Was ist ein Zyklotron?

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Die Geschichte von Teilchenphysik ist eine Geschichte über die Suche nach immer kleineren Materiestücken. Als Wissenschaftler tief in die Zusammensetzung des Atoms eintauchten, mussten sie einen Weg finden, es zu spalten, um seine Bausteine ​​zu sehen. Diese werden als "Elementarteilchen" bezeichnet. Es erforderte viel Energie, um sie aufzuteilen. Dies bedeutete auch, dass Wissenschaftler neue Technologien entwickeln mussten, um diese Arbeit zu erledigen.

Zu diesem Zweck entwickelten sie das Zyklotron, eine Art Teilchenbeschleuniger, der ein konstantes Magnetfeld verwendet, um geladene Teilchen zu halten, während sie sich in einem kreisförmigen Spiralmuster immer schneller bewegen. Schließlich treffen sie ein Ziel, was dazu führt, dass Physiker Sekundärteilchen untersuchen können. Zyklotrons werden seit Jahrzehnten in hochenergetischen physikalischen Experimenten verwendet und sind auch bei medizinischen Behandlungen für Krebs und andere Erkrankungen nützlich.

Die Geschichte des Zyklotrons

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Das erste Zyklotron wurde 1932 von Ernest Lawrence in Zusammenarbeit mit seinem Studenten M. an der University of California in Berkeley gebaut. Stanley Livingston. Sie platzierten große Elektromagnete in einem Kreis und entwickelten dann einen Weg, um die Partikel durch das Zyklotron zu schießen, um sie zu beschleunigen. Diese Arbeit brachte Lawrence 1939 den Nobelpreis für Physik ein. Zuvor war der verwendete Hauptteilchenbeschleuniger ein linearer Teilchenbeschleuniger. Iinac kurz gesagt. Der erste Linac wurde 1928 an der Universität Aachen in Deutschland gebaut. Linacs werden heute noch verwendet, insbesondere in der Medizin und als Teil größerer und komplexerer Beschleuniger.

Seit Lawrences Arbeiten am Zyklotron wurden diese Testeinheiten auf der ganzen Welt gebaut. Die University of California in Berkeley baute mehrere davon für ihr Strahlenlabor, und die erste europäische Einrichtung wurde im russischen Leningrad am Radium Institute eingerichtet. Ein weiterer wurde in den ersten Jahren des Zweiten Weltkriegs in Heidelberg gebaut.

Das Zyklotron war eine große Verbesserung gegenüber dem Linac. Im Gegensatz zum Linac-Design, bei dem eine Reihe von Magneten und Magnetfeldern erforderlich war, um die geladenen Teilchen in einer geraden Linie zu beschleunigen, ist der Vorteil des Kreises Das Design war, dass der geladene Teilchenstrom immer wieder durch dasselbe Magnetfeld fließt, das von den Magneten erzeugt wird, und jedes Mal ein bisschen Energie gewinnt so. Wenn die Teilchen Energie gewinnen, bilden sie immer größere Schleifen um das Innere des Zyklotrons und gewinnen mit jeder Schleife mehr Energie. Schließlich wäre die Schleife so groß, dass der Strahl energiereicher Elektronen durch das Fenster treten würde und an diesem Punkt zur Untersuchung in die Beschusskammer eintreten würde. Im Wesentlichen kollidierten sie mit einer Platte, die Partikel in der Kammer verteilte.

Das Zyklotron war der erste der zyklischen Teilchenbeschleuniger und bot eine viel effizientere Möglichkeit, Teilchen für weitere Untersuchungen zu beschleunigen.

Zyklotrons in der Moderne

Zyklotrons werden heute noch für bestimmte Bereiche der medizinischen Forschung verwendet und haben eine Größe von ungefähr Tischdesigns bis hin zu Gebäudegrößen und größer. Ein anderer Typ ist der Synchrotron Beschleuniger, in den 1950er Jahren entwickelt und ist leistungsstärker. Die größten Zyklotrons sind die TRIUMF 500 MeV Cyclotron, das noch an der Universität von British Columbia in Vancouver, British Columbia, Kanada, und am supraleitenden Ringzyklotron im Riken-Labor in Japan in Betrieb ist. Es ist 19 Meter breit. Wissenschaftler verwenden sie, um die Eigenschaften von Partikeln zu untersuchen, von so genannter kondensierter Materie (wo Partikel aneinander haften.

Modernere Teilchenbeschleunigerkonstruktionen, wie sie beim Large Hadron Collider vorhanden sind, können dieses Energieniveau bei weitem übertreffen. Diese sogenannten "Atomzerstörer" wurden entwickelt, um Teilchen auf sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, da Physiker immer kleinere Materiestücke suchen. Die Suche nach dem Higgs-Boson ist Teil der Arbeit des LHC in der Schweiz. Weitere Beschleuniger gibt es im Brookhaven National Laboratory in New York, im Fermilab in Illinois, im KEKB in Japan und in anderen. Dies sind sehr teure und komplexe Versionen des Zyklotrons, die sich alle dem Verständnis der Teilchen widmen, aus denen die Materie im Universum besteht.

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