Zyklotron
Ein Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der 1930 von Ernest Lawrence von der Universität von Kalifornien, Berkeley, erfunden wurde. Es beschleunigt geladene Teilchen, indem es sie im Kreis herumwirbelt. Die ersten Zyklotrons hatten die Größe einer Hand. Einige moderne Kreisbeschleuniger verwenden einen Kreis, der so groß wie eine Stadt ist.
Zyklotronen verwenden ein senkrechtes Magnetfeld, um Elektronen und Teilchen durch ein angelegtes elektrisches Feld in eine halbkreisförmige Bahn zu biegen. Das angelegte elektrische Feld beschleunigt die Elektronen zwischen den "D"-Elektroden (auch "Dees" genannt) des Magnetfeldbereichs.
Das beschleunigende elektrische Feld kehrt sich genau zu dem Zeitpunkt um, an dem die Elektronen ihren Halbkreis beenden, so dass es sie über die Lücke hinweg beschleunigt. Mit einer höheren Geschwindigkeit bewegen sie sich in einem größeren Halbkreis. Nachdem sie diesen Vorgang mehrmals wiederholt haben, kommen sie mit hoher Geschwindigkeit aus der Austrittsöffnung heraus.
Ein modernes Zyklotron für die Strahlentherapie
Zyklotron-Frequenz
Eine sich bewegende Ladung in einem Zyklotron bewegt sich unter dem Einfluss eines konstanten Magnetfeldes auf einer Kreisbahn. Wenn die Zeit zur Vollendung einer Umlaufbahn berechnet wird:
T = 2 π r v = 2 π m v q B v = 2 π m q B {\displaystyle T={\frac {2\pi r}{v}}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}}={\frac {2\pi m}{qB}} 
.
Es wird festgestellt, dass die Periode unabhängig vom Radius ist. Wenn also eine Rechteckwelle mit der Kreisfrequenz qB/m angelegt wird, wird sich die Ladung spiralförmig nach außen bewegen und an Geschwindigkeit zunehmen.
Wenn eine Rechteckwelle mit der Kreisfrequenz ω=qB/m zwischen den beiden Seiten der Magnetpole angelegt wird, wird die Ladung genau zum richtigen Zeitpunkt wieder verstärkt, um sie über den Spalt zu beschleunigen. Auf diese Weise kann die konstante Zyklotronfrequenz die Ladung weiter beschleunigen (solange sie nicht relativistisch ist).
Fragen und Antworten
F: Was ist ein Zyklotron?
A: Ein Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen beschleunigt, indem er sie in einem Kreis herumwirbelt.
F: Wer hat das Zyklotron erfunden?
A: Ernest Lawrence von der University of California in Berkeley erfand das Zyklotron im Jahr 1930.
F: Wie funktioniert ein Zyklotron?
A: Zyklotrons nutzen ein senkrechtes Magnetfeld, um Elektronen und Teilchen durch ein angelegtes elektrisches Feld auf eine halbkreisförmige Bahn zu lenken. Das angelegte elektrische Feld beschleunigt die Elektronen zwischen den "D"-Elektroden (auch "Dees" genannt) des Magnetfeldbereichs. Das beschleunigende elektrische Feld kehrt sich genau zu dem Zeitpunkt um, an dem die Elektronen ihren Halbkreis beenden, so dass es sie über den Spalt hinweg beschleunigt. Mit einer höheren Geschwindigkeit bewegen sie sich in einem größeren Halbkreis. Nachdem sie diesen Vorgang mehrere Male wiederholt haben, treten sie mit hoher Geschwindigkeit aus der Ausgangsöffnung aus.
F: Wie groß waren die frühen Zyklotrons?
A: Die frühen Zyklotrons waren so groß wie eine Hand.
F: Wie groß sind moderne Kreisbeschleuniger?
A: Einige moderne Kreisbeschleuniger verwenden einen Kreis, der so groß wie eine Stadt ist.
F: Welche Art von Feld wird in Zyklotrons verwendet?
A: Zyklotrone verwenden ein senkrechtes Magnetfeld, um Elektronen und Teilchen durch ein angelegtes elektrisches Feld auf eine halbkreisförmige Bahn zu lenken.
F: Wie werden die Elektronen in einem Zyklotron beschleunigt?
A: Die Elektronen werden zwischen den "D"-Elektroden (auch "Dees" genannt) des Magnetfeldbereichs durch ein angelegtes elektrisches Feld beschleunigt.
