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Zyklotron erfunden - Geschichte

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Das Zyklotron, auch Atomzertrümmerer genannt, wurde von Ernest Lawrence, einem amerikanischen Physiker an der University of California in Berkely, erfunden. Der Teilchenbeschleuniger, wie er auch genannt wurde, ermöglichte fortgeschrittene Forschung in den Bereichen Biologie und Physik. 1939 erhielt Lawrence für seine Arbeiten den Nobelpreis für Physik.

Geschichte

Die University of Chicago war eine der ersten Universitäten mit einem akademisch installierten Zyklotron (1968). Diese oben abgebildete Maschine und das von ihr unterstützte Programm hatten eine lange und geschichtsträchtige Geschichte in der Radiochemie und Instrumentierung. Forscher wie Katherine Lathrop, Paul Harper, Robert (Bob) Beck und andere boten eine reiche Palette von Forschungsinteressen. Die meiste Geschichte der Anfänge des Department of Radiology der University of Chicago finden Sie hier Verknüpfung.

Katherine Lathrop, ein Mitglied des Manhattan-Projekts, war ein wichtiges Mitglied des Teams der University of Chicago, das Anfang der 1960er Jahre 99 Mio. Tc als Radiotracer in der Nuklearmedizin in die klinische Praxis einführte. Diese radioaktive Substanz wird heute in den Vereinigten Staaten zehntausendmal täglich und weltweit zehnmillionenmal pro Jahr bei nuklearmedizinischen Untersuchungen verwendet, die darauf abzielen, Tumore oder Stoffwechselstörungen zu erkennen. Harper und Lathrop entwickelten auch die kommerzielle Methode zur Herstellung von 125 I, einem anderen häufig verwendeten diagnostischen Radionuklid. Sie starb 2005.

Das Zyklotron CS-15 wurde 1968 installiert und lief 30 Jahre lang. Es war in einem Gewölbe im Untergeschoss des Frank McLean Institute untergebracht. Die Radiochemie wurde im Stockwerk darüber durchgeführt, wo sich ein PET-Scanner befand. Die CS-15 wurde 1997 aufgrund von Änderungen im gesponserten Forschungsschwerpunkt des DOE außer Dienst gestellt. Erneutes Interesse in den frühen 2000er Jahren, ein Radiochemieprogramm rund um ein neues, hochmodernes Zyklotron zu starten.

Bilder des neuen Zyklotrons finden Sie im Galerie . Um zu sehen, wie das Zyklotron in seinen Tresorraum bewegt wurde, sehen Sie sich an Einsetzen des Zyklotrons Video.


Robert R. Wilson, Physikprofessor in Harvard und Designer des Harvard-Zyklotrons, schlug als erster vor, Protonen zur Behandlung von Krebs zu verwenden.

Robert R. Wilson war ein amerikanischer Physiker, der für seine Arbeit am Manhattan-Projekt während des Zweiten Weltkriegs bekannt war. Er war Mitglied des Teams, das die Atombombe entwickelte, und leitete später eine riesige Gruppe von Physikern, die das Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) außerhalb von Chicago konzipiert, entworfen, gebaut und betrieben hat.

Obwohl Wilson ein engagierter Wissenschaftler war, war er auch ein engagierter Verfechter der Menschenrechte und setzte sich für die friedliche Nutzung der Atomenergie ein, die er mit seiner Entfesselung unterstützte. Das Oklahoma Proton Center ist ein Beispiel für diese friedliche Nutzung.

Robert Wilsons Beitrag zur Protonentherapie wurde in einer 1946 veröffentlichten Veröffentlichung manifestiert. Mit dem Titel „Radiological Use of Fast Protons“ (Radiology 1946:47:487-91) legte der Artikel die Grundlagen und Techniken fest, die heute noch am Oklahoma Proton Zentren und Protonentherapiezentren weltweit.

Robert Rathbun Wilson (4. März 1914 – 16. Januar 2000)

Das Berkeley Radiation Laboratory führte umfangreiche Studien zu Protonen durch und bestätigte Wilsons Vorhersagen. 1954 behandelten sie den ersten Patienten mit Protonen. Die Forscher begannen, das volle Potenzial der Isolierung von Protonen zur Behandlung von Krankheiten zu erkennen. Ein erweitertes Verständnis der Teilchenbeschleunigung, der Protonenstrahlen und ihrer Strahlenbehandlungsanwendung hat verbesserte Ergebnisse für Patienten gezeigt, bei denen viele Krebsarten diagnostiziert wurden. Wilson gilt als “der Vater der Protonentherapie” für all seine Forschungen und Bemühungen, die Protonentherapie voranzutreiben.

Lawrences 60-Zoll-Zyklotron mit Magnetpolen von 60 Zoll Durchmesser am Lawrence Radiation Laboratory der University of California (1939), dem damals leistungsstärksten Beschleuniger der Welt. Bild eines modernen Zyklotrons im Oklahoma Proton Center, mit dem Protonen auf mehr als zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Behandlung von Krebserkrankungen beim Menschen eingesetzt werden.


