Ernest Walton (1968) - Particle accelerators with special reference to their early history

Graf Bernadotte, meine Damen und Herren. That is about as far as I can venture into the German language. I am very bad at languages, and so I feel very sorry for the interpreters and hence I will stick fairly closely to my script. This will also help me perhaps to keep closely to the time schedule. In the time at my disposal it would be impossible to cover in any detail the large field which comes under the title of particle accelerators. I shall limit myself to giving a general outline of those principles which have led to significant advances and also to a somewhat more detailed discussion of the early work about which I can speak with more authority, because I was then engaged on several of the basic types of accelerator. Hence I shall not show you pretty slides of modern giant accelerators, nor make any significant reference to the nuclear knowledge obtained by the use of accelerators. The urge to produce particle accelerators arose out of Rutherford’s work on the artificial transmutation of one element into another. In 1919 he used natural alpha particles from radioactive substances to bombard nitrogen and he found that swift protons were emitted occasionally. Slide 1 shows the well-known picture taken by Blackett and Lees of such an event as revealed by a Wilson cloud chamber. You will see up near the top of the picture a case of where one of the many alpha particles shown has struck a nitrogen nucleus and the proton comes out towards the left. But there is no sign of the alpha particle coming out and at that time it could be deduced that no other particle did come out because the neutron was not known. Now this is a type of disintegration which we call the alpha proton type and for more than a dozen years, this was the only type of nuclear disintegration known. It was obviously desirable that there should be available for disintegration experiments streams of high energy particles in large numbers and of various sorts. Indeed, this was mentioned in Rutherford’s anniversary address to the royal society in 1927. In theory such particles could be produced by applying a few million volts to an evacuated tube. The currents involved would be small. For example a microampere of helium ions corresponds in number to the total alpha particle emission from about 100 grams of radium. However, the difficulties appeared to be very great. By the standards of that time such voltages were expensive to produce and no one had succeeded in making a vacuum tube capable of withstanding more than about 1/10 of the voltage believed to be necessary. Hence people began to think about possible methods of producing fast particles by indirect or trick methods, which would avoid the use of high voltages. There are in this audience young people whose career lies ahead of them and whose field of work is as yet undetermined. It may interest some of them to hear how one gets involved in special scientific fields. And so I will say in a few words what happened to me. I went to Cambridge as a research student in 1927. And after a few months in the nursery, as it was called, where we learned some new techniques, Rutherford called me to his room to discuss my line of research. On being asked if I had any suggestions to make I put forward the idea of accelerating electrons by letting them move round many times in a circular electric field as in a modern betatron. He suggested a modification which appeared more practicable than my scheme, and this is shown in slide 2. You see an evacuated tube there with a coil wound round the middle of it and a tungsten filament to give some electrons. This arrangement, as Rutherford pointed out at the time, was really just a modification of the arrangement used by J.J. Thomson in his work on the electrode-less ring discharge in gases. A high frequency current from a spark discharge was sent through the coil, shown there, this gave a rapidly changing magnetic flux and hence an alternating electric field was produced in the tube. It was hoped that the alternating magnetic field, together with a steady field produced by an electromagnet might produce suitable conditions for the acceleration of the electrons. But no trace of evidence was found for the presence of fast electrons. Calculations were carried out, which showed that the magnetic field present was of the wrong type to give radial stability to the motion of the electrons. The field increased from the centre out to the coil. The calculation showed that radial stability would be produced by a field decreasing inversely with the radial distance provided that a suitable high frequency radial electric field was also present. Experiments along these lines were not successful because the arrangements were too crude, and also because no provision was made for stability in the axial direction. Now, these experiments were really quite nice ones to start with, they had one very great advantage as far as I was concerned, in that before starting on the work one had not got to read perhaps several hundreds of papers which had gone before. In fact at the time I didn’t know of a single paper to be read on the subject, and that is a great advantage. I did discover later on that there was one paper I might have read, it happened to be a patent specification. When the failure of this method became evident, another method was suggested to Rutherford. It was the method utilised in what is now called the linear accelerator. The principle is shown in slide 3. And it is that the particles acquire their energy as a result of receiving a large number of successive pushes. In between these pushes which they receive as they travel from one of the cylinders to the next, as shown in the diagram, they pass through conducting cylinders and are thus unaffected by any changes made in the potentials of the cylinders. As shown in the diagram, the odd numbered cylinders are connected together and so are the even numbered ones. The two sets of cylinders are connected to the output of a high frequency generator. If the lengths of successive cylinders increase in the correct way, it is possible always to have an accelerating field present, as the group of particles move between successive cylinders. Experiments on this carried out in 1928 at Cambridge failed for two reasons. The high frequency voltage was generated by a crude spark gap arrangement, and at the same time very little was known about the focusing of charged particles. Indeed the ends of the cylinders were covered with gauze in order to ensure a field-free space inside them. And this effectively removed the natural focusing action which occurs in the gap between two cylinders with a potential between them. Late in 1928 an important paper by Wideroe appeared in the archive for electro technique. In it he described experiments to verify the basic principle of accelerating a particle in the circular electrical field produced by a changing magnetic flux. He was able to follow the electrons 1.5 times around the circle. This was not the first publication on the betatron, the principle had been described by Slepian in a patent taken out in the United States in 1922. Physicists do not normally read these patent specifications. Wideroe’s paper also described some experiments in which ions were given two accelerations in a linear accelerator arrangement. He had developed further the idea of the linear accelerator first put forward by Ising in a Swedish journal in 1924. It is interesting to note at this early date a failure in communications about which we hear so much at the present time. Although Cambridge at the time was regarded by many as the world centre for atomic physics, as it was then called, no one there and not even Rutherford himself appeared to have heard of Ising’s paper. The next slide shows a diagram of the method suggested by Ising. His proposal involved the breakdown of a spark gap and the application of the impulsive potential produced to various cylinders through suitable delay lines. It is interesting to note that he included in his diagram the gauzes at the end of the cylinders, which were included four years later independently and wrongly in the experiments at Cambridge. Wideroe’s paper was important in another respect. It was responsible for directing Lawrence’s attention to the problem of accelerating particles to high energies. At a time when he was looking around for a new line of research, he came upon Wideroe’s paper quite accidentally. He said that he knew very little German, but was able to understand what the paper was about by studying the diagrams. The result was that by 1931 he and Sloan were able to report the production of mercury ions of 1.26 million electron volts using an accelerating potential of only 42,000 volts in a linear accelerator arrangement as shown in the next slide. You can see the series of cylinders up at the top, the rest of the diagram is in connection with the measurement of the energies. The limit imposed by the electrical capacity of the cylinders in this method then became evident, and so Lawrence was led to invent the cyclotron, which in effect uses the same pair of cylinders over and over again. Fortunately the disintegration of elements by artificially accelerated particles did not have to await the development of the indirect methods which had been suggested. In 1928 Gamow and independently Condon and Gurney applied the then new wave mechanics to account for the details of the emission of alpha particles from radioactive substances. It explained the statistical character of the emission and the wellknown relation between the energy of the alpha particles and the half life of the radioactive substance. Cockcroft in Cambridge saw that the theory could be applied in reverse to the penetration of charged particles into the nuclei of atoms. Calculations showed that protons of quite moderate energies had a reasonable chance of penetrating into the interior of nuclei. If they did so, one might expect that in a proportion of the cases disintegrations might follow immediately. Estimates indicated that a current of 100 microamperes of protons accelerated by a few hundred thousand volts should produce an ample number of disintegrations for easy observation. The next slide shows Cockcroft and Gamow evidently well pleased with the result of these discussions. Cockcroft on the left, Gamow on the right. Cockcroft showed these results to Rutherford and it was decided to test the theory by the use of fast protons accelerated directly by the application of a high voltage. It was further decided that Cockcroft would abandon his experiments on the deposition of metallic vapours onto surfaces cooled to low temperatures. And that I would abandon work on indirect methods and that we should work jointly on the new project. When planning to use the direct method employing a high voltage sometimes referred to as the brute force method, the first matter to be settled