Juni 1931: Lawrence und das erste Zyklotron
Das obige Foto zeigt Lawrence und Livingston um 1933 zusammen mit einem Foto des Tischzyklotrons.
Die 1920er Jahre markierten den Übergang der USA zu einer modernen technologiebasierten Gesellschaft und waren auch eine Zeit bedeutsamer individueller Errungenschaften. In der Welt der Wissenschaft begann ein 27-jähriger Physikprofessor in Berkeley, Kalifornien, mit der Arbeit, die eine moderne Ära multidisziplinärer nationaler Laboratorien einleiten sollte.
Ernest Orlando Lawrence wurde im August 1901 in einer kleinen Stadt in der Prärie von South Dakota als Sohn norwegischer Eltern geboren. Als Teenager bastelte er an Radios und trat mit 16 Jahren in das St. Olaf College in Minnesota ein. Nach einem Jahr wechselte er an die University of South Dakota, wo ihn ein Professor für Elektrotechnik davon überzeugte, dass sein Interesse am Radio eher auf eine Karriere in Physik als auf Medizin ausgerichtet sein würde. Nach seinem Abschluss mit Auszeichnung im Jahr 1922 studierte Lawrence an der University of Minnesota bei W.F.G. Swann, dem Lawrence an die University of Chicago und dann nach Yale folgte, wo er 1924 mit einer Dissertation über den photoelektrischen Effekt promovierte. Lawrence blieb als Postdoktorand an der Yale University, setzte seine Forschung zur Photoelektrizität fort und begann zu arbeiten, wie Atome eines von Elektronen getroffenen Gases ionisiert werden.
1928 trat Lawrence der Fakultät der University of California in Berkeley bei, mit einer Position, die Verbindungen zur UCB-Abteilung für Chemie beinhaltete. Dieser Zugang zu Wissenschaftlern und Studenten aus anderen Disziplinen war entscheidend für Lawrences Erfolg als Forscher und legte das Muster für das einzigartige Labor fest, das er später schuf.
Inspiriert von einem Artikel des norwegischen Ingenieurs Rolf Wideroe erfand Lawrence einen einzigartigen kreisförmigen Teilchenbeschleuniger, der als Zyklotron bekannt wurde. Wideroes Konzept basierte darauf, dasselbe elektrische Potential zweimal zu verwenden und die Energie zu verdoppeln, indem von positivem zu negativem Potential gewechselt wurde, um Ionen zu drücken und dann zu ziehen. Lawrence beurteilte Wideroes lineares Schema für leichte Atompartikel als unpraktisch, da es eine mehrere Meter lange Vakuumröhre erfordern würde. Aber es inspirierte ihn, darüber nachzudenken, wie man das gleiche Potenzial mehrmals nutzen könnte, anstatt nur einmal. Er dachte daran, mit einem Magnetfeld geladene Teilchen in kreisförmige Bahnen zu biegen und sie so immer wieder durch denselben Beschleunigungsbereich zu führen.
Die Idee erforderte eine Kombination ausgefeilter Techniken: eine Hochvakuumkammer mit elektrischen Feldern, die bei Radiofrequenzen variieren, und mit einigen Mitteln, um die Partikel in einer einzigen horizontalen Ebene zu halten. Die erste derartige Vorrichtung war eine kuchenförmige Mischung aus Gas, Siegellack und Bronze, die auch einen Küchenstuhl und einen Drahtkleiderbaum für den Betrieb enthielt. Dieser Prototyp bewies, dass das Konzept funktionierte.
Die im Sommer 1931 fertiggestellte Beschleunigungskammer des ersten Zyklotrons hatte einen Durchmesser von fünf Zoll und erhöhte Wasserstoffionen auf eine Energie von 80.000 Elektronenvolt. Seine Assistenten bauten anschließend das 11-Zoll-Zyklotron, das die Barriere von einer Million Elektronenvolt (MeV) durchbrach, aber Lawrence träumte bereits davon, ein Zyklotron mit einer Beschleunigungskammer von 27 Zoll Durchmesser zu konstruieren, die Energien von fast 5 MeV erreichen konnte. In der Notwendigkeit von mehr Laborraum, beschaffte Lawrence von der Universität ein leeres Gebäude neben der Fakultät für Physik im August 1931, die er das Strahlungslabor umbenannt, oder die „Rad Lab.“
Die 27-Zoll-Beschleunigungskammer des ersten Zyklotrons des Rad-Labors wurde bald durch eine 37-Zoll-Kammer mit einer Beschleunigungskapazität von 8 MeV für Deuteronen und 16 MeV für Alphateilchen ersetzt. Bis 1936 wurde die Maschine verwendet, um Radioisotope und das erste künstliche Element, Technetium, herzustellen. Um diese Zeit lud Lawrence seinen Bruder John, einen Arzt, ein, sich dem Labor anzuschließen und die Verwendung von Radioisotopen in der Biologie und medizinischen Forschung zu erforschen, was zum Bau des Crocker-Labors mit einer Beschleunigungskammer von 60 Zoll Durchmesser führte. Es wurde 1939 in Betrieb genommen. Im selben Jahr erhielt Lawrence den Nobelpreis für Physik in Anerkennung seines revolutionären Geräts.
Lawrences nächstes Zyklotron enthielt einen Magneten mit einem Gewicht von 4.000 Tonnen und eine Beschleunigungskammer mit einem Durchmesser von 184 Zoll, die in der Lage war, Atompartikel auf Energien von mehr als 100 MeV zu beschleunigen. Um die Maschine und die damit verbundenen experimentellen Einrichtungen unterzubringen, wurde auf dem nahe gelegenen Charter Hill ein permanenter Standort für das Rad-Labor errichtet, der 1946 fertiggestellt wurde.
Die Entwicklung von Lawrences Zyklotron trug dazu bei, unser Verständnis der Natur zu verändern, von der mikroskopischen Struktur der Materie bis zum menschlichen Stoffwechsel, vom Prozess der Photosynthese bis zur Schaffung neuer chemischer Elemente, einschließlich der Nummer 103 (Lawrencium). Lawrence schuf auch das Modell des Big-Science-Labors, von denen zwei seinen Namen tragen: das Lawrence Berkeley National Laboratory und das Lawrence Livermore National Laboratory. Lawrences Labore haben den interdisziplinären Ansatz in so fruchtbare neue Bereiche wie Umweltforschung, alternative Energiequellen, Astrophysik und Molekularbiologie vorangetrieben. Lawrence starb am 27.August 1958 im Alter von 57 Jahren an chronischer Kolitis.
Teilweise adaptiert aus einer Online-Ausstellung des American Institute of Physics History Center, „The Legacy of E.O. Lawrence.“ Siehe http://www.aip.org/history/lawrence/ für die vollständige Ausstellung.