Zyklotron erfunden - Geschichte

Lawrence erfindet das Zyklotron
1931

Foto: Vier-Zoll-Zyklotron mit Kupferummantelung, eines der einfachsten Modelle von Ernest Lawrence

Als Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) in Physik promovierte, war das heißeste Thema das Bombardieren des Atomkerns, um zu sehen, welche neuen Teilchen er produzieren könnte. Ernest Rutherford hatte erst kürzlich gezeigt, dass das Auftreffen auf das Atom eines Elements dieses dazu bringen kann, Elektronen zu emittieren und sich in ein anderes Element zu verwandeln.

Lawrence trat 1928 der Physikfakultät der University of California (Berkeley) bei und war von dieser neuen Physik fasziniert. Bisher nutzten die Menschen Alphateilchen (das Produkt natürlicher Radioaktivität) und Protonen (Wasserstoffatome mit einer positiven Ladung von 1), um andere Atome zu bombardieren. Aber sie hatten dieses Forschungsfeld so gut wie ausgeschöpft. Um mehr zu erfahren, brauchten sie einen künstlichen Weg, um diese Teilchen auf höhere Energie zu beschleunigen. Mehrere Beschleuniger wurden erfunden, um dem bombardierenden Teilchen einen enormen "Kick" an elektrischem Potential zu verleihen. Aber es schien, dass Sie einen Kick von etwa 1 Million Volt benötigen würden, um die erforderliche Beschleunigung zu erreichen, und eine Maschine zu bauen, die dieser Kraft standhält, war fast unmöglich.

Zu dieser Zeit las Lawrence zufällig eine deutsche Veröffentlichung, in der ein Linearbeschleuniger beschrieben wurde, der die Energie eines Teilchens mit elektrischen Wechselfeldern schrittweise erhöht. Dies erhöhte zwar die Geschwindigkeit des Teilchens, aber um es wirklich auf die gewünschte Energie zu bringen, hätte der Beschleuniger unpraktisch lang sein müssen. Lawrence wusste, dass ein Magnetfeld die geladenen Teilchen in eine gekrümmte Bahn lenken würde. Indem er die Teilchen spiralförmig bewegte, konnte er ihre Energie jedes Mal, wenn sie eine Elektrode umkreisten, Stück für Stück steigern. Die kreisförmige Maschine könnte in einen Raum passen. Die Partikel würden sich spiralförmig nach außen drehen, wenn sie mehr Energie gewinnen, und wenn sie sich schnell genug bewegen, würden sie mit erstaunlicher Kraft aus dem Gerät in einen Kollektor schießen.

Die Universität gab Lawrence im Jahr 1930 grünes Licht für den Bau dessen, was er das Zyklotron nannte. Mit einigen Doktoranden probierte er eine Reihe verschiedener Aufbauten aus. Sie hatten Erfolg mit Elektroden, einem Hochfrequenzoszillator mit 10 Watt, einem Vakuum, Wasserstoffionen und einem 10 cm Elektromagneten. Der ganze Apparat war ziemlich klein. Mit einem größeren Magneten konnte Lawrences Team 1931 80.000 Elektronenvolt und später im selben Jahr mit einem 25-cm-Zyklotron 1 Million Elektronenvolt erzeugen. Zyklotrone wurden sukzessive größer, mit neuen und unterschiedlichen Kapazitäten. Ein 69-cm-Zyklotron könnte Ionen beschleunigen, die sowohl Protonen als auch Neutronen enthalten. Damit stellten die Forscher künstliche Radioisotope wie Technium und Kohlenstoff-14 her, die in der Medizin und der Tracerforschung verwendet werden. 1939 wurde ein 152-cm-Gerät für medizinische Zwecke verwendet und Lawrence erhielt den Nobelpreis für Physik. 1940 wurde mit der Arbeit an einer 467-cm-Maschine begonnen, aber der Zweite Weltkrieg unterbrach ihre Entwicklung. Lawrences Team konzentrierte sich auf die Produktion des für die Atombombe benötigten Uran-235.

Die Entwicklung des Zyklotrons und das Wachstum von Lawrences Radiation Laboratory hatten enorme Auswirkungen auf die Wissenschaft und ihre Arbeitsweise. Dieses neue Werkzeug konnte den Atomkern untersuchen und bot Anwendungen in der Medizin und der chemischen Forschung. Es leitete die moderne Ära der Hochenergiephysik ein. Aber es leitete auch die Ära der "Big Science" ein - eine neue Art, wissenschaftliche Arbeit zu organisieren. Die Versorgung und Pflege dieser immer größeren, komplexeren und teureren Werkzeuge erforderte mehr Personal und vor allem mehr Geld. Regierungen und Unternehmen erkannten, dass sie an solchen Forschungen beteiligt waren und sprangen als Geldgeber ein.

Ernest Lawrence starb 1958. 1961 wurde Element 103 entdeckt und ihm zu Ehren "Lawrencium" genannt.