is the type of high voltage generator to be employed. The next slide shows the possibilities at that time to be as shown. There’s the induction coil which had a long and honourable place in physical laboratories. The impulse generator as used by Brasch and Lange, the Tesla coil or resonant transformer as used at the Carnegie institute by Breit, Tuve and Dahl. Or power transformers as used by Lauritson in the United States. Or a transformer and rectifier or electrostatic machines. Most of these methods produced voltages with vary with the time. And thus when used to accelerate ions, they give a beam containing ions with a wide range of energies. Electrostatic machines tend to give a high voltage, low current output and this is just what is required for nuclear work. Furthermore they usually give a steady voltage and are thus capable of producing a stream of ions all of identical energy. The built type of electrostatic machine was introduced by Van de Graaff in 1929 and has been a valuable tool in nuclear research. Its main use has been in the range of, from about 1 million to about twenty million volts. For lower voltages the circular type developed at Grenoble by Felici has been found to be very suitable. The Van de Graaff machine works on very simple principles, which are wellknown and I shall not discuss them here. In 1928 the most suitable method of producing a high steady voltage of a few hundred kilovolts with an output of a few milliamperes appeared to be a power transformer with its output rectified and smoothed by a suitable capacitor. This was the method chosen for the experiments in Cambridge. Some development work had first to be done on the construction of high voltage continuously evacuated rectifiers and on the problems which arose when they had to be used in series. Fortunately the problems were greatly simplified by the use of a modification of a circuit introduced by Schenkel in 1919. Using this, it was possible to multiply the output of a transformer, any even number of times and to produce at the same time a steady output voltage. It enabled the rectifiers to be placed one above the other to form a large glass pillar which could be evacuated by a diffusion pump placed at earth potential as shown in the next slide. You can see the tall column of glass cylinders near the middle of the picture here and this is the accelerating tube over there. Now, this arrangement also ensured that the reverse voltages across the various rectifiers were equalised automatically. The apparatus is known as a voltage multiplier and was used in 1932 in the first disintegration experiments using artificially accelerated particles. Voltages of up to nearly 800 kilovolts could be generated with this apparatus. The next slide shows a Wilson chamber photograph of some of the disintegrations produced. You can see a lot of alpha particles coming out from the centre of the picture, these are produced by the bombardment of lithium with some fast protons. And you can see that there are a large number of these particles, which were actually emitted in a time of something like 1/50 of a second. Indeed this lithium reaction is so easy to observe that the experiments could have been performed ten years earlier. For this about 20,000 volts would have sufficed but no one would have dared to do it at that time because anybody seen attempting to do this would have been more or less laughed at, because he would have been an ignoramus quite un-conversant with the nature of the electric fields near the nucleus of an atom. There is something to be said all the same for trying what I sometimes call a fool’s experiment, provided that it can be done quickly, easily and quietly in a room which can be kept locked so that no one will know about the experiment if it is not successful. The Cambridge voltage multiplier apparatus was capable of disintegrating some of the light elements and of producing artificial radio activity in others. These results gave great encouragement to those working on the indirect methods, for these were the only ones likely to provide particles sufficiently energetic to disintegrate the heavier elements. There seemed to be no doubt that a gateway to large unexplored area was open to anyone who had available a beam of high energy particles. At this stage I’ll return to the indirect methods and consider the major problems involved and the limits to the energy attainable in each case. The betatron or magnetic induction accelerator already mentioned is of use only for the acceleration of electrons. The reason for this is that the particle acquires only a small addition to its energy during each revolution, and so the particle must travel around the circular electric field, perhaps a million times, while the flux increases from zero to its maximum value. Electrons by reason of their small mass and high velocity can do this but positive ions with their much larger masses will make a much smaller number of revolutions and acquire only a small energy in the time. As the electrons have to travel perhaps a million times around the circle, it is essential that these should be not merely an equilibrium orbit for the electrons, but that it should also be a stable one. Otherwise, any slight disturbance would cause the particles eventually to move off the equilibrium orbit and be lost. This problem of orbital stability is fundamental to all machines in which particles during acceleration must remain near to a definite path. The problem can be split into 2 separate parts, stability in the direction of the magnetic field or axial stability, and a stability in the plain of the orbit or radial stability. The first of these arose in Lawrence’s work on the cyclotron. The next slide shows the sort of magnetic field that you get near the edge of the pole pieces, and the arrows on it show the direction of the forces acting on the particle going into the plain of the screen there. And you can see that these forces have got components tending to bring the particles back to the central plain of the apparatus. If a particle wanders from the axial direction, it is obvious that it will be brought back again. The magnetic field must be curved outwards as shown, and this entails a magnetic field which decreases in the radial direction. Mathematically it means that if the magnetic field is proportional to 1 over R to the N, then N must be greater than nought. N equal to nought would correspond to a uniform field. The condition for stability in the radial direction is that if the particle starts to move on an orbit of slightly larger radius, the magnetic field must be strong enough to cause this particle to move in a circle of smaller radius than that of the new orbit. Hence as the centrifugal force falls off inversely with the radial distance, the magnetic field must fall off less rapidly. And thus we see that if the magnetic field is proportional to one over R to the N, then N is less than one. Thus for stability in both directions, this index, this field index N must lie somewhere between nought and one. The full mathematical theory of this was given in 1941 by Kerst and Serber, who also dealt with the damping out of such oscillations as might occur. An understanding of the results enabled Kerst to construct the first practical betatron, which is shown in the diagram on the next slide. Now I’ll not go into the details of that, I just want you to notice the dimensions, the width of that apparatus is something like half a metre, and yet with this very simple apparatus he was able to produce 2.3 million volt electrons in sufficient numbers to produce a gamma ray intensity equivalent to that emitted by 1 gram of radium. The largest betatron constructed gives 300 million electron volt electrons and was designed by Kerst and others in 1950. It may well be the largest to be built, for at this size many practical problems become severe. More important still, a fundamental limitation arises, an electron in its orbit is being accelerated all the time to the centre. And so we get a continuous radiation of electromagnetic energy. This loss is proportional to the fourth power of the energy of the particle, and so a point is rapidly reached when the loss of energy per revolution by radiation becomes as great as the energy per revolution given to the particle by the betatron action. Fortunately the electron synchrotron by reason of the greater radius of the electron orbit in it and the much greater energy added per revolution can give electrons a much greater energy. Return now to the linear accelerator. In dealing with the betatron, I spoke about the need for orbital stability of the electrons. We need also a similar stability in a linear accelerator, so that particles cannot wander too far from the axis of the cylinders. Hence it is perhaps more natural to talk about the focusing of the particle. Indeed this terminology has been extended to cover both linear accelerators and orbital accelerators. If there were no grids at the end of the cylinder, some focusing occurs naturally, as can be seen in the next slide. These dotted lines represent the lines of electric force, the full lines represent the path of the particle. As the particle enters into this gap, you can see that there’s a force acting down this way along the direction of the lines of electric force and the particle gets accelerated up. Then there’s a defocusing force here, due to this line of electric force, tending to pull the particle away from the axis. But the particle is then moving faster, this force acts for a shorter time and the overall effect is a focusing one. Now the details of this were worked out by Rose and Wilson in 1938 for the cyclotron, the same theory applies to the linear accelerator. Its equivalent optically to a large number of convex lenses one after the other. Now the next slide shows the type of result that we get arising from this focusing action. This is the axis of the accelerator and you have a particle starting off this way, if there are no focusing action it would go off like that. With this electrostatic focusing action we get a path like this for the particle, one of increasing amplitude and increasing wavelength. And we see initially, there’s quite a helpful action in keeping the particle near the axis. But ultimately the electrostatic focusing is of no use, the particle is going too fast for the electrical lenses to have any significant effect. Now, unfortunately - I should have said perhaps that the electrical focusing can be increased by having a varying potential, one which decreases as the particles cross the gap. And in that case we get a stronger lens, but unfortunately we get phase defocusing in the linear accelerator. When Lawrence realised the limitations of the linear accelerator he devised the method of the cyclotron and the first publication was by Lawrence and Edlefsen in 1930, it verified the basic principle of the cyclotron. Next slide, here we have really two hollow electrodes in the shape of these between