Zyklotron

Kreisförmiger Teilchenbeschleuniger.

Das Zyklotron ist ein Kreisbeschleuniger, der aus zwei D-förmigen Kammern besteht. Zwischen diesen Kammern liegt eine wechselnde Beschleunigungsspannung an. Diese wird von elektrisch geladenen Teilchen immer wieder durchlaufen und kann diese mit jedem Umlauf weiter beschleunigen, weil die Teilchen durch ein Magnetfeld auf eine Spiralbahn gezwungen werden.

Das Zyklotron kann nur bei nicht-relativistischen Teilchen verwendet werden (deswegen meist Protonen, keine Elektronen), weil es sonst zu Taktlosigkeiten kommt und die Beschleunigungsspannung nicht mehr in die richtige Richtung zeigt. Maschinen, die diesen Effekt ausgleichen heißen Synchrozyklotrons. Bei ihnen ändert sich die Stärke des Magnetfeldes mit der Zeit. Andere Weiterentwicklungen des Zyklotronprinzips kommen im Mikrotron und Betatron zum Einsatz.

Zyklotronfrequenz

Als Zyklotronfrequenz bezeichnet man die Frequenz, mit der ein elektrisch geladenes Teilchen in einem Zyklotron (oder einem anderen gleichförmigen Magnetfeld) seine Runden zieht. Sie ergibt sich, wenn man die Zentrifugalkraft mit der Lorentzkraft gleichsetzt:

Entwicklung und Einsatz

1930 schlug Ernest Orlando Lawrence das Prinzip des Zyklotrons erstmals vor. Ende desselben Jahres hielt er dann auch schon das Exemplar in Händen.

Es hatte einen Durchmesser von rund 9 Zentimetern und beschleunigte Protonen auf eine Energie von 80.000 Elektronenvolt. DESYs Teilchenbeschleuniger HERA schafft das Zehnmillionenfache.

Der erste Kreisbeschleuniger: das Zyklotron.

Energien, die man in einem Zyklotron erreichen kann.

Gehen wir davon aus, dass sich die Geschwindigkeit der Teilchen noch weit unter der des Lichts bewegt. Dann gilt für die Bewegungsenergie Auf der anderen Seite gilt für die Bahn des Teilchens, dass Lorentz-Kraft und Radialbeschleunigung im Gleichgewicht sind: Bei einem Proton, einem Magnetfeld von 1,6T und einem Zyklotronradius von 0,3m ergibt dies beispielsweise 11 Millionen Elektronenvolt.