Zyklotron erfunden - Geschichte

J ohn D. Cockcroft und Ernest Walton vom Cavendish Laboratory in Cambridge, England, suchte durch eine Vorhersage der Quantenmechanik einen Weg in den Kern. George Gamow hatte vorgeschlagen, dass ein Teilchen mit zu wenig Energie die elektrische Abstoßung des Kerns durch die Barriere überwinden könnte. (Der Trick war, dass die Energie des Teilchens nach dem Heisenbergschen Unschärfeprinzip nicht genau definiert war). 1930 verwendeten Cockcroft und Walton einen 200-Kilovolt-Transformator, um Protonen durch eine gerade Entladungsröhre zu beschleunigen, kamen jedoch zu dem Schluss, dass Gamows Tunneln nicht funktionierte und beschlossen, höhere Energien zu suchen.

Um den Kern zu durchdringen, bauten Cockcroft und Walton einen Spannungsvervielfacher, der einen komplizierten Stapel von Kondensatoren verwendete, die durch Gleichrichterdioden als Schalter verbunden waren. Durch Öffnen und Schließen von Schaltern in der richtigen Reihenfolge konnten sie ein Potenzial von 800 Kilovolt aus einem Transformator von 200 Kilovolt aufbauen. Sie nutzten das Potenzial, um Protonen durch eine evakuierte Röhre mit einer Länge von zwei Metern zu beschleunigen. 1932 setzten sie ein Lithium-Target am Ende der Röhre und fanden heraus, dass Protonen einen Lithiumkern in zwei Alphateilchen zerlegten. Ein sowjetisches Team in Charkow fand einige Monate später das gleiche Ergebnis.


Robert Van de Graaff.


Cockcroft-Walton-Beschleuniger.


Wissenschaftler arbeiten an a
Van de Graaff-Generator.

Der Van-de-Graaff-Generator

Robert Van de Graaff arbeitete als Ingenieur für die Alabama Power Company, bevor er seinen Ph.D. in Physik in Oxford. Als Postdoktorand in Princeton konzipierte er ein Gerät zum Aufbau einer Hochspannung mit einfachen elektrostatischen Prinzipien. Ein Gürtel aus Isoliermaterial leitet Elektrizität von einer Punktquelle zu einem großen isolierten kugelförmigen Leiter. Ein anderer Gürtel liefert ebenfalls Elektrizität der entgegengesetzten Ladung an eine andere Kugel. Die Kugeln bauen ein Potential auf, bis das elektrische Feld die Luft bricht und ein riesiger Funke "überspringt". Bis 1931 konnte Van de Graaff eine Kugel auf 750 Kilovolt aufladen, was 1,5 Megavolt Unterschiede zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Kugeln ergab.

Durch die Vergrößerung des Kugelradius konnte Van de Graaff höhere Spannungen ohne Lichtbogenbildung erreichen. Theoretisch entsprach die maximale Spannung in Megavolt ungefähr dem Radius der Kugel in Fuß. Bald plante er ein Paar Kugeln mit einem Durchmesser von 15 Fuß.

Lawrences Notizen zu Wideröumles Papier.

Der Linearbeschleuniger

D ie Schwierigkeiten bei der Wartung hohe Spannungen veranlassten mehrere Physiker, Teilchen zu beschleunigen, indem sie mehr als einmal eine niedrigere Spannung verwenden. Lawrence erfuhr im Frühjahr 1929 von einem solchen Plan, als er eine Ausgabe von Archiv für Elektrotechnik, eine deutsche Zeitschrift für Elektroingenieure. Lawrence las Deutsch nur mühsam, wurde aber für seinen Fleiß belohnt: Er fand einen Artikel des norwegischen Ingenieurs Rolf Wideröumle, dessen Titel er mit „Über ein neues Prinzip zur Erzeugung höherer Spannungen“ übersetzen konnte erklärte das Prinzip und Lawrence übersprang den Text.

Rechts: Die Diagramme von Rolf Wideröumle, die eine Methode zur Beschleunigung von Ionen beschreiben, haben Ernest Lawrence zur Erfindung des Zyklotrons inspiriert.

Teilchen mit positiver elektrischer Ladung werden durch ein negatives Potential in die erste zylindrische Elektrode gezogen, wenn sie aus dem Rohr austreten, wechselt das Potential auf positiv, was sie mit einem zweiten Schub von der Elektrode wegschleudert. Das Hinzufügen von Lücken und Elektroden kann das Schema auf höhere Energien erweitern.

Das Zyklotron

D er Linearbeschleuniger erwies sich für schwere Ionen wie Quecksilber als nützlich, aber leichtere Projektile (wie Alpha-Teilchen) erforderten eine viele Meter lange Vakuumröhre. Lawrence hielt das für unpraktisch. Stattdessen dachte er daran, die Partikel mithilfe eines Magnetfelds in eine Kreisbahn zu biegen, um sie wiederholt durch dieselbe Elektrode zu schicken.

Einige schnelle Berechnungen zeigten, dass ein solches Gerät die Gesetze der Elektrodynamik nutzen könnte. Die Zentripetalbeschleunigung eines geladenen Teilchens in einem senkrechten Magnetfeld B ist evB/c, wobei e die Ladung, v die Geschwindigkeit des Teilchens und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die mechanische Zentrifugalkraft auf das Teilchen beträgt mv 2 /r, wobei m die Masse und r der Radius seiner Bahn ist. Das Ausbalancieren der beiden Kräfte für eine stabile Umlaufbahn ergibt die sogenannte Zyklotrongleichung: v/r = eB/mc.