which an alternating voltage is applied and these two hollow electrodes behave like the first two cylinders in a linear accelerator and just as if we used them over and over again. Now the particles in the cyclotron, I haven’t time to go into the details, starts somewhere near the middle and spiral outwards as they acquire energy each time they cross the gap between the two D-shaped electrodes. Now the same electrostatic focusing occurs near the centre of the cyclotron, but it’s of no significance as you move outwards. But Lawrence introduced the magnetic focusing out there, so we have this combination of electrical and magnetic focusing in action in the cyclotron. Now, Lawrence built a number of cyclotrons of increasing size, the largest planned having a pole diameter of 4.6 metres. And this would produce about 350 million electron volt particles. Now, there is a difficulty which arises, because he had to use a decreasing magnetic field to produce focusing, but this means that the particles get out of step with the alternating voltage, as they move into this region of decreasing magnetic field. And it meant that to get over this you would have to apply a very large voltage between the D’s. It was planned for this large cyclotron that something like a million volts alternating potential would be applied between the D’s. And this would have raised very great technical problems. Fortunately a better solution turned up. In 1945 McMillan in the United States and Veksler in Russia independently drew attention to the existence of phase focusing, which occurs under suitable conditions. To understand what this means let us think of a linear accelerator designed to accelerate particles which cross the gap at a certain place on each radio frequency oscillation. Next slide please. We imagine that the machine has been designed, so the particles cross here, then when they go through the cylinders they’ll reach the next gap just at the same part of the oscillation. Now let´s see what happens if a particle arrives with the right energy but a little bit later, up here. It means that it acquires more energy than the normal particle, and so at the next gap it arrives a little bit earlier, it doesn’t get quite as much additional energy as this got, but still it gets some additional energy and it arrives still earlier at the next gap as shown over here. So the particle moves back towards this point on the oscillations. It actually overshoots the mark and oscillates about it. Now this meant that if you had in the cyclotron a group of particles going around, crossing the gap between the D’s at this point here, where there’s no voltage, that these could continue on round in a circle without acquiring any energy. But if you decrease the frequency, then they would start to come in at another point and acquire some energy, come in here and acquire some energy and they would move back again to this proper place for it. This meant that by simply reducing the frequency you could expand this bunch of particles which was circulating in a circle. Or, what was the same thing, you could change the magnetic field and the circle would expand out to meet the new conditions. This, in a few words, is the basis of this idea of phased stability. And it enabled this large planned cyclotron of Lawrence’s to be used not as a straight cyclotron, but as what we call a synchrocyclotron, where the frequency was changed to match the changing frequency of revolution in the weaker parts of the magnetic field. Now, I am afraid the time is getting on, and so I’ll have to just make some cuts in what I have written out here. Now, in the electron synchrotron we can introduce a great saving in the cost of the machine, because we can reduce the volume of the magnetic field. Instead of having particles spiralling outwards from the centre, they are all the time kept on a circle of constant radius. And you can do this if you increase the magnetic field with time. Here again in the electron synchrotron, the principle of phase stability works, and one can produce very high energy particles in this way. It’s rather interesting that the synchrotron works for the very reason that the cyclotron fails to work at the high energies. You have in the cyclotron two limitations, one the necessity to decrease the magnetic field as you go outwards, and the other the fact that the particles acquire additional mass as they speed up and this has the same effect as the decreasing magnetic field, they get out of step rather quickly. If we just consider these synchrotrons - and you can also have a proton synchrotron by varying both the frequency and the magnetic field - we want to see how we can put up the energy of the particles produced. Normally one would simply build a bigger magnet, so that you had a larger circle for the particles to move round on. But if you can reduce the gap, then it is possible to keep the magnet a reasonable size. Now, it’s possible to reduce the gap if you can introduce additional stability into the motion of the particles. And this was the next advance, the next big idea in the history of the development of the subject. It meant that one needed a stronger focusing action than one had got previously. Now this focusing action, this new focusing action called strong focusing or alternating gradient focusing was first of all suggested by Courant and Livingston and Snyder in 1952, who found that the same idea had been suggested a little bit earlier in a patent filed by Christofilos in 1950. Now, the full theory of this method is difficult, there are a few simple examples of it given in most of the books that describe the action, the optical analogue where you have a series of concave and convex lenses and you get an overall focusing effect there. Or sometimes mechanical analogues are given, such as the way in which the stability of a pendulum can be increased by vibrating the point of support up and down. Now this, without going into the details, this principle of alternating gradient focusing, where in the axial direction you have a series of regions where you have strong focusing followed by strong defocusing, and in the radial direction you get the opposite effect. Now this means that in both the axial and the radial direction, one gets very strong focusing, you can reduce the size of vacuum tube, you can reduce the gap in your magnet and you can keep the cost of the magnet and the size of the magnet down. Now, this is the arrangement used in the largest machines which we have today, such as the Brookhaven one or the one at Cern, or the new one that’s just come into operation in Russia. And these give energies of varying amounts from about 30,000 million electron volts up to that sort of value. Now, if we look at, perhaps you would turn to slide number twenty one. This is a diagram due to Livingston showing the progress of linear accelerators over the years. Here are the DC methods round about 1930. This is a scale of the energies of the particles plotted logarithmically. This is 1 million electron volts here. And you see the curves tend to turn over. Then later on, we have the development of the electrostatic method, the Van de Graaff machine. And you can see that curve begins to turn over when you get up to a few million electron volts. Then we have this linear proton accelerator and here we have the cyclotron. We have the betatron up here and the synchrotron up here. And the proton synchrotron up here, which is the type of machines I’ve just been mentioning. Now all of these show a kind of upper limit lying roughly along this curve. And it corresponds to a very rapid rate of increase in voltage with time. These are the years marked here and it´s curious how you get very nearly a straight line on this semi logarithmic clock. If we look to the future, see what's going to happen next, you’ve got to go up to very high energies indeed, beyond the limits of that curve, and it´s obvious that one is getting to the stage when one needs a new idea. And the idea, various ideas have been suggested and I just mention one that has come to the fore in recent months. This is a suggestion put forward independently by Veksler and Woodcock way back in 1956. The basis of it is that if we can hold a cloud of electrons together and inject protons into it, so that the number of protons is about 1% of the electrons present, then these protons will be very firmly attached to the cloud by electrostatic forces. If the cloud is accelerated to high speed, the protons will also be accelerated, because the mass of the protons is much greater than the electron mass, the energy of individual protons will be much greater than the energy of the individual electrons. Some of the details of the scheme are shown in the next slide. The problem is to hold the cloud of electrons together, because they are, they tend to fly apart with the repulsive forces between the negative charges. And this is done in this projected method You have fast moving electrons, this helps because you have the pinch effect acting, if you have two parallel currents flowing in the same direction, they tend to move towards each other. So you start off with a ring of electrons and the cross section is shown here and here. The ring comes right round like this. And it’s held in this ring by a magnetic field which obeys the usual betatron conditions. Now, what you do is you have these electrons going around with some few millions of electron volts energy. And then you shrink this ring down by increasing the magnetic field. And you can shrink it down at the same time by kind of betatron action increase still further the energy of the particles as they revolve round, and you end up with this ring like this. And you have electrons going around rapidly, they’re held together and there’s about 1% of protons mixed up with them. Then you accelerate this ring in that direction by putting it through what is in effect a linear accelerator. You can push it out here by reducing the field due to the current in this coil, the coil comes round here, that opens this magnetic field out and the ring gets pushed out and it’s accelerated up just as an individual particle might be. And the protons of course go out with it. Now this introduces a possibility of getting protons of energies very much higher than the energies of the individual electrons that are accelerated in that ring. In fact if you started off with slowly moving electrons one would get protons of nearly 2,000 times the energy of the electrons in the ring which is accelerated up. Now, preliminary experiments have shown the method to be promising. Even if machines of this type are successful, the energies given to particles are likely to be very small in comparison with that possessed by some of the cosmic rays. We do not know the mode of origin of these, they may indeed be formed in some vast natural form of magnetic and electric fields in space, which would surely be entitled to be called a celestial ultra high energy particle accelerator.

