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Zyklotron

 

[englisch, zu griechisch kýklos »Kreis« und -tron, Suffix zur Bezeichnung eines Geräts] das, -s/-s, auch ...'trone, ein von E. O. Lawrence 1929 erfundener und von ihm und Mitarbeitern in den 1930er-Jahren entwickelter zyklischer Beschleuniger für Protonen und schwerere Ionen, bei dem idealerweise die Ionen im konstanten Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines starken Dipolmagneten auf Kreisbahnen umlaufen, deren Radien nach dem halben Umlauf um einen bestimmten Betrag zunehmen. Die Radiuszunahme der Bahnen beruht jeweils auf einer Zunahme der kinetischen Energie der Ionen, d. h., die Ionen werden zweimal pro Umlauf beschleunigt. Die Beschleunigung erfolgt durch eine phasenrichtige elektrische Wechselspannung zwischen zwei D-förmigen Hohlelektroden, den Duanten, D's oder englisch dees, die man sich als die beiden auseinander gerückten Hälften einer flachen, längs eines Durchmessers und parallel zur Achse durchgeschnittenen kreisrunden Dose vorstellen kann. Im Spaltbereich erzeugt die Wechselspannung ein (phasenrichtiges) elektrisches Wechselfeld, durch das die Ionen beschleunigt werden. Im Innern der Elektroden ist kein elektrisches Feld vorhanden, sodass dort auf die Ionen nur das magnetische Führungsfeld wirkt. Die Elektroden befinden sich in einer zwischen die Magnetpole platzierten Vakuumkammer.

 

Ein Teilchen der Masse m und der elektrischen Ladung q, das sich mit einem Geschwindigkeitsbetrag v senkrecht zu den Feldlinien durch ein magnetisches Feld bewegt, dessen magnetische Flussdichte den Betrag B hat, wird durch die Lorentz-Kraft auf eine Kreisbahn mit dem Radius R gezwungen, deren Ebene senkrecht zu den magnetischen Feldlinien liegt. Zwischen den genannten Größen besteht dann die Beziehung v / R = qB / m. Dabei ist m = m₀ (1 — v² / c²)^-1/2 die relativistische transversale Masse (c Vakuumlichtgeschwindigkeit). Bei nichtrelativistischen Geschwindigkeiten, v em>c, bleibt in guter Näherung m konstant gleich m₀, wenn die Energie und damit die Geschwindigkeit der Teilchen zunimmt. Dann bleibt auch der Quotient v / R = ω, die Zyklotronfrequenz, konstant, und die Teilchen können mit einer Wechselspannung konstanter Kreisfrequenz beschleunigt werden, die entweder gleich ω oder gleich einem geeigneten Vielfachen davon ist (Zyklotronresonanz). Auf dieser Grundlage arbeiten die klassischen Zyklotrone. Der mit ihnen erreichbaren Endenergie der beschleunigten Teilchen (für Protonen wurden 22 MeV erreicht) ist prinzipiell durch die relativistische Massenzunahme eine Grenze gesetzt, durch die die Zyklotronfrequenz verringert wird und die Zyklotronresonanz verloren geht. Im gleichen Sinn wirkt ein für die transversale Fokussierung des Teilchenstrahls im Zyklotron erforderlicher kleiner Feldgradient, durch den die magnetische Flussdichte nach außen hin abnimmt (schwache Fokussierung, Synchrotron). Um dennoch zu höheren Energien zu gelangen, wurden zwei verschiedene Wege beschritten: Beim Synchrozyklotron wird die Frequenz der Beschleunigungsspannung entsprechend der relativistischen Massenzunahme moduliert, beim Isochronzyklotron dagegen ist der Magnet so aufgebaut, dass die durchschnittliche Flussdichte nach außen hin derart zunimmt, dass jeder Teilchenumlauf die gleiche Zeit benötigt und die Frequenz der Beschleunigungsspannung damit konstant bleiben kann. Dieses Konzept erfordert allerdings starke Fokussierung, die durch spezielle Formgebung der Polschuhe, mit Sektoren abwechselnd größerer und kleinerer Flussdichte oder sogar durch vollständige Trennung des Magneten in einzelne Sektoren erreicht wird. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden Isochronzyklotrone auch als sektorfokussierende oder FFAG-Zyklotrone bezeichnet (Abkürzung von englisch fixed field alternating gradient, »festes Feld, alternierender Gradient«). Mit diesen beiden Modifikationen werden Protonenenergien bis etwa 1 GeV erreicht. - Zyklotrone werden vielseitig eingesetzt, so als Schwerionenbeschleuniger, zur Erzeugung protonenreicher Isotope oder von Mesonen (Mesonenfabriken) sowie für chemische, biologische und medizinische Zwecke.

 

Literatur:

 

M. S. Livingston u. J. P. Blewett: Particle accelerators (New York 1962);

 

Sector-focused cyclotrons, hg. v. K. Siegbahn u. a. (Amsterdam 1962);

 A. A. Kolomensky u. A. N. Lebedev: Theory of cyclic accelerators (a. d. Russ., ebd. 1966);

 

International conference on cyclotrons and their applications, hg. v. M. Sekiguchi u. a. (Tokio 1987);

 

Cyclotrons, linacs and their applications, hg. v. S. Turner (Genf 1996).