Lawrence stellte überrascht fest, dass die Rotationsfrequenz eines Teilchens unabhängig vom Bahnradius ist: f = v/2 r = eB/2mc, wobei r aus der Gleichung verschwindet. Die kreisförmige Methode würde es somit ermöglichen, dass ein elektrisches Feld, das sich mit einer konstanten Frequenz abwechselt, Teilchen auf immer höhere Energien katapultiert. Mit zunehmender Geschwindigkeit nahm auch der Radius ihrer Umlaufbahn zu. Jede Drehung würde die gleiche Zeit in Anspruch nehmen, um die Partikel im Schritt mit dem Wechselfeld zu halten, während sie sich spiralförmig nach außen bewegen.

A n elektrisches Feld mit einer Frequenz von etwa vier Millionen Zyklen pro Sekunde lag im Bereich der kurzen Funkwellen. Lawrences Erfahrung mit diesen Wellen würde sich als nützlich erweisen, und die jüngsten Fortschritte bei Hochleistungs-Vakuumröhren-Oszillatoren wären unverzichtbar. In Kombination mit einem vernünftigen Magnetfeld könnte ein Potential an den Elektroden von nur zehntausend Volt ein Alphateilchen auf eine Million Elektronenvolt beschleunigen. Größere Magnete versprachen höhere Energien. Theoretisch bot das Schema den lang gesuchten Weg, um den Kern zu untersuchen. Lawrence drängte Studenten und Professoren, seine Berechnungen zu bestätigen und entwarf ein Gerät.


Lawrence und das Zyklotron: die Geburt der großen Wissenschaft

Eine offizielle Ankündigung der International Union of Pure and Applied Chemistry, die am 30. Dezember 2015 veröffentlicht wurde, lässt die Wissenschaftler immer noch vor Aufregung summen. Die siebte Reihe des Periodensystems ist offiziell vollständig, dank der Hinzufügung der Elemente 113, 115, 117 und 118 (mit den temporären Namen ununtritium, ununpentium, ununseptium bzw. ununoctium). Es brauchte viele Experimente mit verschiedenen Teilchenbeschleunigern aus verschiedenen Ländern, aber die ganze Arbeit hat sich endlich gelohnt. Aber was hat diese Arbeit mit sich gebracht? Da Uran das letzte natürlich vorkommende Element ist, werden alle nachfolgenden Elemente künstlich hergestellt. Um diese Elemente zu synthetisieren, muss ein Atom in ein anderes zerschmettert und die Spaltprodukte überwacht werden. Der Trick bei der Erzeugung eines synthetischen Elements besteht darin, der Kollision genügend Energie zu geben. Heute haben wir viele fortschrittliche Beschleuniger in allen Formen und Größen, um dies zu erreichen PLUS EINS Studieren &ndash und alles begann mit einem Mann namens Ernest Orlando Lawrence.

Lawrence und das Strahlenlabor

An der Ostküste der San Francisco Bay liegt Berkeley, Kalifornien, eine Stadt, die für ihr Essen, ihren Aktivismus und ihre Wissenschaft bekannt ist. Tatsächlich hat die University of California, Berkeley (UC Berkeley) so viele Nobelpreisträger hervorgebracht, dass sie Parkplätze auf dem Campus reserviert haben. UC Berkeley behauptet 22 Nobelpreisträger und 29 Nobelpreisträger Alumni. Der erste Preisträger der UC Berkeley war Lawrence, der Erfinder des Zyklotrons.

Abbildung 1. Schema eines Zyklotrons. Bild von Wikimedia Commons erhalten. Bild ist gemeinfrei. Unbekannter Autor.

Im Jahr 1928 wurde Lawrence, ein gebürtiger South Dakota mit einem Doktortitel der Yale University, als Assistenzprofessor für Physik an der UC Berkeley angestellt. Er betrat eine Welt, in der Physik-, Chemie- und Ingenieurabteilungen völlig getrennt waren und sich ihre Mitglieder nie vermischten. Aber eines Tages kritzelte er eine Idee auf eine Serviette, die die Geschichte verändern würde. Diese Idee würde nicht nur den Weg für die Elementarentdeckung ebnen, sondern auch zu einer multidisziplinären Zusammenarbeit und zu dem führen, was Lawrence als &ldquobige Wissenschaft bezeichnete, ein Begriff, mit dem er Projekte wie den Large Hadron Collider und das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory beschreiben würde.

Seine Idee war, einem Teilchen Energie zuzuführen, ohne hohe Spannungen zu verwenden. Um ein Teilchen zu beschleunigen, brauchte man damals einen Linearbeschleuniger. Linearbeschleuniger benötigen jedoch hohe Spannungen, da das elektrische Feld nur einmal Energie auf das Teilchen übertragen kann. Dies begrenzt die Beschleunigung, die in einer linearen Konfiguration erreicht werden kann. Lawrence erkannte, dass die Verwendung eines Kreisbeschleunigers dieses Problem lösen könnte. Das gleiche elektrische Feld könnte verwendet werden, um Teilchen mehr als einmal zu beschleunigen. Lawrence entwickelte ein Gerät, das er damals „Proton-Karussell&rdquo (Ernest Lawrence&rsquos Cyclotron) nannte.