Graf Bernadotte, meine Damen und Herren. leider sind damit meine Kenntnisse der deutschen Sprache bereits erschöpft. Ich bin nicht sehr sprachbegabt, daher entschuldige ich mich für die Dolmetscher und werde mich weitestgehend an mein Skript halten. Dies hilft mir vielleicht auch, im Zeitrahmen zu bleiben. In der Zeit, die mir zur Verfügung steht, wäre es unmöglich, das weite Feld der „Teilchenbeschleuniger“ im Detail zu erläutern. Ich werde mich daher darauf beschränken, einen allgemeinen Überblick über jene Grundsätze zu geben, die die maßgeblichen Fortschritte ermöglicht haben, und etwas näher auf die frühe Forschungsarbeit eingehen, über die ich mit mehr Autorität sprechen kann, weil ich damals an mehreren Grundtypen des Beschleunigers mitgearbeitet habe. Ich werde Ihnen also keine schönen Bilder moderner Riesenbeschleuniger zeigen oder auf das Wissen über nukleare Prozesse verweisen, das sich uns durch diese Beschleuniger erschlossen hat. Den Anlass zur Herstellung von Teilchenbeschleunigern lieferte die Arbeit von Rutherford über die künstliche Umwandlung eines Elements in ein anderes Element. dass dabei schnelle Protonen freigesetzt wurden. Folie 1 zeigt die bekannte Aufnahme von Blackett und Lees, die in einer Wilson-Nebelkammer von einem solchen Vorgang gemacht wurde. Oben im Bild ist zu sehen, wie eines der vielen Alphateilchen auf einen Stickstoffkern auftrifft und das Proton nach links austritt. Es ist jedoch nicht zu erkennen, dass das Alphateilchen wieder austritt und seinerzeit folgerte man daraus, dass kein anderes Teilchen austrat, weil man das Neutron noch nicht kannte. Dies ist der Kernzerfall durch so genannte Alphaprotonen und für mehr als ein Jahrzehnt war dies die einzige bekannte Form des Kernzerfalls. Es war damals natürlich wichtig, für diese Experimente hochenergetische Teilchen in großer Zahl und von unterschiedlicher Art zur Verfügung zu haben. Tatsächlich wurde dies im Vortrag von Rutherford anlässlich des Jahrestags der Royal Society 1927 angesprochen. Theoretisch konnte man solche Teilchen herstellen, indem eine Spannung von einigen Millionen Volt an eine Vakuumröhre angelegt wurde. Dabei waren nur geringe Stromstärken im Spiel. Ein Mikroampère Heliumionen entspricht zum Beispiel zahlenmäßig der gesamten Alphateilchenemission von etwa 100 Gramm Radium. In der Praxis gab es jedoch große Probleme. Nach dem damaligen Stand der Technik war die Erzeugung so hoher Spannungen sehr kostspielig und es war noch nicht gelungen, eine Vakuumröhre zu erzeugen, die mehr als etwa 1/10 der erforderlichen Spannung standhalten konnte. Daher begann man über Möglichkeiten nachzudenken, schnelle Teilchen durch indirekte Verfahren oder auf Umwegen zu erzeugen, ohne derart hohe Spannungen. Ich sehe im Publikum junge Menschen, deren berufliche Laufbahn noch vor ihnen liegt und deren Arbeitsgebiet noch im Dunkeln liegt. Vielleicht ist es für einige von ihnen interessant, zu hören, wie man zu einem bestimmten Forschungsgebiet kommt. Daher will ich kurz meinen eigenen Werdegang schildern. Ich kam 1927 als Forschungsstudent nach Cambridge. Nach einigen Monaten in der so genannten „Nursery“, wo wir mit einigen neuen Techniken vertraut gemacht wurden, rief mich Rutherford zu sich, um über meine Forschungsreihe zu sprechen. Als er mich nach meinen eigenen Ideen fragte, kam ich mit dem Vorschlag, Elektronen zu beschleunigen, indem man sie viele Male in einem kreisförmigen elektrischen Feld wie in einem modernen Betatron kreisen lässt. Er schlug dann eine Änderung des Grundaufbaus vor, die sich als praktikabler erwies als mein ursprüngliches Konzept, und die in Folie 2 gezeigt wird. Man sieht hier eine Vakuumröhre mit einer Spule, die um die Mitte gewickelt ist, und einem Wolframfaden für die Erzeugung von Elektronen. Diese Anordnung war, wie Rutherford seinerzeit betonte, lediglich eine Modifizierung des von J. J. Thomson in seiner Arbeit mit der elektrodenlosen Ringentladung in Gasen benutzten Aufbaus. Es wurde ein hochfrequenter Strom aus einer Funkenentladung durch die Spule geschickt, wie hier zu sehen ist, daraus entstand ein schnell wechselnder Magnetstrom und in der Röhre wurde ein elektrisches Wechselfeld erzeugt. Man hoffte, dass das alternierende Magnetfeld zusammen mit einem stetigen Feld, das mit einem Elektromagneten erzeugt wurde, geeignete Bedingungen für die Elektronenbeschleunigung schaffen würde. Es wurde jedoch keinerlei Hinweis auf das Vorhandensein schneller Elektronen entdeckt. Man stellte Berechnungen an, die zeigten, dass das Magnetfeld ungeeignet war, um die radiale Stabilität zu erzeugen, die für die Bewegung der Elektronen notwendig war. Das Feld wurde von der Mitte zur Spule hin größer. Die Berechnung zeigte, dass die radiale Stabilität nur durch ein Feld entstehen würde, das sich umgekehrt zum radialen Abstand verkleinert, sofern auch ein geeignetes hochfrequentes radiales elektrisches Feld vorhanden war. Die Experimente mit diesem Ansatz waren nicht erfolgreich, weil der Aufbau zu grob war und keine Stabilität in axialer Richtung gewährleistet war. Jedoch waren diese Experimente für den Anfang ganz in Ordnung und sie hatten für mich den großen Vorteil, dass man nicht erst zahllose Papiere über frühere Versuche durchlesen musste, bevor man mit der Arbeit begann. Mir war seinerzeit nicht ein einziges Dokument zu diesem Thema bekannt, das ich hätte lesen können, und das war ein großer Vorteil. Später stellte ich fest, dass ich doch ein Papier hätte lesen sollen, und das war ausgerechnet eine Patentschrift. Als klar wurde, dass diese Methode nicht zum Erfolg führen würde, wurde Rutherford ein anderes Verfahren vorgeschlagen, das im heute so genannten Linearbeschleuniger angewandt wird. Folie 3 zeigt das Grundprinzip, das besagt, dass die Teilchen ihre Energie aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Impulse erhalten. Zwischen diesen Impulsen, die sie auf ihrem Weg von einem Zylinder zum nächsten erhalten, wie in der Skizze gezeigt, strömen sie durch leitende Zylinder und werden daher durch Potentialänderungen der Zylinder nicht beeinflusst. Wie in der Skizze zu sehen ist, sind die ungeradzahligen Zylinder und die geradzahligen Zylinder jeweils miteinander verbunden. Die beiden Zylindergruppen sind an den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators angeschlossen. Wenn sich die Längen der aufeinanderfolgenden Zylinder richtig vergrößern, kann immer ein Beschleunigungsfeld aufrechterhalten werden, wenn sich die Teilchengruppen zwischen den Zylindern bewegen. Die Experimente, die 1928 in Cambridge nach diesem Prinzip durchgeführt wurden, waren aus zwei Gründen nicht erfolgreich. Die Hochfrequenzspannung wurde mit einer ungeeigneten Funkenstrecke erzeugt und man wusste noch kaum etwas über die Fokussierung geladener Teilchen. Die Zylinderenden waren mit einem Geflecht bedeckt, um einen feldfreien Raum im Inneren zu gewährleisten. Und damit wurde die natürliche Fokussierung verhindert, die im Spalt zwischen zwei Zylindern, zwischen denen eine Spannung vorhanden ist, auftritt. Im Spätjahr 1928 erschien ein wichtiges Papier von Wideroe im Archiv für Elektrotechnik. Er beschrieb darin Experimente zur Verifizierung des Grundprinzips der Teilchenbeschleunigung in einem durch einen wechselnden Magnetfluss erzeugten kreisförmigen elektrischen