is een van de krachtigste hulpmiddelen voor het onderzoek van de atoomkernen (z kernphysica). Het dient om aan electrisch geladen materiedeeltjes een zodanige snelheid te verlenen, dat zij in staat zijn atoomkernen te verbrijzelen.
De ruimte, waarin deze deeltjes de zgn. ionen, worden gevormd en versneld, wordt omsloten door een platte ronde „doos”, waarvan de diameter bijv. enige m en de hoogte enige dm kan bedragen.Boven- en ondervlak bestaan uit ijzeren platen, terwijl de opstaande cylindervormige wand van koper is. Door de opening kan deze cylinder luchtledig gepompt worden, terwijl door de opening , door middel van een ventiel, een geschikt gas, bijv. waterstof, tot de gewenste lage druk (ca 10-4 mm Hg) kan worden toegelaten. Binnen de cylinder bevinden zich twee geïsoleerde halfronde cylinders, die gewoonlijk, om hun vorm, de dee’s genoemd
worden. Deze dee’s zijn, zoals in de figuur is aangegeven, verbonden met de polen van een wisselspanningsgenerator E. In de ruimte tussen de dee’s heerst daardoor een wisselende electrische spanning, die van de orde 100 000 V kan zijn, terwijl de frequentie van de orde 10 millioen per sec. kan zijn. In het midden van de ruimte F bevindt zich een gloeidraad G, welke ten gevolge van zijn hoge temperatuur, electronen uitzendt.
Deze electronen worden in het electrische veld versneld en zullen bij hun botsingen tegen de gasmoleculen deze ioniseren. De ionen ondervinden telkens als zij in de spleet tussen de twee dee’s komen de kracht van het electrische veld. Deze kracht zal in het algemeen zowel vertragend als versnellend kunnen werken, al naar gelang de richting van het veld is ten opzichte van de snelheid van het ion op het moment, dat dit in de spleet treedt. Nu is echter de doos geplaatst tussen de polen van een grote electromagneet, zodanig dat de veldlijnen van het magnetische veld evenwijdig lopen aan de as van de cylinder, dus in de figuur loodrecht op het vlak van tekening.
Dit magnetische veld dwingt de ionen tot een beweging in cirkels, waarvan het vlak loodrecht staat op de magnetische veldlijnen. De werking van het cyclotron berust nu op de bijzondere omstandigheid, dat de omlooptijd van het ion in zijn cirkelbaan alleen afhangt van de sterkte van het magnetische veld en van de lading en de massa van het ion, doch niet van zijn snelheid, terwijl daarentegen de straal van de cirkelbaan met de snelheid toeneemt. Men zorgt er nu voor, dat de periode van de wisselende electrische spanning tussen de dee’s juist gelijk is aan de omlooptijd van de ionen, die men wil versnellen. Een positief ion, dat zich op zeker ogenblik in de spleet tussen de dee’s bevindt zal nu naar de negatieve dee worden getrokken.
Aangezien daarbinnen geen electrisch veld heerst, zal het binnen deze dee met constante snelheid een halve cirkel beschrijven. Op het ogenblik, dat het ion deze dee verlaat, is de spanning tussen de dee’s juist van teken verwisseld, zodat nu de tegenoverliggende dee juist de negatieve is en het ion in de spleet tussen de dee’s opnieuw wordt versneld. Het treedt dus met grotere snelheid de tegenoverliggende dee binnen, waardoor het daarin ook een grotere halve cirkel beschrijft. Zo zal een ion, van het midden van de doos uitgaande, telkens opnieuw in de spleet worden versneld, waardoor het een spiraalbaan beschrijft, gevormd door halve cirkels met telkens grotere straal.
Bedraagt de wisselspanning tussen de dee’s op het moment, dat het ion door spleet E gaat bijv. 50 000 V en heeft de spiraalbaan 50 windingen, dan zal het ion aan het einde van de baan 100 maal de spleet hebben gepasseerd en dus een snelheid hebben, die dezelfde is als wanneer het eenmaal een spanning van 5 millioen V had doorlopen. Heeft het ion de buitenkant van de ruimte binnen de dee’s bereikt, dan kan het door een dunwandig venster de dee verlaten. De ionenstraal, die uit dit venster treedt, wordt door de electrode waarop een constante positieve spanning staat, afgebogen en treft dan ten slotte de doos, waarin zich de stof bevindt, die men aan het ionen-bombardement wenst te onderwerpen.
Als ionen worden met name gebruikt protonen, d.z. de kernen der lichte waterstofatomen, deuteronen, d.z. de kernen van zware waterstofatomen en a-deeltjes, d.z. de kernen van heliumatomen (z alpha-stralen).
Het principe van de meervoudige versnelling van geladen deeltjes in een magnetisch veld, waarop de werking van het cyclotron berust, werd in 1930 aangegeven door prof. Ernest O. Lawrence, hoogleraar aan de Universiteit van Californië te Berkeley. Deze bouwde ook het eerste cyclotron, waarmede protonen met een energie van meer dan i millioen V werden verkregen.
Hij ontving voor dit werk in 1940 de Nobelprijs voor natuurkunde. Thans bezit dit laboratorium een cyclotron, dat ionen kan leveren, waarvan de energie correspondeert met een doorlopen spanning van de orde 100 millioen V. Van dit reuzenapparaat hebben de polen van de magneet een diameter van 4,7 m. Het totale gewicht beloopt 5000 ton.
In het Instituut voor Kernphysisch Onderzoek te Amsterdam (I.K.O.) bevindt zich een door de N.V. Philips, Eindhoven, gebouwd cyclotron (zie foto). Hiervan bedraagt de pooldiameter 1,8 m, de poolafstand 30 cm en het totale gewicht ca 250 ton. Men verkrijgt hiermede protonen, waarvan de energie correspondeert met een doorlopen spanning van enige tientallen millioen volt.
Bij de zeer hoge snelheden, die de deeltjes in deze grote cyclotrons verkrijgen, gaat de relativistische toeneming van de massa der deeltjes (z relativiteitstheorie) een storende rol spelen. Deze toeneming veroorzaakt nl., dat de omlooptijd van de ionen niet meer, zoals boven werd aangegeven, een vaste waarde heeft, doch voor de grotere cirkels groter is dan voor de kleinere. Aan dit bezwaar kan worden tegemoet gekomen door de frequentie, waarmede de spanning op de dee’s wisselt, op geschikte wijze te moduleren (4: synchrotron).
Men spreekt dan van een synchro-cyclotron. Nog veel hoger snelheden verwacht men te bereiken met de thans in Amerika in aanbouw zijnde reuzen -Synchrotrons. Deze berusten eveneens op het bovenbeschreven cyclotron-principe, echter met toepassing van een wisselend magnetisch veld, waardoor een stabilisatie van de ionenbeweging op een cirkelbaan met voorgeschreven straal kan worden verkregen, zoals dat ook bij het bêtatron het geval is.
PROF. DR G. J. SIZOO.