Das Zyklotron

Abbildung 2. Der von Lawrence gebaute Prototyp des Zyklotrons. Ausgestellt in der Lawrence Hall of Science. Bild von Deb McCaffrey.

Lawrences Idee war (relativ gesehen) einfach. Er benutzte starke Magnete, um ein senkrechtes Magnetfeld zu erzeugen, das Partikel auf einer kreisförmigen Bahn antreiben würde. Er enthielt die Partikel in zwei Metalldees, zwei Metallstücken, die so geformt waren, als ob sie eine Scheibe umschließen würden. Die Dees waren jedoch durch eine entscheidende Lücke getrennt. Wenn die Dees durch einen HF-Strom polarisiert wurden, versorgten sie das Teilchen jedes Mal mit Energie, wenn es die Lücke überquerte. Dies würde dazu führen, dass die kreisförmige Bahn zu einer nach außen gerichteten Spiralbahn wird, wobei sich das Teilchen auf dem Weg beschleunigt. Schließlich würde das Teilchen auf sein Ziel treffen und verschiedene nukleare Prozesse könnten ablaufen. Sein erstes Gerät bestand aus „Draht und Siegellack und kostete wahrscheinlich insgesamt 25 US-Dollar.&rdquo (Über: Lawrence Hall of Science.) Sein nächstes Modell, das erste funktionsfähige Gerät, ist in der Lawrence Hall of Science in Berkeley ausgestellt. Das Gerät wurde als Zyklotron bekannt.

Jedes Mal, wenn Lawrence ein funktionsfähiges Zyklotron entwarf, nahm er sofort ein größeres Zyklotron ins Visier. Um jedoch mit dem Hochskalieren seiner Geräte in Laborgröße zu beginnen, benötigte er Hilfe von Ingenieuren. Er freundete sich mit einem Elektroingenieur an der UC Berkeley namens Leonard Fuller an, der ihn mit den benötigten Magneten versorgen würde. Er freundete sich auch mit Gilbert Lewis an. Lewis war für die Chemieabteilung der UC Berkeley das, was Lawrence für die Physikabteilung war, außer dass Lewis nie den Nobelpreis erhielt. (Laut Coffey liegt dies daran, dass Lewis mit anderen nett gespielt hat, insbesondere mit dem Nobelkomitee.) Lewis entdeckte auch Deuteronen, ein entscheidendes Teilchen bei den Entdeckungen des Zyklotrons. Mit Hilfe von Fuller und Lewis konnte Lawrence ein 27-Zoll-Zyklotron bauen. Dieses Gerät war so groß, dass es nicht mehr ins Labor passte. Lawrence gründete in einem anderen Gebäude das Radiation Laboratory, um seine Zyklotrone unterzubringen. Latimer Hall steht heute dort, wo einst das &ldquoRad Lab&rdquo stand.

Abbildung 3. Das 37-Zoll-Zyklotron in der Lawrence Hall of Science. Foto von Deb McCaffrey.

Die Nuklearwissenschaft ist geboren

Als das Rad Lab in Betrieb war, machten sich Lawrence und &ldquo[seine] Jungs&rdquo (Ernest Lawrence Exhibit) schnell daran, Entdeckungen zu machen. Das 27-Zoll-Zyklotron wurde als 37-Zoll-Zyklotron umgestaltet. Dieses 37-Zoll-Gerät lieferte das erste künstliche Element: Technetium. Es war auch ein wichtiger Teil des Manhattan-Projekts, in dem das Rad Lab Uran-235 magnetisch abtrennen konnte und so den Weg für die Bombe ebnete, die auf Hiroshima abgeworfen wurde. Das 37-Zoll-Zyklotron ist noch immer vor der Lawrence Hall of Science zu sehen.

Natürlich waren 37 Zoll immer noch groß genug für Lawrence. Er half seinem Bruder, ein 60-Zoll-Zyklotron zu bauen, das Kohlenstoff-14 entdecken und Neptunium und Plutonium synthetisieren sollte. Sein Meisterwerk war jedoch das 184-Zoll-Zyklotron, das er nach Erhalt des Nobelpreises baute. Es überrascht nicht, dass dieses Gerät eine noch größere Einrichtung erfordern würde. Dafür wurde auf dem Hügel über dem Campus ein Gebäude mit markantem Kuppeldach errichtet. Ein weiterer Knackpunkt war, dass die Geschwindigkeiten sich der Grenze nähern würden, an der die spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt werden muss. Das Gerät musste zu einem Synchrozyklotron umgebaut werden. Die beiden wichtigsten Modifikationen bestanden darin, die HF-Frequenz zu variieren und einen Dee durch eine offene Version des Dee zu ersetzen (siehe Abbildung 1 für eine Erinnerung daran, wie ein Dee aussieht). Dieser wissenschaftliche Gigant-Beitrag zur Physik bestand aus künstlichen Mesonen, aber auch Lawrences Bruder John nutzte ihn, um bedeutende medizinische Fortschritte zu erzielen. 1958 starb Ernest Lawrence und hinterließ ein gewaltiges Erbe.

Abbildung 4. Eine Ansicht der erweiterten Lichtquelle von der Terrasse der Doe Library. Foto von Deb McCaffrey.

