Beschleuniger
und Speicherringe - Kreisbeschleuniger
Bei der Weiterentwicklung der Linearbeschleuniger
sollten Teilchen auf immer größere Energien beschleunigt werden. Um
dies zu erreichen, wurden die Beschleunigungsstrecken immer länger.
Schließlich wurden die LINAC`s zu groß. Man kam daher auf die Idee, die zu beschleunigenden
Teilchen auf eine Kreisbahn zu lenken, um so die verwendete Beschleunigungsstrecke
immer wieder durchlaufen zu können.
Zyklotron
Ernest
Orlando Lawrence schlug das Prinzip des Kreisbeschleunigers erstmals 1930
vor. Ende 1930 baute er das erste Zyklotron.
Es beschleunigte Protonen auf eine Energie von 80 keV, sein Durchmesser betrug etwa 9 cm (s. Abb. rechts).
Funktionsweise des
Zyklotron
Ein
Zyklotron besteht aus zwei Dipolmagneten, die in der Abbildung über-
und unterhalb der gestrichelten Kreislinie angebracht sind. Zwischen den
Magneten befinden sich zwei D-förmige- Elektroden (Dee, gelbe Halbkreisflächen), eine
Ionenquelle und ein Deflektor. Die Dipolmagnete erzeugen ein möglichst
homogenes, senkrecht zur Zeichenebene stehendes Magnetfeld (ca. 2 Tesla).
Im Spalt zwischen den Magneten befindet sich die Ionenquelle, hier werden
die zu beschleunigenden Teilchen erzeugt. Sie werden durch eine
an den Dees anliegende Wechselspannung (ca. 10 MHz) beschleunigt.
Die
Frequenz der Wechselspannung muss so gewählt werden, dass beim Durchfliegen
des Spalts die Dees so gepolt sind, dass die Teilchen
durch das dort herrschende elektrische Feld beschleunigt werden.
Auf Grund der höheren Geschwindigkeit, die die Teilchen
nun besitzen, wird der
Bahnradius größer.
Die Zeit zwischen zwei Spaltdurchläufen
bleibt dabei immer exakt dieselbe, so dass das Zyklotron mit einer konstanten
Wechselspannungs- frequenz betrieben werden kann.
Am Rand des Zyklotrons
ist ein Deflektor angebracht. An ihn kann eine Spannung angelegt werden,
um den Strahl aus dem Magnetfeld zu lenken.
Mausklick in linke Abbildung startet Video-Animation
Das
klassische Zyklotron wurde zur Beschleunigung von Protonen, Deuterium
und a-Teilchen
verwendet. Dabei konnten Protonen und Deuterium auf eine Energie von 22 MeV,
a-Teilchen
auf 44 MeV beschleunigt werden.
Mit heutigen Spezialformen des Zyklotrons lassen sich Teilchenenergien von bis zu 600 MeV erreichen.
Da mit
zunehmender Teilchenenergie der Bahnradius immer größer wird,
muss für eine hohe Endenergie ein dement- sprechend großes
Zyklotron gebaut werden. Erhöht man hingegen mit steigender Teilchenenergie
passend die
Magnetfeldstärke, so bleibt der Bahnradius konstant und man erhält
ein kompaktes Beschleunigungssystem. Dieses Prinzip wird beim Betatron
verwendet.
Den Aufbau eines
Betatrons sehen wir auf der nächsten Seite.
Die
Frequenz der Wechselspannung muss so gewählt werden, dass beim Durchfliegen
des Spalts die Dees so gepolt sind, dass die Teilchen
durch das dort herrschende elektrische Feld beschleunigt werden.
