Was ist zyklotron?

Zyklotron

Ein Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Es wurde 1934 von Ernest Lawrence an der University of California, Berkeley erfunden. Es basiert auf dem Prinzip, dass ein geladenes Teilchen, das sich in einem konstanten und homogenen Magnetfeld bewegt, eine Kreisbewegung ausführt. Die Frequenz dieser Kreisbewegung, die sogenannte Zyklotronfrequenz, hängt nur von der Ladung des Teilchens, der magnetischen Feldstärke und seiner Masse ab, nicht aber von seiner Geschwindigkeit.

Funktionsweise:

Das Zyklotron besteht im Wesentlichen aus zwei D-förmigen, hohlen Metallelektroden, auch "Dees" genannt, die in einem Vakuum angeordnet sind und sich in einem homogenen Magnetfeld befinden, das senkrecht zur Ebene der Dees ausgerichtet ist. In der Mitte zwischen den Dees befindet sich eine Ionenquelle, die geladene Teilchen erzeugt.

1. Beschleunigung: An die Dees wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt. Wenn sich ein geladenes Teilchen im Spalt zwischen den Dees befindet, wird es durch das elektrische Feld beschleunigt.
2. Kreisbewegung: Sobald das Teilchen in einen der Dees eintritt, wirkt nur noch das Magnetfeld, das es in einer Kreisbahn ablenkt. Die Teilchen legen in den Dees einen Halbkreis zurück.
3. Wiederholte Beschleunigung: Beim Verlassen des Dees wird das Teilchen erneut durch das elektrische Feld im Spalt beschleunigt, da die angelegte Frequenz mit der Zyklotronfrequenz übereinstimmt. Dadurch nimmt die Geschwindigkeit und somit auch der Radius der Kreisbahn zu.
4. Spiralbahn: Dieser Prozess wiederholt sich, und das Teilchen bewegt sich in einer spiralförmigen Bahn nach außen, bis es schließlich am Rand des Zyklotrons extrahiert und für Experimente verwendet wird.

Wichtige Komponenten und Prinzipien:

• Dees: https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Dees (Die D-förmigen Elektroden, in denen sich die Teilchen kreisförmig bewegen.)
• Magnetfeld: https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Magnetfeld (Das konstante Magnetfeld lenkt die Teilchen in einer Kreisbahn ab.)
• Hochfrequenz-Wechselspannung: https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Hochfrequenz-Wechselspannung (Beschleunigt die Teilchen im Spalt zwischen den Dees.)
• Zyklotronfrequenz: https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Zyklotronfrequenz (Die Frequenz, mit der sich die Teilchen im Magnetfeld bewegen. Diese ist konstant.)

Anwendungen:

Zyklotrone werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt:

• Kernphysik: Für die Durchführung von Kernreaktionen und die Erzeugung von Radioisotopen.
• Medizin: Für die Erzeugung von Radioisotopen für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und für die Strahlentherapie von Krebs.
• Materialwissenschaft: Für die Ionenimplantation zur Modifizierung von Materialoberflächen.

Begrenzungen:

Die klassische Zyklotron-Theorie, die besagt, dass die Zyklotronfrequenz konstant ist, gilt nur für Teilchengeschwindigkeiten, die deutlich unterhalb der Lichtgeschwindigkeit liegen. Bei relativistischen Geschwindigkeiten nimmt die Masse des Teilchens zu, was zu einer Abnahme der Zyklotronfrequenz führt. Dies begrenzt die maximal erreichbare Energie in einem klassischen Zyklotron. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wurden Synchrozyklotrone entwickelt.