Auf den Schultern eines Riesen

Während das 184-Zoll-Zyklotron nicht mehr existiert, markiert das markante Kuppeldach immer noch den First, wo es einst stand. Das Berkeley Radiation Laboratory wurde zum Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory und das Zyklotron wurde durch eine Synchrotronlichtquelle ersetzt, die noch heute verwendet wird.

Weiter oben auf dem Hügel unterhält die Lawrence Hall of Science Familien mit ihren Exponaten und beeinflusst Studenten im ganzen Land mit ihrer Lehrplanentwicklung. Auf der anderen Seite der Kämme verfolgt das Lawrence Livermore National Laboratory die Fusion. Diese Institutionen zeugen von Lawrences wissenschaftlichen Leistungen. Noch wichtiger ist, dass er den Weg für ein neues Paradigma der Wissenschaft ebnete, eines, in dem multidisziplinäre Teams zusammenkommen, um kolossale Experimente auf der Suche nach den gut gehüteten Geheimnissen des Universums zu entwickeln.

Coffey, P. (2008) Kathedralen der Wissenschaft: Die Persönlichkeiten und Rivalitäten, die die moderne Chemie ausmachten. Oxford University Press.

Ernest Lawrence-Ausstellung (o.D.) Lawrence Hall of Science

Hiltzik, M. (2015). Große Wissenschaft: Ernest Lawrence und die Erfindung, die den militärisch-industriellen Komplex ins Leben rief. Simon & Schuster.

Lawrence Berkeley National Laboratory (1993) Helle Strahlen: Die fortschrittliche Lichtquelle.


Linearbeschleuniger

EINE KURZE GESCHICHTE DER ENTWICKLUNG VON LINEARBESCHLEUNIGERN:

“Die Installation des ersten klinischen Linearbeschleunigers begann im Juni 1952 in der Radiotherapeutic Research Unit des Medical Research Council (MRC) am Hammersmith Hospital in London. Es wurde im Februar 1953 für physikalische und andere Tests übergeben und begann am 7. September desselben Jahres mit der Behandlung von Patienten.”

“Heute – Tausende von medizinischen Linearbeschleunigern werden in Krankenhäusern auf der ganzen Welt eingesetzt und haben sich bei der Behandlung von Millionen von Krebspatienten bewährt. Forscher verbessern die Wirksamkeit medizinischer Linearbeschleuniger im Kampf gegen Krebs weiter.”

STUFEN IN DER ENTWICKLUNG VON LINEARBESCHLEUNIGERN:


1931 – knapp an zweiter Stelle: Das erste Zyklotron

1937 – Erste klinische Van-de-Graaff-Generatorbehandlung an der Harvard Medical School.
1932-1940 – Das Jahrzehnt des Zyklotrons
1940 – Die Betatron
1945 – Neue Ideen: Synchrone Beschleunigung führt zum Microtron
1947 – Mehr Synchronizität: Das Elektronen-Synchrotron

1947 – Erster Linearbeschleuniger, gebaut in Stanford von William Hansen und den Brüdern Varian.
1952 – Noch höhere Energien: Das Protonen-Synchrotron
1952 – Ein starker Sprung nach vorn: Fokussierung des Strahls
1953 – Synchrotrons werden stärker

1953 – Patient mit dem ersten medizinischen Linearbeschleuniger im Hammersmith Hospital in London behandelt.

1953 – Dr. Henry Kaplan und der Physiker Edward Ginzton entwickeln den ersten medizinischen Linearbeschleuniger der westlichen Hemisphäre. Die 6MV-Einheit wurde im Stanford-Lane Hospital in San Francisco installiert.
1946-1954 – Der Linac wird erwachsen: Ein Elektron- und Proton-Linac

1960 – Einführung des Varian Clinac ®6/100, des ersten vollständig rotierenden Linearbeschleunigers für die Strahlentherapie.
1966 – Stanford wird ernst mit dem Linac: SLAC
1960 – Der Speicherringbeschleuniger
1969 – CERN tritt in das Collider-Zeitalter ein
1970 – Deutschland tritt dem Collider-Zeitalter bei
1981 – Die ersten Proton-Antiproton-Collider: CERN und FNAL

1981 – Einführung des Varian Clinac® 2500, des ersten medizinischen Dual-Energy-Linearbeschleunigers.

1985 – Philips stellt den SL25® vor, den ersten vollständig digital gesteuerten medizinischen Linearbeschleuniger.

1988 – Varian stellt den Varian Clinac ® 2100C vor, den ersten computergesteuerten Beschleuniger von Varian.

1997 – Stanford setzt seine Forschung mit intensitätsmodulierter Strahlentherapie fort, die Bildgebung mit Linearbeschleunigern kombiniert, die Hunderte von dünnen Strahlen aus jedem Winkel liefern.

2004 – Es wird eine vierdimensionale Strahlentherapie eingeführt, die die Atembewegung während der Bildgebung und Strahlentherapie berücksichtigt.

