Der Massenspektrograph und das Zyklotron

1. Der Massenspektrograph und das Zyklotron Von Ivo Lazov und Felix Winterstein 14.05.2003

2. Inhaltsverzeichnis • Der Massenspektrograph • Aufbau • Funktionsprinzip / Anwendungsmöglichkeiten • Rechenbeispiel • Das Zyklotron • Aufbau • Funktionsprinzip • Anwendungsmöglichkeiten • Zur Relativitätstheorie

3. Der Massenspektrograph • Dienlich in der Kernphysik • Wird zur Massenbestimmung benutzt • Man kann im Gegensatz zu chemischen Verfahren auch verschiedene Ionisierungen bestimmen • Benötigt nur geringe Stoffmengen • Es treten nur kleine Fehler auf • Breitgefächerte Anwendungsgebiete

4. Der Ionisierungsprozess Die gasförmige Probe gelangt in die Entladungskammer, wo die Atome ionisiert werden. Die Luftpumpe sorgt dafür, dass ein Vakuum erhalten bleibt. Aus der Kathode tritt der Kanalstrahl aus. Die Elektronen werden von der Anode angezogen.

5. Das elektrische Feld Der Kanalstrahl passiert einen radialen Kondensator. beträgt immer 31° 50‘ und wird nicht verändert. Die langsameren Ionen werden stärker nach unten abgelenkt als die schnelleren.

6. Das Magnetfeld Schraffiert dargestellt ist hier ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Bildebene steht. Der Kanalstrahl wird aufgrund der Lorentzkraft nach links abgelenkt.

7. Der Aufbau

8. Massenspektrogramm

9. Ein Rechenbeispiel

10. Das Zyklotron Von Ivo Lazov

11. Erfinder und Einsatzgebiete • Erfinder • E.O. Lawrence (1901-1958) erfand diesen Kreisbeschleuniger 1930 • Kern- und Elementarteilchenphysik • Versuch zu klären, ob Bausteine von Atomen, nämlich Protonen, Neutronen und Elektronen unteilbar oder mit einer Struktur sind.

12. Aufbau • Polschuhe sehr starker Elektromagneten (erzeugen das senkrechte magnetische Feld) • zwei hohle D-förmige voneinander isolierte Elektroden, Duanten genannt, in denen ein Hochvakuum (10-4 bis 10-5 mbar) herrscht; von den Polschuhen der Elektromagneten umschlossen • schmaler Spalt zwischen Duanten • Ionenquelle in der Mitte • hochfrequente Wechselspannung • Ablenkplatte beim Austrittsfenster

13. Funktionsprinzip • Teilchen mit Ladung (Elektronen, Protonen, Ionen) werden mittels Glühemission bzw. Gasentladung produziert und treten in der Mitte in das Feld ein • durch ein senkrechtes Magnetfeld werden die Teilchen durch die Lorentzkraft auf einer Kreisbahn gehalten • bei Durchlaufen des Spaltes werden sie durch hochfrequentige (Mhz-Bereich) starke (20kV) Wechselspannung mit jedem Durchlauf in die folgende Kammer beschleunigt • in den vom Spannungsfeld schützenden Elektroden durchlaufen im vertikalen Magnetfeld die Teilchen Halbkreise bis zur nächsten Beschleunigung • Radius und Geschwindigkeit wachsen proportional • Umlaufzeit bleibt konstant • treten nach erfahrener Beschleunigung und Aufladung mit Hilfe eines Ablenkkondensators aus und treffen auf ein Ziel (Target)

14. Geschwindigkeit und Masse laut Relativitätstheorie: • Masse bleibt bei höherer Teilchengeschwindigkeit nicht mehr konstant → Massenveränderlichkeit • Phänomen bei annähernd Lichtgeschwindigkeit besonders stark, da theoretisch unendliche Masse erreicht wird • dadurch können mit konventionellen Zyklotronen Protonen nur bis auf eine Energie von etwa 20 MeV beschleunigt werden • durch laufend modulierte (abgestimmte) Verringerung der Wechselspannung Steigerung der Energie möglich → Synchrozyklotron (über 400 GeV)

15. Maße und Gewichte • für große kinetische Energien sind große Duanten-Radien und beträchtliche Flussdichten nötig • dadurch Magneten erheblicher Größe erforderlich • mittleres Zyklotron enthält 65 t Eisen und 9 t Kupfer für Magnetspulen • im Zyklotron von Berkeley (USA) 3700 t Eisen und 300 t Kupfer; Polschuhdurchmesser von 4,7m Vergleich: verbrauchtes Eisen würde für zwei moderne große Zerstörer reichen

16. Größenbestimmungen Umlaufzeit: Radialkraft: Kinetische Energie:

17. Rechenbeispiel gegeben: Flussdichte B = 1,5 T Spannung zwischen Duanten U = 25 000 V Proton mit m = 1,67 10-27 kg elektrische Ladung Q = 1,6 10-19C Frage: nach wie vielen Umläufen und nach welcher Zeit haben die Protonen im Zyklotron die kinetische Energie W = 10 MeV erreicht? Nach jedem Umlauf gewinnen die Protonen die Energie 2 25 000 eV

18. Rechnung Daher lautet die Umlaufzahl n: Benötigte Umlaufzeit (r wächst proportional zu ): liefert: , also

19. Rechnung Zeitdauer:

20. Quellenverzeichnis • Bücher: • Kuhn Physik S. 105/106 • Dorn Seite135 • Höfling Physik Band 2 Seite595/596 • Prof. Wolfgang Finkelberg, Einfuehrung in die Atomphysik • Prof. Dr. L. Bergmann und Prof. Dr. Cl. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Elektrizitätslehre II. Band • F. Kohlrausch, Praktische Physik, Band 2 • Fachlexikon ABC Physik, Band 2