Feld. Er konnte die Elektronen 1,5-mal auf der Kreisbahn verfolgen. Dies war nicht die erste Veröffentlichung über das Betatron, das Prinzip hatte bereits Slepian in einem 1922 in den USA erwirkten Patent beschrieben. Aber Physiker lesen solche Patentschriften normalerweise nicht. Wideroe beschrieb in seiner Veröffentlichung auch Experimente, bei denen Ionen zweimal in einem Linearbeschleunigeraufbau beschleunigt wurden. Er hatte das Konzept des Linearbeschleunigers, das erstmals von Ising 1924 in einer schwedischen Zeitschrift beschrieben wurde, weiterentwickelt. Interessanterweise war bereits zu dieser frühen Zeit die Kommunikation gestört, wovon man heute so oft hört. Obwohl Cambridge damals für viele als das weltweite Zentrum der Atomphysik galt - wie es seinerzeit genannt wurde -, hatte dort niemand, auch nicht Rutherford selbst, je von der Veröffentlichung von Ising gehört. Die nächste Folie zeigt schematisch die von Ising vorgeschlagene Methode. Sein Vorschlag beruht auf dem Überschlag einer Funkenstrecke und der Aufschaltung der dadurch erzeugten Impulsspannung auf mehrere Zylinder durch geeignete Verzögerungsschaltungen. Interessant ist, dass in dieser Skizze auch das Geflecht an den Zylinderenden auftaucht, das vier Jahre später unabhängig davon und fehlerhaft in den Experimenten in Cambridge verwendet wurde. Das Papier von Wideroe war in anderer Hinsicht wichtig. Durch diese Veröffentlichung wurde Lawrence auf das Problem der Beschleunigung der Teilchen auf hohe Energien aufmerksam. Gerade als er nach einem neuen Forschungsansatz suchte, entdeckte er eher zufällig das Papier von Wideroe. Er sagte, er konnte nur wenig Deutsch, verstand aber den Inhalt des Papiers anhand der Skizzen. Als Ergebnis davon konnten er und Sloan 1931 berichten, dass sie Quecksilberionen mit 1,26 Millionen Elektronenvolt mit einer Beschleunigungsspannung von nur 42.000 Volt in einem Linearbeschleuniger, wie in der nächsten Folie gezeigt, erzeugen konnten. Man sieht hier die Zylinderreihen oben, der Rest des Diagramms betrifft die Messung der Energien. Es wurde dann klar, dass dieses Verfahren durch die elektrische Kapazität der Zylinder beschränkt war, daher erfand Lawrence das Zyklotron, bei dem das gleiche Zylinderpaar immer wieder verwendet wird. Glücklicherweise musste man für die Spaltung von Elementen durch künstlich beschleunigte Teilchen nicht auf die Entwicklung der vorgeschlagenen indirekten Verfahren warten. die damals noch ganz neue Wellenmechanik für die Alphateilchenemission aus radioaktiven Stoffen. Sie erklärte die statistischen Eigenschaften der Emission und die wohlbekannte Beziehung zwischen der Energie der Alphateilchen und der Halbwertszeit des radioaktiven Stoffs. In Cambridge erkannte Cockcroft, dass die Theorie umgekehrt auch auf das Eindringen geladener Teilchen in Atomkerne anwendbar war. Durch Berechnungen wurde nachgewiesen, dass es Protonen, die mit moderater Energie geladen waren, gelingen sollte, in das Innere der Atomkerne einzudringen. Man sollte dann erwarten, dass in einer bestimmten Anzahl der untersuchten Fälle sofort eine Zerfallsreaktion stattfindet. Nach Schätzungen sollte ein Protonenstrom von 100 Mikroampère bei einer Beschleunigung mit einigen Hunderttausend Volt zahlreiche leicht beobachtbare Zerfallsreaktionen verursachen. Die nächste Folie zeigt Cockcroft und Gamow, die sich sichtlich über das Ergebnis dieser Diskussionen freuen. Cockcroft ist links, Gamow rechts. Cockcroft zeigte diese Ergebnisse Rutherford und es wurde beschlossen, die Theorie mit schnellen Protonen, die direkt durch Hochspannung beschleunigt werden sollten, zu testen. Ferner wurde beschlossen, dass Cockcroft seine Experimente über die Ablagerung von Metalldämpfen auf stark heruntergekühlten Flächen aufgeben sollte. Und dass ich meine Arbeit an indirekten Verfahren aufgeben und wir alle gemeinsam an dem neuen Projekt arbeiten sollten. Wenn man das direkte Verfahren mit Hochspannung anwenden will, das auch als das „Rohe-Gewalt-Verfahren“ bezeichnet wird, muss zuerst entschieden werden, was für ein Hochspannungsgenerator eingesetzt werden soll. Die nächste Folie zeigt, welche Optionen damals zur Verfügung standen. Hier die Induktionsspule, die schon lange und bewährt in Physiklabors genutzt wurde, der von Brasch und Lange verwendete Pulsgenerator, die Tesla-Spule und der am Carnegie-Institut von Breit, Tuve und Dahl benutzte Resonanztransformator, Leistungstransformatoren, wie sie von Lauritson in den USA eingesetzt wurden, Transformator mit Gleichrichter oder elektrostatische Generatoren. Die meisten dieser Verfahren erzeugten Spannungen, die zeitlich nicht stabil waren. Bei der Ionenbeschleunigung erzeugen sie daher einen Strahl, der Ionen mit höchst unterschiedlichen Energien enthält. Elektrostatische Generatoren erzeugen eine hohe Spannung bei niedrigen Stromstärken, also genau das, was für die Arbeit mit Atomkernen benötigt wird. Außerdem geben sie eine stetige Spannung ab und erzeugen so einen Ionenstrom von einheitlicher Energie. Dieser elektrostatische Generator wurde 1929 von Van de Graaff gebaut und ist seither ein wertvolles Gerät in der Nuklearforschung. Er wird vorwiegend im Bereich von etwa 1 bis 20 Millionen Volt eingesetzt. Für niedrigere Spannungen hat sich der in Grenoble von Felici entwickelte runde Generator als geeignet erwiesen. Der Van-de-Graaff-Generator arbeitet nach sehr einfachen Prinzipien, die bekannt sind und die ich hier nicht weiter vertiefen will. Für die Erzeugung einer hohen stetigen Spannung von einigen Hundert Kilovolt bei einem Stromausgang von nur wenigen Milliampère schien 1928 ein Leistungstransformator am besten geeignet, dessen Ausgang gleichgerichtet und mit einem geeigneten Kondensator geglättet wurde. Dies war das Verfahren, das für die Experimente in Cambridge gewählt wurde. Es war zunächst noch einige Entwicklungsarbeit erforderlich, um ständig evakuierte Hochspannungsgleichrichter zu bauen und die Probleme bei ihrem Einsatz in einer Reihenschaltung zu lösen. Diese Probleme wurden jedoch glücklicherweise deutlich verkleinert durch einen modifizierten Aufbau, der 1919 von Schenkel vorgestellt wurde. Damit konnte der Ausgang eines Wandlers in einer beliebigen geradzahligen Zahl vervielfacht und gleichzeitig eine stetige Ausgangsspannung erzeugt werden. Gleichrichter konnten damit übereinander zu einer großen Glassäule geschichtet werden, die mit einer Diffusionspumpe mit Nullpotential unter Vakuum gesetzt wurde, wie in der nächsten Folie zu sehen ist. Man sieht hier die hohe Säule aus Glaszylindern etwa in der Mitte des Bildes und dies hier ist die Beschleunigungsröhre. Mit dieser Anordnung war auch gewährleistet, dass die Gegenspannungen aus den verschiedenen Gleichrichtern automatisch ausgeglichen wurden. Das Gerät ist als Spannungsvervielfacher bekannt und wurde 1932 bei den ersten Zerfallsexperimenten mit künstlich beschleunigten Teilchen eingesetzt. Es konnten damit Spannungen bis fast 800 Kilovolt erzeugt werden. Die nächste Folie zeigt eine Aufnahme von Zerfallsvorgängen in der Wilson-Kammer. Man sieht hier in der Bildmitte viele austretende Alphateilchen, die durch den Beschuss von Lithium mit schnellen Protonen entstanden sind. Und man sieht eine große Anzahl dieser Teilchen, die tatsächlich innerhalb von etwa 1/50 Sekunde abgegeben