PIONIERE IN DER ENTWICKLUNG VON LINEARBESCHLEUNIGERN:

1958 verwendete Karl Brown als erster Matrixalgebra zur Berechnung von magnetisch-optischen Aberrationen in Spektrometern geladener Teilchen, die von Physikern zur präzisen Analyse der Kern- und Subnuklearstruktur verwendet wurden. Er entwickelte einen Computercode namens TRANSPORT, um den Designprozess der Ausrüstung zu erleichtern

Henry Kaplan und Ed Ginzton, PhD, Professor für Elektrotechnik und Physik, entwickelten den ersten medizinischen Linearbeschleuniger in der westlichen Hemisphäre, der am Stanford-Lane Hospital in San Francisco installiert wurde.

1972 – Dr. Peter Fessenden kommt in Stanford an und beginnt mit der Entwicklung eines Linearbeschleunigers, der Tumorzellen mit zwei Strahlenarten bekämpft. In Zusammenarbeit mit Varian Medical Systems, Inc. entwickelt das Team von Dr. Fessenden den ersten Linearbeschleuniger, der sowohl Röntgen- als auch Elektronenbehandlung kombiniert.


Ernest Lawrence und die Erfindung des Zyklotrons

Am 8. August 1901, bahnbrechender amerikanischer Nuklearwissenschaftler Ernest Orlando Lawrence wurde geboren. Für seine Erfindung des Zyklotrons erhielt er 1939 den Nobelpreis für Physik. Er ist auch bekannt für seine Arbeiten zur Uran-Isotopen-Trennung für das Manhattan-Projekt und für die Gründung des Lawrence Berkeley Laboratory und des Lawrence Livermore Laboratory.

“Ich bin mir bewusst, dass wissenschaftliche Errungenschaften in der Vergangenheit verwurzelt sind, von vielen Zeitgenossen zu voller Größe kultiviert werden und nur in einem günstigen Umfeld gedeihen. Kein Mensch allein ist für ein einziges Sprungbrett auf dem Weg des Fortschritts verantwortlich, und wo der Weg reibungslos verläuft, ist der Fortschritt am schnellsten. In meiner eigenen Arbeit war dies besonders zutreffend.”
— Ernest Orlando Lawrence, Nobelpreis-Bankettrede (29. Februar 1940)

Aufgewachsen in South Dakota

Ernest Lawrence ist in South Dakota aufgewachsen. Seine Eltern waren Nachkommen norwegischer Einwanderer und unterrichteten an der High School in Canton, South Dakota. Seine Mutter Gunda erinnerte sich an seine enorme Neugier, als er noch ein Kind war. Anscheinend hat es der zweijährige Lawrence geschafft, mit Streichhölzern ein Feuer zu entzünden und alle seine Kleider niederzubrennen. Seine Mutter erinnerte sich weiter daran, dass “ Ernest war immer fröhlich und das Leben schien ihm ein Nervenkitzel nach dem anderen zu sein, aber er war auch immer hartnäckig und beharrlich!“. Mit seinen Highschool-Freunden baute Lawrence sehr früh eine Kurzwellen-Funksendestation und wandte seine Erfahrungen später auf die Beschleunigung von Protonen an [1,2].

Akademische Karriere

Lawrence schrieb sich an der University of South Dakota ein und verkaufte Küchengeschirr an Bauernhaushalte, um seine Ausbildung zu finanzieren. Diese Schulung war später hilfreich, als Lawrence wissenschaftliche Projekte an Regierungsbeamte und Förderagenturen verkaufen musste. Nach seinem Bachelor-Abschluss schrieb sich der junge Physiker an der University of Minnesota ein, um sein Masterstudium abzuschließen und zog nach Yale, wo Lawrence promovierte. 1925. Bevor er 27 Jahre alt wurde, nahm Lawrence eine Position als außerordentlicher Professor in Berkeley an, wo er drei Jahre später der jüngste ordentliche Professor der Institution wurde [1]. 1936 wurde er auch Direktor des Strahlungslabors der Universität und blieb in diesen Positionen bis zu seinem Tod [3].

Das Zyklotron

Es wird angenommen, dass Rolf Widerøe beim Lesen einer wissenschaftlichen Arbeit über ein Gerät, das hochenergetische Teilchen produziert, inspiriert wurde, an einem kompakteren Beschleuniger zu arbeiten, der in die Berkeley-Labors passen würde. Nach ersten Arbeiten zum Ionisationspotential von Metalldämpfen erfand Lawrence 1929 das Zyklotron. Das allererste Zyklotron, das er konstruierte, hatte offenbar nur einen Durchmesser von 10 cm und bestand aus Messing, Draht und Siegellack baute eine größere Maschine, mit der er verschiedene Elemente mit beschleunigten Teilchen beschoss. In seltenen Fällen wurden durch den Partikelbeschuss völlig neue Elemente und Hunderte von bisher unbekannten radioaktiven Isotopen bekannter Elemente erzeugt. Für seine Erfindung meldete er am 26. Januar 1932 in den USA den Patentschutz an, der ihm am 20. Februar 1934 erteilt wurde.

