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Cyclotron
M. Stanley Livingston (L) und Ernest O. Lawrence vor einem 27-Zoll-Zyklotron des Radiation Laboratory der University of California

EIN Zyklotron ist ein Rundschreiben Partikelbeschleuniger, eine Maschine, die elektrisch geladen ist (Sub)atomar Partikel (zB. Ionen, Atomkerne) ergibt eine hohe Geschwindigkeit. Die beschleunigten Partikel können verwendet werden, um ein entfernbares internes Ziel zu bestrahlen (Ziel) oder werden in einem externen Bundle zur kontrollierten Ausführung und eventuellen Beobachtung von Kollisionsprozesse. Da der Beschleunigungspfad 'aufgewickelt' ist, ist ein Zyklotron viel kompakter als ein Linearbeschleuniger, mit seinen Vor- und Nachteilen.

Operation

Die Beschleunigung erfolgt durch eine Gruppe geladener Teilchen, normalerweise von a Ionenquelle, nach Injektion in das Zentrum von a zylindrischVakuumbox Gegenstand einer Kombination aus einem vertikal fokussierten Magnetfeld, begeistert von einem starken Elektromagnet mit runden Polen und einer hohen Frequenz elektrisches Feld. Das Magnetfeld übt a Lorentzkraft auf den Partikeln, wodurch sie einer horizontalen Kreisbahn folgen. Nach einer halben Umlaufbahn der Teilchen kehrt sich das elektrische Feld um, so dass die Teilchen weiter beschleunigen. Durch die zunehmende Geschwindigkeit bewegen sich die Teilchen spiralförmig nach außen, während die Umlaufzeit zunächst gleich bleibt. Nahe dem Rand des Vakuumkastens haben die Teilchen eine Energie, die um ein Vielfaches höher ist als bei einem einzigen Durchgang des beschleunigenden elektrischen Feldes. Jetzt sofort Strahlabsaugsystem die Teilchen werden aus dem Magnetfeld heraus und in ein opto-magnetisch Strahlführungssystem zu einem Ziel transportiert.

Geschichte

Schema des Zyklotrons nach Lawrences Patent von 1934
Magnet des ersten belgischen Zyklotrons, gebaut 1947 in Heverlee.

Das Prinzip des Zyklotrons war 1929 entwickelt vom amerikanischen Physiker Ernst Lawrence[1] des Universität von Kalifornien in Berkeley. Zusammen mit Milton Stanley Livingston[2] 1931 realisierte er erstmals ein funktionierendes Zyklotron mit einem Magnetpoldurchmesser von 11,4 cm und erreichte damit eine Energie für Protonen ab 80 keV (ähnlich einem Beschleunigungsfeld von 80.000 Volt) bei einem tatsächlich genutzten Feld von 1800 Volt. Sechs Monate später erreichte er mit einem 11 Zoll (27,8 cm) Zyklotron 1 MeV. Im 1939 Lawrence führte das 60-Zoll-Zyklotron (152 cm) mit einem 200-Tonnen-Magneten und einem Strahl von 16 Zoll an MeVDeuteronen in Betrieb nehmen. Dies führte unter anderem zur Entdeckung künstlicher transuranische Elemente, wie Neptunium und Plutonium.

Da die von Zyklotronen erreichbare Energie zunahm, konnten ständig neue Phänomene entdeckt werden. Beim Streben nach höherer Teilchenenergie musste berücksichtigt werden relativistische Effekte: Die Teilchen werden mit zunehmender Geschwindigkeit und Energie „schwerer“, wodurch die Umlaufzeit in einem konstanten Magnetfeld bei Beschleunigung zunimmt. Dies kann einerseits durch Variation der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes (Frequenzmodulation) über einen Zeitraum, in dem ein Teilchenstoß vom Zentrum auf die äußere Umlaufbahn beschleunigt wird. So wird neben dem klassischen Zyklotron das Synchrozyklotron und der Synchrotron. Hier werden die kurzfristigen Partikelexplosionen in relativ langen Abständen abgegeben. Andererseits kann der mittlere Verlauf des Magnetfeldes nach außen so erhöht werden, dass die Umlaufzeit konstant bleibt (isochrones Zyklotron). In diesem Fall wird ein konstanter Partikelstrahl erzeugt. Ohne besondere Vorkehrungen zeigt der Strahl immer noch den „Unterbau“ von Gruppen gemeinsam beschleunigter Teilchen in Form von scharfen Spitzen mit der Periode des hochfrequenten elektrischen Feldes. Etwa 1940 begann Berkeley mit der Entwicklung eines Synchrozyklotrons mit einem Durchmesser von 184 Zoll (467 cm) für Beschleunigungsenergien über 100 MeV, das – verzögert durch den Zweiten Weltkrieg – in 1946 wurde abgeschlossen. Im Forschungsprogramm mit dieser Maschine wurden viele wichtige Entdeckungen gemacht und bahnbrechende Messdaten gesammelt. Dieses Modell wurde als Ausgangspunkt für die Konstruktion zahlreicher Zyklotrone an anderer Stelle verwendet.

