3.

Zyklotron

Der amerikanische Physiker Ernest O. Lawrence erhielt im Jahr 1939 den Physik-Nobelpreis für die Entwicklung des Zyklotrons, eines ringförmig konstruierten Teilchenbeschleunigers. Dieser ähnelt vom Arbeitsprinzip her einem Linearbeschleuniger. Allerdings ist beim Zyklotron die Bahn, auf der sich die Teilchen bewegen, kreisförmig (Ringbeschleuniger) oder zu einer engen Spirale geformt. Mit Hilfe eines Hochleistungs-Elektromagneten erzeugt man ein senkrecht zu den Flugbahnen der Teilchen verlaufendes Magnetfeld (siehe Magnetismus). Damit hält man die Teilchen auf der gekrümmten Bahn. Zwischen den Polschuhen des Magneten liegt die Vakuumkammer, in der die Beschleunigung stattfindet. Dort befinden sich zwei halbkreisförmige Elektroden, die Duanten. Sie sehen im Querschnitt wie der Buchstabe D aus und werden deshalb auch D’s oder englisch Dees genannt. Sie sind mit der geraden Linie, also Rücken an Rücken, aneinandergesetzt:  D. Jedes Mal, wenn die Teilchen die Lücken zwischen den D’s passieren, werden sie beschleunigt. Während die Teilchen mehr und mehr Energie aufnehmen, wird der Durchmesser ihrer spiralförmigen Bahn immer weiter. Sie gelangen schließlich an den Rand des Beschleunigers und verlassen ihn.

Die Beschleunigung der Teilchen wird durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Je näher die Geschwindigkeit der Teilchen an die Geschwindigkeit des Lichtes angrenzt, desto drastischer nimmt ihre Masse zu. Nach der Relativitätstheorie würde die Masse bei Lichtgeschwindigkeit unendlich groß sein. In den ersten Zyklotronen kamen die Beschleunigungsstöße in der Lücke der Dees zum jeweils falschen Zeitpunkt. In diesem Zusammenhang entwickelten der russische Physiker Wladimir I. Weksler und der amerikanische Physiker Edwin M. McMillan das Synchrozyklotron. Ihre technische Neuheit stellten sie im Jahr 1945 der Fachwelt vor. Das Synchrozyklotron arbeitet nach einem frequenzmodulierten Prinzip. Bei diesem Zyklotronmodell wird der Generator mit Hilfe der Radiofrequenz, die auch die Teilchen beschleunigt, automatisch gesteuert. Durch diese Arbeitsweise erfolgen die Beschleunigungsstöße im richtigen Takt. Den Frequenztakt verlangsamt man in dem Maß, in dem die Masse der Teilchen zunimmt. Für höhere maximale Energien muss logischerweise das Synchrozyklotron auch größer sein, denn die Radien der Teilchen nehmen ja mit größerer Energie zu. Mit einem Ringdurchmesser von sechs Metern zählt das Phasotron im russischen Dubna-Institut für Kernforschung zu den größten Synchrozyklotronen der Welt. Es beschleunigt Protonen auf mehr als 700 Megaelektronenvolt, und seine Magnete wiegen fast 7 000 Tonnen.

Das derzeit leistungsfähigste Zyklotron, das K 1200, ging 1988 am National Superconducting Cyclotron Laboratory an der Universität von Michigan (USA) in Betrieb. Hier erreichen die Atomkerne etwa acht Gigaelektronenvolt.