Diagramm des Zyklotronbetriebs aus dem Patent von Lawrence von 1934

Radioaktive Isotope und Krebstherapie

Er wurde 1933 zur Solvay-Konferenz eingeladen, um einen Vortrag über das Zyklotron zu halten, und Lawrence erweiterte die Apparatur im Juni 1937 zu einem 37-Zoll-Zyklotron. Zwei Jahre später wurde es zum ersten Mal verwendet, um Eisen zu beschießen und seine ersten radioaktiven Isotope herzustellen. Mit einem stärkeren Zyklotron konnte er 1941 erstmals die aus der kosmischen Strahlung bekannten Mesonen erzeugen, später erweiterte er seine Studien auf Antiteilchen. Im selben Jahr erhielt der erste Krebspatient eine Neutronentherapie aus dem Zyklotron.

Der Nobelpreis für Physik

Ernest Lawrence erhielt 1939 den Nobelpreis für Physik und wurde als erster in Berkeley Nobelpreisträger. Der Wissenschaftler war auch als unglaublich produktiver Schriftsteller bekannt. Die meisten seiner Arbeiten wurden in . veröffentlicht The Physical Review and the Proceedings of the National Academy of Sciences. Er wurde mit zahlreichen Auszeichnungen und Preisen ausgezeichnet, darunter Medal for Merit, und er war Ehrendoktor von dreizehn amerikanischen und einer britischen Universität, der University of Glasgow [3].

Späteres Leben

Lawrence war während des Zweiten Weltkriegs maßgeblich an der Entwicklung der Atombombe beteiligt, setzte sich nach dem Krieg für ein Verbot von Atomversuchen ein und war Mitglied der US-Delegation bei der Genfer Konferenz 1958 zu diesem Thema. Nach dem Krieg setzte sich Lawrence intensiv für die staatliche Förderung großer wissenschaftlicher Programme ein. Das 103. Element des chemischen Periodensystems, Lawrencium (Lr), wurde nach ihm benannt.

Ernest Orlando Lawrence starb am 27. August 1958 im Alter von 57 Jahren.

Bei der akademischen Videosuche von yovisto interessieren Sie sich vielleicht für einen Videovortrag zum Thema Teilchenbeschleuniger an der Berkeley University von Professor Norman.


Zyklotron erfunden - Geschichte

Dieser Beitrag stammt von Dana Romero

Ein 1931 von E. O. Lawrence und M. S. Livingston in Berkeley erfundenes Gerät, mit dem geladene Teilchen durch ein Magnetfeld beschleunigt werden. Ein Masseteilchen m und aufladen Q mit einer Geschwindigkeit bewegen v wird mit einem Magnetfeld der Stärke interagieren B dessen Richtung senkrecht zur Bewegungsebene mit Kraft

Die Kraft des Magnetfeldes ist senkrecht zur Richtung des Teilchens, was zu einer Kreisbahn im Zyklotron führt. Gleichsetzen F mit einer Zentripetalkraft ergibt

gibt das Ladungs-zu-Masse-Verhältnis des Teilchens in Form bekannter Werte für v, B, und R.

Teilchen in Zyklotronen emittieren Strahlung, die Zyklotronstrahlung genannt wird.

Livingston, M. S. Hochenergetische Beschleuniger. New York: Interscience Publishers, 1954.

Livingston, M.S. und Blewett, J.P. Teilchenbeschleuniger. New York: McGraw-Hill, 1962.

Livingston, M. S. Teilchenbeschleuniger: Eine kurze Geschichte. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1969.

Mann, W. B. Das Zyklotron, 2. Aufl. New York: Chemical Publishing Co., 1945.

Wilson, R.R. und Littauer, R. Beschleuniger: Maschinen der Kernphysik. Garden City, NY: Ankerbücher, 1960.


Geschichte

The Lab’s legacy began in the summer of 1928, when a 27-year-old physics professor named Ernest O. Lawrence was wooed from his faculty position at Yale University to a job at the University of California’s Berkeley campus. While at Berkeley, Lawrence invented a unique particle accelerator called a cyclotron which would prove his hypothesis: whirling charged particles around to boost their energies, then casting them toward a target is an effective way to smash open atomic nuclei. The cyclotron would go on to win Lawrence the 1939 Nobel Prize in physics and usher in a new era in the study of subatomic particles. Through his work, Lawrence launched the modern era of multidisciplinary, team science. In August of 1931, when he created the Radiation Laboratory in a modest building on the Berkeley campus, Lawrence began recruiting a brilliant circle of colleagues from physics, chemistry, biology, engineering and medicine, whose groundbreaking teamwork would be critical to the laboratory’s legendary success. When his plans for bigger and better atom-smashing cyclotrons required more room, he moved the laboratory off campus and up to its present location in the Berkeley hills, overlooking the San Francisco Bay. After his death in 1959, the Lab was officially renamed the Ernest O. Lawrence Berkeley Laboratory.

The old Radiation Laboratory

Today, Berkeley Lab continues the tradition of multidisciplinary scientific teams working together to solve global problems in human health, technology, energy, and the environment. Thirteen Nobelists have worked here. And countless other researchers have contributed to the Lab’s success as an institution for furthering our nation’s scientific endeavors, whether in fundamental research, science education, or technology transfer.

Go here to view an article written in 2001 to commemorate the 100th anniversary of Lawrence’s birth in 1901.

As a youth, Lawrence was a ham-radio enthusiast and set up South Dakota’s first-ever radio station.


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Bemerkungen:

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