wurden. Diese Lithiumreaktion ist so einfach zu beobachten, dass die Experimente schon zehn Jahre früher hätten stattfinden können. Dafür hätten etwa 20.000 Volt genügt, aber niemand hätte ein solches Experiment gewagt, denn jeder wäre mehr oder weniger belächelt worden, weil er als völlig unwissender Ignorant in Bezug auf die Natur der elektrischen Felder in einem Atomkern gegolten hätte. Dennoch können auch Versuche, die auf den ersten Blick verrückt erscheinen mögen, ihre Berechtigung haben, wenn sie schnell, einfach und in Ruhe in einem Raum durchgeführt werden können, der verschlossen bleibt, damit niemand etwas erfährt, wenn das Experiment fehlschlägt. Der Cambridge Spannungsvervielfacher war in der Lage, einige leichte Elemente zu spalten und in anderen eine künstliche Radioaktivität zu erzeugen. Diese Ergebnisse ermutigten all jene, die mit indirekten Verfahrenen arbeiteten, weil nur mit diesen ausreichend energiegeladene Teilchen für die Spaltung der schwereren Elemente erhalten werden konnten. Es hab scheinbar keinen Zweifel mehr daran, dass ein Tor zu einem großen unerforschten Feld für jedermann geöffnet worden war, der über einen hochenergetischen Teilchenstrom verfügte. Hier möchte ich wieder auf die indirekten Verfahren zurückkommen und auf die wichtigsten damit verbundenen Probleme sowie die Grenzen der jeweils erreichbaren Energie. Das Betatron oder der magnetische Induktionsbeschleuniger ist nur für die Beschleunigung von Elektronen nützlich. Der Grund dafür ist, dass sich die Energie eines Teilchen bei jeder Umdrehung nur geringfügig erhöht und das Teilchen daher vielleicht eine Million Mal durch das elektrische Feld kreisen muss, bis die Energie von Null bis zum Maximum angestiegen ist. Bei Elektronen ist dies durch ihre kleine Masse und hohe Geschwindigkeit möglich, aber positive Ionen mit ihrer viel höheren Masse erzielen wesentlich weniger Umdrehungen und nehmen daher nur wenig Energie auf. Da die Elektronen vielleicht eine Million Mal kreisen müssen, ist es wichtig, dass die Kreisbahn nicht nur im Gleichgewicht, sondern auch stabil ist. Sonst würden die Teilchen bei jeder noch so geringen Störung die Kreisbahn verlassen und verlorengehen. Dieses Problem der Stabilität der Kreisbahn ist ein grundsätzliches Thema in allen Maschinen, in denen die Teilchen während der Beschleunigung eine bestimmte Bahn beibehalten müssen. Es lässt sich in 2 Teilaspekte gliedern, nämlich die Stabilität in Richtung des Magnetfels oder axiale Stabilität und die Stabilität in der Ebene der Kreisbahn oder radiale Stabilität. Erstere kam in der Arbeit von Lawrence über das Zyklotron zur Sprache. Die nächste Folie zeigt die Art des Magnetfelds, das im Randbereich der Polschuhe vorhanden ist, die Pfeile zeigen die Richtung der Kräfte, die auf das Teilchen einwirken, das hier in die Ebene des Feldes eintritt. Und man sieht, dass diese Kräfte Komponenten haben, die die Teilchen in die Mittelebene des Geräts zurückdrängen wollen. Wenn ein Teilchen aus der axialen Richtung ausbricht, ist klar, dass es wieder zurückgeholt wird. Das Magnetfeld muss, wie gezeigt, nach außen gekrümmt sein, es muss daher in radialer Richtung abnehmen. Mathematisch bedeutet dies, dass wenn das Magnetfeld über R zu N proportional zu 1 ist, N größer als Null sein muss. N gleich Null würde einem gleichmäßigen Feld entsprechen. Voraussetzung für Stabilität in radialer Richtung ist, dass das Magnetfeld stark genug sein muss, wenn das Teilchen beginnt, sich auf einer Kreisbahn mit einem etwas kleineren Radius zu bewegen, damit dieses Teilchen auf einer Bahn mit einem kleineren Radius als dem der neuen Bahn kreisen kann. Da die Zentrifugalkraft umgekehrt zum radialen Abstand geringer wird, muss das Magnetfeld somit weniger schnell abnehmen. Wenn also das Magnetfeld über R zu N proportional zu 1 ist, dann ist N kleiner als eins. Um die Stabilität in beiden Richtungen zu gewährleisten, muss somit dieser Feldindex N einen Wert zwischen Null und Eins haben. Die mathematische Theorie dafür wurde 1941 von Kerst und Serber entwickelt, die sich auch mit der Ausfilterung der dabei auftretenden Oszillationen beschäftigten. Anhand der erhaltenen Ergebnisse konnte Kerst das erste praktische Betatron bauen, das im Diagramm auf der nächsten Folie dargestellt ist. Ich will dies jetzt nicht weiter vertiefen, ich möchte nur auf die Abmessungen hinweisen, dieses Gerät war etwa einen halben Meter breit und sogar mit diesem ganz einfachen Gerät konnte er 2,3 Millionen Elektronenvolt in ausreichender Menge erzeugen, um eine Gammastrahlenstärke zu erzielen, die der von 1 Gramm Radium entspricht. Das größte bisher gebaute Betatron erzeugt 300 Millionen Elektronenvolt und wurde von Kerst und anderen 1950 entwickelt. Möglicherweise war es das größte, das je gebaut wurde, denn bei dieser Größe tauchen viele praktische Probleme auf. Und - was noch wichtiger ist - es entsteht eine grundsätzliche Beschränkung: ein Elektron wird auf seiner Kreisbahn immer wieder zur Mitte beschleunigt. So entsteht eine ständige Abstrahlung elektromagnetischer Energie. Dieser Verlust ist proportional zur vierten Potenz der Energie des Teilchens und so wird schnell ein Punkt erreicht, an dem der Energieverlust pro Umdrehung durch die Abstrahlung ebenso groß ist wie die Energie, die das Teilchen pro Umdrehung durch das Betatron aufnimmt. Glücklicherweise ist es mit dem Elektronensynchrotron auf Grund des größeren Radiuses der Elektronenkreisbahn und des deutlich höheren Energieeintrags pro Umdrehung möglich, den Elektronen wesentlich mehr Energie zuzuführen. Kehren wir jetzt wieder zum Linearbeschleuniger zurück. Im Zusammenhang mit dem Betatron habe ich über die Bedeutung der Stabilität der Kreisbahn der Elektronen gesprochen. Auch in einem Linearbeschleuniger benötigen wir eine ähnliche Stabilität, damit die Teilchen sich nicht zu weit von der Zylinderachse entfernen können. Man sollte hier vielleicht besser von der Fokussierung der Teilchen sprechen, da dieser Sprachgebrauch sich sowohl für Linear- als auch für Ringbeschleuniger eingebürgert hat. Wenn sich am Ende des Zylinders kein Geflecht befindet, tritt eine gewisse Fokussierung ganz natürlich auf, wie in der nächsten Folie zu sehen ist. Diese gestrichelten Linien stellen die elektrischen Kraftlinien dar, die durchgezogenen Linien die Bahn des Teilchens. Wenn das Teilchen in diesen Spalt eintritt, kann man sehen, dass hier eine Kraft in der Richtung der elektrischen Kraftlinien einwirkt und das Teilchen wird beschleunigt. Hier sehen wir dann eine entgegengesetzte Kraft durch diese elektrische Kraftlinie, die das Teilchen von der Achse wegzieht. Aber das Teilchen bewegt sich dann schneller, diese Kraft wirkt kürzer und es entsteht insgesamt eine fokussierende Wirkung. Dieses Prinzip wurde 1938 ausführlich von Rose und Wilson für das Zyklotron erforscht, aber die gleiche Theorie gilt für den Linearbeschleuniger. Er entspricht optisch einer großen Anzahl hintereinander angeordneter konvexer Linsen. In der nächsten Folie sehen wir das Ergebnis dieser Fokussierungswirkung. Dies ist die Achse des Beschleunigers und hier wird ein Teilchen in Bewegung gesetzt, ohne Fokussierung würde es sich so von der Achse entfernen. Mit dieser elektrostatischen Fokussierung sieht die Bahn des Teilchens so aus, seine Amplitude und die Wellenlänge