Um die Strahlintensität (Anzahl der beschleunigten Teilchen pro Sekunde) zu erhöhen, wurde neben Verbesserungen der Ionenquelle und des Vakuums der Beschleunigungsprozess manchmal zweigeteilt. Zwei Zyklotrone arbeiten dann 'in Reihe'. Das zweite Zyklotron startet die Beschleunigung bei der Endenergie des ersten. Ein spezielles Sektormuster in der Stärke seines Magnetfeldes macht dieses Zyklotron nicht nur isochron, sondern sorgt gleichzeitig dafür, dass die Anzahl der gemeinsam als Gruppe beschleunigten Teilchen viel größer sein kann (starker Fokus). Um die Abmessungen und Betriebskosten zu minimieren, erzeugen moderne Zyklotrone zunehmend das Magnetfeld durch die Verwendung von a supraleitend Elektromagnet.

Zyklotrone unterschiedlichster Größe, Strahlenergie, Strahlintensität und zu beschleunigender Teilchenart kamen in der zweiten Hälfte des 20 Kernphysik und Teilchenphysik und Anwendungen davon. 2009 werden die leistungsstärksten Zyklotrone im TRIUMF[3] im Vancouver, Kanada, und das Paul Scherrer Institut (PSI)[4] Biene Zürich, Schweiz. Ab den 1950er Jahren wurden auch kleine Tischzyklotrone für verschiedene Anwendungen der Kernphysik gebaut, zunächst mit Strahlenergien von etwa 10 MeV. Heute wird an möglichst kleinen, billigen und effizienten Hochintensitätsgeräten mit Energien von mehreren zehn MeV gearbeitet, insbesondere für die Synthese von Radioisotope, von Strahlentherapie und Materialanalyse.

Zyklotrone in den Niederlanden

1952
Wochenschau von 1966. Die Eröffnung der Zyklotron-Brauerei der Freie Universität im Amsterdam Buitenveldert.

In den Niederlanden begann die N.V. Philips Gloeilampenfabrieken bereits vor dem Zweiten Weltkrieg mit der Entwicklung eines Zyklotrons auf Basis der Ergebnisse in Berkeley. Dies führte kurz nach dem Krieg unter der Führung von F.A. Heyn (Delft) und C.J. Bakker (später erster Direktor von CERN) werden mit dem Bau eines Zyklotrons in einer ehemaligen Gasfabrik in Amsterdam begonnen. 1949 wurde dieses erste europäische Zyklotron dem Ich O (später Nikhef) wurde in Amsterdam in Betrieb genommen. Inzwischen wurde das Design auf ein Synchrozyklotron umgestellt, so dass die erreichte Energie und Strahlintensität höher als ursprünglich erwartet ausfallen konnte. Bis in die 1970er Jahre produzierte dieses Zyklotron Strahlen von unter anderem 26 MeV Deuteronen und 50 MeV Protonen, die für ein Forschungsprogramm in program Kernspektroskopie, Radiochemie und Kernreaktionen. Eine bemerkenswerte technische Entwicklung im Zyklotron von 1964 betrifft eine kugelförmige Detektoranordnung, BOL, die seinerzeit als Pionier der simultanen und allseitigen (in Zufall) Messung mehrerer nuklearer Teilchen, die bei nuklearen Kollisionen emittiert werden.

In den Niederlanden wurden Zyklotrone auch an Universitäten und Forschungsinstituten in Eindhoven (TU/e), Amsterdam (VU), Kappen (NRG) und Groningen (KVI).

Das letzte, derzeit modernste Forschungszyklotron der Niederlande, AGOR (Accelerator Groningen-ORsay),[5] wurde in Zusammenarbeit zwischen KVI und dem Institut de Physique Nucléaire (IPN) entworfen und gebaut,[6] wo in Frankreich gebaut wurde. Nach dem Test wurde der Beschleuniger zerlegt und nach Groningen verlegt. Seit Anfang 1996 produziert AGOR Teilchenstrahlen von leichten und schweren Ionen für die wissenschaftliche Forschung. Das Zyklotron ist mit externen Ionenquellen ausgestattet. Es gibt mehrere große experimentelle Detektionssysteme für die Kernphysikforschung am KVI, die in Verbindung mit unterstützender Ausrüstung verwendet werden können. Die größte Anlage ist TRIµP, die zum „Einfangen“ von mit AGOR produzierten radioaktiven Ionen bestimmt ist.

Das alte Philips-Zyklotron der VU, das 1964 in Betrieb genommen wurde, diente ab Ende der 1980er Jahre nicht mehr der Forschung, sondern hauptsächlich der Herstellung von Radionukliden für medizinische Zwecke. Mittlerweile gibt es drei moderne, kleine IBA-Zyklotrone aus den Jahren 1997, 2004 und 2010.[7] Im Jahr 2013 wurde ein Zyklotron im MCA (Medizinisches Zentrum Alkmaar) wurde in Betrieb genommen. Hier werden verschiedene PET-Tracer für die medizinische Diagnostik hergestellt. In Nimwegen (Radboudumc) wurde 2015 auch ein Zyklotron installiert.[8]

Siehe auch

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