cyklotron

En ladet partikel, fx en proton eller en ion, begynder i midten af cyklotronen, hvor den accelereres af en elektrisk spænding. Et kraftigt magnetfelt får partiklen til at bevæge sig i cirkelbane i stedet for langs en ret linje. For hver halve omgang accelereres partiklen, så den opnår større fart og dermed større kinetisk energi. Med større fart bliver partiklens cirkelbane også større. Fra den største cirkelbane (og dermed den største energi) sendes partiklen ud af cyklotronens magnetfelt med høj energi.

Cyklotronen udnytter det princip, at en ladet partikel, der bevæger sig på tværs af et konstant magnetfelt, afbøjes i en cirkelbane. Cirklens radius er proportional med partiklens hastighed, og omløbsfrekvensen er derfor den samme for alle cirkelbaner (cyklotronfrekvensen). Magnetfeltet opretholdes med to store magnetspoler.

Cyklotronens indre er opdelt i to dele, adskilt af et gab. Hen over gabet er lagt en elektrisk spænding. Hvis spændingsforskellen har modsat fortegn af partiklens ladning (fx negativ spænding og en positiv partikel), vil den ladede partiel partikel blive accelereret hen mod den anden side af gabet.

For at partiklen kan accelereres mere end én gang benyttes en vekselspænding af samme frekvens som omløbsfrekvensen. Efter sin acceleration bevæger partiklen sig i en cirkelbane, og efter en halv omgang kommer den igen til gabet. Men undervejs er spændingen vekslet, så spændingsforskellen mellem de to sider vender nu den modsatte vej, og partiklen bliver igen accelereret.

Som et billede på princippet kan man forestille sig en kuglebane i to dele, forbundet med et elastisk mellemstykke (svarende til gabet). De to halvdele af kuglebanen skiftes til at være oppe og nede, med en frekvens afpasset sådan, at hver gang en kugle kommer til kanten (gabet mellem de to dele), vil kuglens side være oppe og den anden side være nede. Dermed triller kuglen hver gang nedad.

For hver halve omgang øges farten af partiklen (eller kuglen i kuglebane-billedet), og næste cirkelbane har lidt større radius. Over mange cirkelbaner opnår en partikel derfor meget høj fart og øger radius i deres bevægelse, indtil de når yderkanten af cyklotronen og kan ekstraheres og sendes videre via et vakuum-rør til eksperimenterne eller mod target.

Cyklotronens indre er under vakuum for at undgå, at partiklerne stoppes af kollisioner med luftmolekyler.

Gennem 1920'erne havde man accelereret ladede partikler ved hjælp af lange og ubekvemme lineære acceleratorer. Den første cyklotron blev opbygget af den amerikanske fysiker Ernest Orlando Lawrence i 1930'erne, og med udviklingen af den kunne man nu få de ladede partikler til at bevæge sig i spiralformede baner. Selvom Lawrences første cyklotron kun var ca. 10 cm i diameter, var den samlede "spiralvejlængde" på flere kilometer, og partiklerne opnåede energier på 13 kiloelektronvolt (keV). Han modtog Nobelprisen i fysik i 1939 for sin opfindelse.

På Ernest Orlando Lawrences forskellige laboratorier byggede man efterhånden større og større cyklotroner, som producerede hundredvis af nye radioaktive isotoper, herunder transuraner.

Danmark var meget tidligt med i udviklingen, og i 1938 blev en cyklotron taget i brug ved Institut for Teoretisk Fysik (senere Niels Bohr Institutet) i København blandt de første i Europa.

• accelerator
• cyklotronstråling
• elektroncyklotronresonans
• GANIL