nehmen zu. Und wir sehen anfangs, dass es hilfreich ist, das Teilchen nahe der Achse zu halten. Aber letztlich ist die elektrostatische Fokussierung wirkungslos, das Teilchen bewegt sich zu schnell, als dass die Linsen eine signifikante Wirkung haben könnten. Vielleicht könnte aber die elektrische Fokussierung durch eine variierende Spannung, die beim Durchgang der Teilchen durch den Spalt geringer wird, erhöht werden. In diesem Fall erhalten wir eine stärkere Linse, aber leider eine Phasendefokussierung im Linearbeschleuniger. Als Lawrence die Grenzen des Linearbeschleunigers erkannte, entwickelte er das Prinzip des Zyklotrons; in der ersten Veröffentlichung 1930 von Lawrence und Edlefsen in 1930 wurde das Grundprinzip des Zyklotrons dargestellt. Auf der nächsten Folie sehen wir zwei Hohlelektroden in dieser Form, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt ist; diese beiden Hohlelektroden verhalten sich wie die ersten beiden Zylinder in einem Linearbeschleuniger, die immer wieder verwendet werden. Die Teilchen im Zyklotron - mir fehlt leider die Zeit, um weiter in die Details zu gehen – starten irgendwo im Bereich der Mitte und bewegen sich spiralförmig nach außen, wobei sie bei jedem Durchgang durch den Spalt zwischen den zwei D-förmigen Elektroden immer mehr Energie gewinnen. Die gleiche elektrostatische Fokussierung findet jetzt in der Mitte des Zyklotrons statt, sie ist jedoch bedeutungslos, wenn die Bewegung nach außen verläuft. Lawrence führte jedoch hier die magnetische Fokussierung ein, daher sehen wir hier die kombinierte Wirkung der elektrischen und magnetischen Fokussierung im Zyklotron. Lawrence hat viele Zyklotrone gebaut, die immer größer wurden, das größte sollte einen Poldurchmesser von 4,6 m haben und etwa 350 Millionen Elektronenvolt an Teilchen erzeugen. Hier gibt es jedoch ein Problem, weil er ein abnehmendes Magnetfeld für die Erzeugung der Fokussierung benötigte, wobei die Teilchen asynchron zur Wechselspannung werden, wenn sie in diesen Bereich des abnehmenden Magnetfelds eintreten. Um dieses Problem zu umgehen, hätte man zwischen den D-Elektroden eine sehr hohe Spannung anlegen müssen. Bei diesem großen Zyklotron hätte man eine Wechselspannung von etwa 1 Million Volt zwischen den Elektroden benötigt. Und das hätte große technische Probleme verursacht. Glücklicherweise gab es eine bessere Lösung. die unter geeigneten Bedingungen entsteht. Um zu verstehen, was dies bedeutet, stellen wir uns einen Linearbeschleuniger vor, der die den Spalt durchquerenden Teilchen an einer bestimmten Stelle mit jeder Hochfrequenzoszillation beschleunigt. Bitte die nächste Folie. Wir stellen uns dieses Gerät vor, die Teilchen laufen also hier durch, wenn sie durch die Zylinder strömen, erreichen sie den nächsten Spalt genau am gleichen Punkt der Oszillation. Betrachten wir, was geschieht, wenn ein Teilchen mit der richtigen Energie etwas später hier eintrifft. Es nimmt dann mehr Energie als normal auf und kommt etwas früher am nächsten Spalt an, dort erhält es weniger zusätzliche Energie als es sollte, aber immer noch genug und kommt immer noch früher am nächsten Spalt an, wie hier zu sehen ist. Das Teilchen kehrt also zu diesem Punkt der Oszillation zurück. Es erhält eine Überschwingung und oszilliert um diesen Punkt. Wenn man also im Zyklotron eine Gruppe von Teilchen hat, die den Spalt zwischen den D-Elektroden hier, wo keine Spannung anliegt, durchqueren, dann könnten diese sich immer im Kreis bewegen, ohne Energie aufzunehmen. Wenn man aber die Frequenz senkt, würden sie an einer anderen Stelle eintreten und Energie aufnehmen, hier hereinkommen und Energie aufnehmen und wieder an diese Stelle zurückkehren, die die richtige für sie ist. Indem einfach die Frequenz verringert wird, könnte man so diesen Teilchenstrom, der sich auf einer Kreisbahn bewegt, vergrößern. Oder - was das Gleiche ist - man könnte das Magnetfeld verändern und der Kreis würde sich erweitern, um sich an die neuen Bedingungen anzupassen. Dies ist in wenigen Worten das Grundprinzip der Phasenstabilität. Es ermöglichte, dass dieses große geplante Zyklotron von Lawrence nicht als gerades Zyklotron, sondern als Synchrozyklotron verwendet werden konnte, bei dem die Frequenz an die veränderliche Umdrehungsfrequenz in den schwächeren Teilen des Magnetfelds angepasst wurde. Leider wird die Zeit jetzt knapp und ich muss daher mein Manuskript ein wenig straffen. Mit dem Elektronensynchrotron können die Kosten einer solchen Maschine deutlich verringert werden, weil ein kleineres Magnetfeld benötigt wird. Die Teilchen bewegen sich nicht mehr spiralförmig von der Mitte weg, sondern bleiben die ganze Zeit auf einer Kreisbahn mit einem konstanten Radius. Dies ist möglich, wenn das Magnetfeld im Lauf der Zeit vergrößert wird. Auch hier im Elektronensynchrotron funktioniert das Prinzip der Phasenstabilität und man kann auf diese Weise Teilchen mit hoher Energieladung erzeugen. Interessant ist, dass das Synchrotron aus genau dem Grund funktioniert, aus dem das Zyklotron bei hohen Energien nicht funktioniert. Beim Zyklotron haben wir zwei Beschränkungen, und zwar einerseits die Notwendigkeit, das Magnetfeld nach außen zu verkleinern und andererseits die Tatsache, dass die Teilchen mit zunehmender Geschwindigkeit an Masse gewinnen und das hat die gleiche Wirkung wie das abnehmende Magnetfeld, sie werden sehr schnell asynchron. Wenn wir diese Synchrotrone betrachten - durch Veränderung der Frequenz und des Magnetfelds erhält man auch ein Protonensynchrotron -, wollen wir jetzt sehen, wie man die Energie der erzeugten Teilchen steigern kann. Normalerweise würde man einfach einen größeren Magneten bauen, damit man eine größere Kreisbahn für die Teilchen erhält. Aber wenn man den Spalt verkleinern kann, würde man keinen größeren Magneten benötigen. Den Spalt kann man verkleinern, wenn zusätzliche Stabilität für die Teilchenbewegung erzielt werden kann. Und genau das war der nächste Schritt, der nächste große Gedankensprung in der Entwicklung. Es bedeutete, dass man eine viel stärkere Fokussierung benötigte als sie bisher verwendet wurde. Diese Fokussierung, die als starke Fokussierung oder Fokussierung mittels alternierender Gradienten bezeichnet wird, wurde erstmals von Courant und Livingston und Snyder 1952 vorgeschlagen, die entdeckt hatten, dass das gleiche Konzept etwas früher bereits in einer Patentschrift von Christofilos 1950 beschrieben worden war. Die Theorie hinter diesem Verfahren ist sehr schwierig zu verstehen, in den meisten Büchern, in denen die Wirkung beschrieben ist, wird sie mit einigen einfachen Beispielen erläutert; aus der Optik etwa mit einer Reihe konvexer und konkaver Linsen, mit denen man hier eine Fokussierung erzielt. Oder auch aus dem Bereich der Mechanik durch die Art, wie die Stabilität eines Pendels erhöht werden kann, indem die Halterung in Auf-Ab-Schwingungen versetzt wird. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, beruht das Prinzip der Fokussierung mit alternierenden Gradienten darauf, dass wir in axialer Richtung eine Reihe von Regionen mit starker Fokussierung, gefolgt von starker Defokussierung haben, während in der radialer Richtung die Wirkung umgekehrt ist. Das bedeutet, dass die Fokussierung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung sehr stark ist, man kann also mit einer kleineren Vakuumröhre arbeiten, den Spalt im Magneten verkleinern und damit Kosten und Größe des Magneten reduzieren. Dies ist die Anordnung, wie sie in den größten der heutigen Maschinen verwendet wird, zum Beispiel in Brookhaven oder bei Cern oder in der neuen Anlage, die gerade in Russland in Betrieb geht. Diese Anlagen geben Energien unterschiedlicher Mengen von etwa 30.000 Millionen Elektronvolt bis zu diesen Größenordnungen ab. Betrachten wir uns jetzt Folie 21. Dies ist ein Diagramm von Livingston, das den Fortschritt der Linearbeschleuniger im Lauf der Jahre zeigt. Hier sehen wir die DC-Verfahren aus der Zeit um 1930. Dies ist eine logarithmische Verlaufsdarstellung der Teilchenenergien. Hier haben wir 1 Million Elektronenvolt. Und man sieht, dass die Kurven nahe am Kippen sind. Später haben wir die Entwicklung des elektrostatischen Verfahrens mit dem Van-de-Graaff-Generator. Und man erkennt, dass die Kurve im Bereich von einigen Millionen Elektronenvolt zu kippen beginnt. Hier haben wir den linearen Protonenbeschleuniger und hier das Zyklotron. Hier oben ist das Betatron und hier das Synchrotron. Und hier oben das Protonensynchrotron, also die Art von Anlagen, von denen ich gerade gesprochen habe. Für alle Maschinen erkennt man eine Art Obergrenze, die etwa entlang dieser Kurve verläuft. Sie entspricht einem sehr schnellen Anstieg der Spannungen im Lauf der Zeit. Hier sind die Jahre eingetragen und man erkennt, dass auf dieser halblogarithmischen Darstellung fast eine gerade Linie entsteht. Wenn wir jetzt in die Zukunft blicken und sehen wollen, was als Nächstes geschieht, bewegen wir uns im Bereich sehr hoher Energien, die die Grenzen dieser Kurve übersteigen, und es wird klar, dass man in diesem Stadium neue Ansätze braucht. Tatsächlich wurden verschiedene Ansätze vorgeschlagen, ich möchte nur einen erwähnen, der in den letzten Monaten häufig im Gespräch war. Es ist ein Ansatz, der unabhängig voneinander von Veksler und Woodcock 1956 vorgebracht wurde und der auf dem folgenden Grundgedanken beruht: Wenn wir eine Wolke von Elektronen zusammenhalten und Protonen in diese Wolke injizieren können, so dass die Anzahl der Protonen etwa 1% der vorhandenen Elektronen entspricht, dann werden diese Protonen durch elektrostatische Kräfte fest an diese Wolke gebunden. Wird die Wolke nun auf sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt, werden auch die Protonen beschleunigt und weil Protonen eine viel höhere Masse als Elektronen besitzen, ist auch die Energie der einzelnen Protonen viel größer als die Energie der einzelnen Elektronen. Einige Details dieses Ansatzes sind in der nächsten Folie dargestellt. Das Problem liegt darin, dass die Wolke aus Elektronen zusammengehalten werden muss, weil die Elektronen durch die Abstoßungskräfte zwischen den negativen Ladungen eher auseinander driften. In dem vorgeschlagenen Verfahren - und es wurden zu diesem Thema bereits einige Experimente durchgeführt – erreicht man dies, indem die Wolke die Form eines Rings erhält. Die Elektronen bewegen sich schnell, das ist hilfreich, weil dann der Pinch-Effekt wirkt; bei zwei parallelen Strömen, die in die gleiche Richtung fließen, haben diese die Neigung, sich einander zu nähern. Man beginnt also mit einem Ring aus Elektronen, hier und hier ist der Querschnitt zu sehen. Der Ring bewegt sich so wie hier. Der Zusammenhalt im Ring ist durch ein Magnetfeld gewährleistet, das den normalen Betatron-Bedingungen unterliegt. Jetzt werden diese Elektronen mit einer Energie von einigen Millionen Elektronenvolt in einer Kreisbewegung gehalten und dann wird der Ring durch Verkleinerung des Magnetfelds geschrumpft. Und beim weiteren Schrumpfen wird durch eine Art Betatronwirkung die Energie der kreisenden Teilchen weiter erhöht; am Ende sieht der Ring so aus. Hier haben wir schnell kreisende Elektronen, die zusammengehalten werden und etwa 1% Protonen, die darunter gemischt sind. Dann wird der Ring in dieser Richtung beschleunigt, indem er durch eine Art Linearbeschleuniger gelenkt wird. Man kann ihn hier herausdrücken, indem das Feld durch den Strom in dieser Spule verringert wird, dadurch wird dieses Magnetfeld geöffnet und der Ring wird herausgepresst und ebenso wie ein einzelnes Teilchen beschleunigt. Und die Protonen natürlich mit ihm. Auf diese Weise kann man Protonen mit einer sehr viel höheren Energie erhalten als sie die einzelnen Elektronen besitzen, die im Ring beschleunigt werden. Tatsächlich erhält man, wenn man mit sich langsam bewegenden Elektronen beginnt, Protonen mit der fast 2000-fachen Energie der Elektronen im Ring, der beschleunigt wird. Bei vorläufigen Experimenten hat sich das Verfahren als vielversprechend erwiesen. Aber auch wenn solche Maschinen erfolgreich sind, sind die auf die Teilchen übertragenen Energien wahrscheinlich immer noch sehr klein im Vergleich mit der Energie einiger kosmischer Strahlen. Wir kennen nicht deren Ursprung, vielleicht entstehen sie in großen natürlichen magnetischen und elektrischen Feldern im Raum, die man sicherlich mit Fug und Recht als eine Art himmlischer Ultrahochenergie-Teilchenbeschleuniger bezeichnen kann.

Ernest Walton (1968)

Particle accelerators with special reference to their early history

Ernest Walton (1968)

Particle accelerators with special reference to their early history

Comment

In 1968, Ernest Walton participated in the Lindau Meetings for the first time. He could have accepted the invitation much earlier, but probably found it difficult to escape from his professorial duties in Dublin before retirement. He only gave one lecture, the present one, but came back to the physics meetings in 1971 and 1973 (in 1973, the meeting succession changed from medicine-chemistry-physics to medicine-physics-chemistry). In his lecture, Walton gives an engaging account of his work with Ernest Rutherford in Cambridge, work that culminated in the construction of a high-tension accelerator together with John Cockcroft. The idea of the construction of this so-called Cockcroft-Walton accelerator, emanated with the creative theoretician George Gamow. Gamow, who never received a Nobel Prize, had proposed that the alpha particle decay of atomic nuclei took place through quantum mechanical tunneling. If so, there would also be a possibility for protons to enter atomic nuclei even if the proton energy was not large enough to overcome the repulsive Coulomb barrier. In 1930-32, Walton and Cockcroft constructed the accelerator and showed that protons could enter light nuclei and thus transform them from one place in the periodic table to another. The nuclear isotopes thus produced became radioactive, which was of great interest for their use, e.g., as tracers. George de Hevesy received the 1943 Nobel Prize in Chemistry for his work using these kinds of light (non-toxic) radioactive isotopes. Walton and Cockcroft became the first to artificially induce nuclear reactions and transmute elements, an activity that became of even larger interest after the discovery of the neutron by James Chadwick in 1932. This eventually led to the discovery of nuclear fission and nuclear power. Walton’s co-Laureate Cockcroft lectured three times in Lindau, all three times on nuclear power.

Anders Bárány

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