Was ist Zyklotron?
Ein Zyklotron ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen (z. B. negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen und Ionen), der die geladenen Teilchen wiederholt verwirbelt, um ihre Geschwindigkeit zu erhöhen.
Das Zyklotron hat eine Scheibenstruktur in Form von zwei geraden Elektrodenabschnitten in Form des Buchstabens D (Dee-Elektroden), die aneinander geklebt sind, und beschleunigt die Teilchen durch Anlegen einer Potenzialdifferenz, die mit hoher Geschwindigkeit in den Spalt zwischen den Dee-Elektroden schaltet.
Anwendungen eines Zyklotrons
Zyklotrone werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, um die Auswirkungen des Beschusses eines Ziels mit beschleunigten geladenen Teilchen zu nutzen (z. B. Herstellung von natürlich vorkommenden Isotopen oder Modifizierung von Halbleitern). Ein Beispiel ist die Herstellung von kurzlebigen radioaktiv markierten Verbindungen für die PET (Positronen-Emissions-Tomographie).
Die für PET verwendeten radioaktiv markierten Verbindungen haben eine kurze Lebensdauer und müssen in Zyklotronen hergestellt werden, um einsatzfähig zu sein. In letzter Zeit werden medizinische Einrichtungen zunehmend mit kleinen Zyklotronen für PET ausgestattet.
Eine weitere Anwendung ist die Verbesserung der Leistung von Halbleitern durch Halbleiterbestrahlung. Halbleiter können durch die Bestrahlung mit geladenen Teilchen modifiziert werden, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern.
Weitere Anwendungen sind die Herstellung von Radioisotopen für SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), Forschungsradioisotope, Radiopharmazeutika und kernphysikalische Forschung.
Funktionsweise des Zyklotrons
Zyklotrone nutzen die Kraft, die auf geladene Teilchen beim Durchgang durch ein Magnetfeld ausgeübt wird (Lorentzkraft). Das Rückgrat eines Zyklotrons ist ein scheibenförmiger Abschnitt, der aus zwei De-Elektroden in Form des Buchstabens D besteht.
Die D-Elektrode wird in ein von einem Elektromagneten erzeugtes Magnetfeld gesetzt. Dies geschieht, um die Lorentzkraft für die Bewegung der Ionen zu nutzen. Wenn ein geladenes Teilchen in das Magnetfeld des Zyklotrons eingeführt wird, führt die Lorentzkraft dazu, dass sich das Teilchen krümmt und auf einer Kreisbahn bewegt. Zu diesem Zeitpunkt bewegen sie sich auf einer kreisförmigen Bahn, die der Form einer von zwei De-Elektroden gebildeten Scheibe folgt.
Nach einer halben Umkreisung der Scheibe erreicht das Teilchen eine weitere Dee-Elektrode, wobei zwischen den Elektroden eine Potenzialdifferenz entsteht, die das Teilchen beschleunigt. Wenn die Teilchen ihre halbe Umrundung abgeschlossen haben und zur ursprünglichen Elektrode zurückkehren, kann die Potenzialdifferenz umgekehrt werden, um sie erneut zu beschleunigen. Dieser Vorgang wird wiederholt, um die geladenen Teilchen zu beschleunigen.
Mit zunehmender Geschwindigkeit des geladenen Teilchens vergrößert sich der Kreiselradius, sodass das Teilchen aus dem Randbereich der Scheibe herausgezogen werden kann.
Weitere Informationen über Zyklotrone
1. Beschleunigungsgrenzen
Wenn sich die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens der Lichtgeschwindigkeit nähert, nimmt seine Masse aufgrund von Relativitätseffekten zu, sodass es schwieriger zu biegen ist. Der Radius ist daher größer als ursprünglich berechnet, und die Beschleunigung kann nicht wie ursprünglich geplant erreicht werden. Daher sind der Beschleunigung mit einem Zyklotron Grenzen gesetzt.
Daher wurden Synchrozyklotrone und Synchrotrone entwickelt. Synchrozyklotrone sind Zyklotrone, die eine Beschleunigung bis zu hohen Geschwindigkeiten ermöglichen, indem sie die Umschaltung des elektrischen Feldes entsprechend der Geschwindigkeit der Ionen verlangsamen.
Synchrotrons hingegen basieren auf einem anderen Konzept als Zyklotrone. Im Gegensatz zu Zyklotronen, die ihren Bahnradius allmählich vergrößern, beschleunigen Synchrotrons, indem sie die Stärke des Magnetfelds und die Periode der Umschaltung des elektrischen Felds ändern, wobei sie stets eine konstante Kreisbahn durchlaufen.
2. Vorteile von Zyklotrons
Zyklotrone haben zwar Einschränkungen bei der Beschleunigung, doch ein Vorteil, den Synchrotrone nicht haben, ist, dass sie Teilchen kontinuierlich beschleunigen können, indem sie sie nacheinander einschleusen.
Außerdem können sie Teilchenstrahlen mit hoher Intensität erzeugen. Diese Eigenschaften eignen sich für die Isotopenproduktion und die Modifizierung von Halbleitern, wo diese Eigenschaften erfolgreich eingesetzt werden.