Zyklotron
Physik
Basiswissen
Ein Zyklotron ist ein Teilchenbeschleuniger. Elektrisch geladene Teilchen werden werden dabei auf Kreisbahnen geführt und dabei ständig beschleunigt. Die Kreisform erlaubt mehrere hintereinander geschaltete Beschleunigungsvorgänge bei vergleichsweise kleiner Bauweise (im Vergleich zu einem Linearbeschleuniger).
Zweck
- Ein Zyklotron soll geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen.
- Die Teilchen werden dann als Strahl aus dem Zyklotron herausgeschossen.
- Normalerweise werden Ionen verwendet (keine Elektronen).
Energieniveau
- Die Bewegungsenergie erreicht etwa 10 bis 500 MeV.
Aufbau
- Man stelle sich einen sehr flachen Zylinder (Käseschachtel) vor.
- Der Zylinder steht senkrecht auf seiner runden Grundfläche.
- Schneide gedanklich diesen Zylinder senkrecht in der Mitte in zwei Hälften.
- Von oben gesehen sieht jede der zwei Hälften wie ein großer Buchstabe D aus.
- Daher kommt der englische Name "Dees" für Hälften, auf Deutsch sind es die Duanten.
- Bewege die zwei Duanten jetzt etwas auseinander. Zwischen ihnen ist jetzt ein Spalt.
Funktionsweise
- In dem Spalt zwischen den Duanten herrscht ein elektrisches Feld.
- Ein Duant ist dabei der Pluspol, der andere Duant ist der Minuspol.
- Ein Ion wird in diesem elektrischen Feld geradlinig beschleunigt.
- Wenn es den Spalt durchlaufen hat, tritt es in einen der zwei Duanten ein.
- In dem Duanten wird das Ion auf eine Halbkreisförmige Bahn gezwungen.
- Diese Umlenkung geschieht durch ein Magnetfeld über die Lorentzkraft.
- Das Magnetfeld dazu kommt von Elektromagneten über und unter den Duanten.
- Die Magnetfeldlinien gehen senkrecht durch die Duanten, von oben nach unten.
- Im Inneren eines jeden Duanten ist das elektrische Feld vernachlässigkbar schwach.
- Während der Halbkreisstrecke im Magnetfeld bleibt die kinetische Energie konstant.
- Am Ende der Halbkreisstrecke das Ion wieder an die Beschleunigungsstrecke zurück.
- Dort wurde zwischenzeitlich die Spannung umgepolt: aus plus wurde minus
- Dadurch wird das Teilchen erneute in Flugrichtung beschleunigt.
- Der Vorgang wird mehrfach wiederholt.
- Mit jedem Durchgang wird das Ion schneller.
- Damit erhöht es auch ständig seine Fliehkraft.
- Dadurch nimmt der Radius der Kreisbahn zu.
- Die Dauer für einen Halbkreisflug aber bleibt konstant.
- Am Ende hat das Ion die gewünschte Maximalgeschwindigkeit.
Wo werden Zyklotrone verwendet?
- In der Teilchenphysik ↗
Was begrenzt die Energien?
Die Grundidee eines Zyklotrons ist es, dass die Umpolfrequenz der Duanten konstant bleiben kann. Das vereinfacht die Konstruktion erheblich. Bei hohen Geschwindigkeiten müsste jedoch Einsteins Relativitätstheorie berücksichtigt werden. Bei Geschwindigkeiten in Richtung der Lichtgeschwindigkeit wäre dann die Umlaufdauer nicht mehr konstant und das einfache Bauprinzip müsste aufgegeben werden. Für Beschleunigungen bis hin zu relativistischen Geschwindigkeiten sind Zyklotrone also nicht geeignet.
Höhere Energien: Synchrotron
Sollen Teilchen auf relativististische Geschwindigkeiten beschleunigt werden, können einfache Zyklotrone nicht verwendet werden (siehe oben). Eine Alternative ist dann das sogenannte Synchrotron ↗
Auch für Elektronen: Betatron
Elektronen haben eine deutlich geringere Masse als Ionen. Um sie auf hohe Bewegungsenergien zu beschleunigen, wären Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit nötig. Das ist aber von der Bauweise eines Zyklotrons her nicht möglich (siehe oben). Die Alternative ist das sogenannte Betatron ↗
Alternativen
- Zyklotrone beschleunigen auf einer Kreisbahn.
- Alternativ kann man auch auf geraden Strecken beschleunigen.
- Dann spricht man von einem Linearbeschleuniger.
Berechnungen
- In der Schulphysik kommen Zyklotronen häufig vor.
- Siehe unter Zyklotron berechnen ↗
