Zyklotronen

Zyklotronen sind Teilchenbeschleuniger, die geladene Teilchen in einer spiralförmigen Bahn durch ein statisches Magnetfeld und ein hochfrequentes elektrisches Feld beschleunigen. Typische Träger sind Protonen oder leichte Ionen wie Deuteronen. Der Aufbau umfasst einen luftleeren Kammerraum, zwei gegenläufige Halbellipsenstrukturen, die Dees genannt werden, sowie einen starken Magneten, der die Teilchenkurve ablenkt. Zwischen den Dees wird ein RF-Signal angelegt, das das Teilchen jedes Mal beim Passieren der Spalte beschleunigt.

Das Zyklotron beruht auf dem Prinzip der Umlaufzeit f = qB/(2πm). Bei niedrigen Energien bleibt die Umlaufzeit nahezu konstant, sodass das Beschleunigungssignal die Teilchen zuverlässig beim Durchlaufen der Spalte trifft. Mit wachsender Energie nehmen Masseeffekte zu, und die Frequenz verändert sich. Um dies auszugleichen, gibt es isochronische Zyklotronen mit einem gezielt variierenden Magnetfeld oder Systeme, die die RF-Frequenz anpassen (Synchrocyclotron).

Es gibt verschiedene Typen: das klassische Zyklotron mit konstantem Magnetfeld, das isochronische Zyklotron, das durch Magnetfeldkontur eine konstante Umlaufzeit erhält, sowie das Synchrocyclotron mit adaptiver RF-Frequenz. Neuere Konstruktionen verwenden zusätzlich abgedrehte Sektoren und geänderte Feldgeometrien, um höhere Endenergien zu ermöglichen oder den Strahl schneller zu extrahieren.

Anwendungen umfassen vor allem die Produktion radioaktiver Isotope für medizinische Bildgebung, insbesondere 18F, 11C und 13N für PET-Scans. Zyklotronen werden auch in der Grundlagenforschung, in der Materialprüfung und, in Form spezialisierter Systeme, in der Protonentherapie eingesetzt, wo hochenergetische Protonen Tumore bestrahlen.

Historisch gehören Zyklotronen zu den frühesten Beschleunigern. Der erste Prototyp wurde in den 1930er Jahren von Ernest O. Lawrence und M. Stanley entwickelt. Der Name bezieht sich auf die spiralförmige Bahnbeschreibung. Heute bleiben Zyklotronen in Wissenschaft, Medizin und Industrie weit verbreitet, oft als kompakte, kosteneffiziente Lösung für hochenergetische Protonen und Radionuklide.