In diesem Video geht es um den vereinfachten Aufbau und die Funktionsweise eines Zyklotrons. Ein Zyklotron dient dazu Teilchen platzsparend auf spiralähnlichen Bahnen zu beschleunigen und gezielt auf ein Objekt zu lenken. Mithilfe eines Zyklotrons kann man im Vergleich zu einem Linearbeschleuniger viel Platz sparen. Ein Zyklotron besteht aus zwei halbkreisförmigen Zylindern. Auf der Ober- und Unterseite der Zylinder sind sehr starke Elektromagneten, die innerhalb der Duanten für ein homogenes Magnetfeld sorgen. Die beiden halbkreisförmigen Zylinder nennt man Duanten. Zwischen den beiden Zylindern ist eine Ionenquelle, die z. B. positiv geladene Alphastrahlung emittiert. Die Duanten sind von Innen hohl und es herrscht ein Vakuum. In Duant Nummer 1 ist eine Ablenkelektrode verbaut und eine Öffnung.
Um den Weg eines positiv geladenen Alphateilchens sichtbar zu machen, nehmen wir die Elektromagnete einmal weg und machen die Duanten ein wenig durchsichtig. Die Duanten sind mit einer Wechselspannungsquelle verbunden. Zunächst ist der rechte Duant negativ und der linke Duant positiv geladen. Ein Alphateilchen verlässt nun die Ionenquelle und wird vom negativ geladenen Duant angezogen. Das positiv geladene Alphateilchen bewegt sich senkrecht zum Magnetfeld der Elektromagneten. Das Magnetfeld zeigt in das Bild hinein, also in Richtung der unteren Seiten der Duanten. Auf Ladungen, die sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegen wirkt die Lorentzkraft. Da es sich in diesem Fall um ein positiv geladenes Teilchen handelt muss man die 3-Finger-Regel der rechten Hand verwenden, um die Richtung der Lorentzkraft zu bestimmen. Zu Beginn zeigt die Lorentzkraft nach oben. Die Lorentzkraft verändert nun nach und nach ihre Richtung, da sich die Bewegungsrichtung der Alphateilchen auch ändert. Dadurch wird das Alphateilchen auf eine Kreisbahn. Innerhalb eines Duanten wird das Alphateilchen nicht beschleunigt, da der Bereich innerhalb eines Duanten feldfrei ist. Jedoch bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Duanten. Kurz bevor das Alphateilchen den rechten Duanten verlässt, werden die Duanten aufgrund der anliegenden Wechselspannung entgegengesetzt geladen. Nun ist der rechte Duant positiv und der linke Duant negativ geladen. Das Alphateilchen beschleunigt nun in Richtung des linken Duanten. Innerhalb des linken Duanten zwingt die Lorentzkraft das Alphteilchen wieder auf eine Kreisbahn. Da sich das Alphateilchen nun schneller durch das Magnetfeld bewegt, wirkt auch eine größere Lorentzkraft. Da das Alphateilchen nun schneller ist, ist aber auch der Radius seiner Kreisbahn und damit der zurückzulegende Weg des Teilchens größer. Deshalb kann die Frequenz der anliegenden Wechselspannung konstant bleiben, da die Zeit eines Teilchens innerhalb eines Duanten sich nicht verändert. Kurz bevor das Alphateilchen den linken Duanten verlässt, werden die Duanten aufgrund der anliegenden Wechselspannung wieder entgegengesetzt geladen. Nun ist der rechte Duant negativ und der linke Duant positiv geladen. Das Alphateilchen beschleunigt nun in Richtung des rechten Duanten.
Irgendwann ist das Alphateilchen nun so schnell, dass es einen so großen Bahnradius hat, dass es nahe an der Ablenkelektrode vorbeifliegt. Die Ablenkelektrode ist negativ geladen und zieht das Alphateilchen weg von der Kreisbahn, direkt durch die Öffnung. Nun kann man dieses schnelle Alphateilchen gezielt auf ein Objekt auftreffen lassen.
7 сен 2024
