“ wurden gebaut, um Teilchen auf sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, da Physiker immer kleinere Materiestücke suchen. Die Suche nach dem Higgs-Boson ist Teil der Arbeit des LHC in der Schweiz. Weitere Beschleuniger gibt es im Brookhaven National Laboratory in New York, im Fermilab in Illinois, im KEKB in Japan und in anderen. Dies sind sehr teure und komplexe Versionen des Zyklotrons, die sich alle dem Verständnis der Teilchen widmen, aus denen die Materie im Universum besteht.

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