June 1931: Lawrence and The First Cyclotron
yllä kuvassa Lawrence ja Livingston vuoden 1933 tienoilla sekä kuva Pöytäsyklotronista.
1920-luku merkitsi Yhdysvaltain siirtymistä moderniin teknologiaan perustuvaan yhteiskuntaan, ja se oli myös merkittävien yksilösaavutusten aikaa. 27-vuotias fysiikan professori Berkeleyssä Kaliforniassa aloitti työn, joka käynnistää monitieteisten kansallisten laboratorioiden modernin aikakauden.
Ernest Orlando Lawrence syntyi elokuussa 1901 pienessä kaupungissa Etelä-Dakotan preerialla norjalaistaustaisille vanhemmille. Teini-ikäisenä hän näperteli radioiden kanssa ja pääsi Minnesotan St. Olaf Collegeen 16-vuotiaana. Vuoden kuluttua hän siirtyi Etelä-Dakotan yliopistoon, jossa sähkötekniikan professori sai hänet vakuuttuneeksi siitä, että hänen kiinnostuksensa radioon suuntaisi hyvin fysiikan eikä lääketieteen uralle. Valmistuttuaan arvosanoin vuonna 1922 hän jatkoi syventäviä opintoja Minnesotan yliopistossa W. F. G. Swannin johdolla, jota Lawrence seurasi Chicagon yliopistoon ja sieltä Yaleen, jossa hän väitteli tohtoriksi vuonna 1924 väitöskirjalla valosähköisestä vaikutuksesta. Lawrence pysyi Yale kuin jälkeisten fellow, jatkaa tutkimusta fotoelectricity, ja aloitti työn siitä, miten atomit kaasun iski elektronit ovat ionisoituneet.
vuonna 1928 Lawrence liittyi Kalifornian yliopiston Berkeleyn tiedekuntaan tehtävään, johon sisältyi yhteyksiä UCB: n kemian osastolle. Tämä pääsy tutkijoiden ja opiskelijoiden muiden tieteenalojen oli kriittinen Lawrence menestys tutkijana ja vakiinnutti mallin ainutlaatuinen laboratorio hän myöhemmin luonut.
norjalaisen insinöörin Rolf Wideroen paperin innoittamana Lawrence keksi ainutlaatuisen pyöreän hiukkaskiihdyttimen, joka tuli tunnetuksi syklotronina. Wideroen käsite perustui siihen, että samaa sähköpotentiaalia käytettiin kahdesti, jolloin energia kaksinkertaistettiin vaihtamalla positiivisesta negatiiviseen potentiaaliin, jolloin ionit työnnettiin ja sitten niitä vedettiin. Lawrence piti wideroen lineaarista järjestelmää epäkäytännöllisenä kevyille atomihiukkasille, koska se vaatisi useita metrejä pitkän tyhjiöputken. Se kuitenkin innosti häntä miettimään, miten samaa potentiaalia voisi käyttää monta kertaa vain kerran sijaan. Hän suunniteltu käyttäen magneettikentän taivuttaa varattujen hiukkasten osaksi pyöreä trajectories ja siten siirtää ne läpi saman kiihtyvällä alueella uudelleen ja uudelleen.
ajatus edellytti hienostuneiden tekniikoiden yhdistelmää: suurtyhjiökammiota, jonka sähkökentät vaihtelivat radiotaajuuksilla ja jossa oli joitakin keinoja pitää hiukkaset yhdessä vaakatasossa. Ensimmäinen tällainen laite oli kaasusta, tiivistevahasta ja pronssista tehty piirakkamainen seos, johon oli liitetty myös Keittiötuoli ja rautalankavaatepuu toimintaa varten. Prototyyppi todisti konseptin toimineen.
valmistui kesällä 1931 ensimmäisen syklotronin kiihdytyskammio mittasi halkaisijaltaan viisi tuumaa ja nosti vetyionit 80 000 elektronivoltin energiaksi. Tämän jälkeen hänen avustajansa rakensivat 11-tuumaisen syklotronin, joka rikkoi miljoonan elektronivoltin (MeV) esteen, mutta Lawrence haaveili jo rakentavansa syklotronin, jonka kiihdytyskammio on halkaisijaltaan 27-tuumainen ja joka kykenee saavuttamaan lähes 5 MeV: n energiat. Koska Lawrence tarvitsi lisää laboratoriotilaa, hän hankki yliopistolta tyhjän rakennuksen fysiikan laitoksen vierestä elokuussa 1931, jonka hän nimesi Säteilylaboratorioksi eli ”Rad Lab: ksi.”
Radiolaboratorion ensimmäisen syklotronin 27 tuuman kiihdytyskammio korvattiin pian 37 tuuman kammiolla, jonka kiihtyvyys oli deuteroneille 8 MeV ja alfahiukkasille 16 MeV. Vuoteen 1936 mennessä koneesta oli tehty radioisotooppeja ja ensimmäinen keinotekoinen alkuaine, teknetium. Näihin aikoihin Lawrence kutsui veljensä Johnin, joka oli lääkäri, liittymään laboratorioon ja tutkimaan radioisotooppien käyttöä biologiassa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa, mikä huipentui Crockerin laboratorion rakentamiseen, jonka kiihdytyskammio oli halkaisijaltaan 60 tuumaa. Se aloitti toimintansa vuonna 1939. Samana vuonna Lawrence sai Nobelin fysiikanpalkinnon tunnustuksena vallankumouksellisesta laitteestaan.
Lawrencen seuraavassa syklotronissa oli 4 000 tonnia painava magneetti ja halkaisijaltaan 184 tuumaa halkaisijaltaan oleva kiihdytyskammio, joka kykeni kiihdyttämään atomihiukkaset yli 100 MeV: n energioihin. Koneen ja sen mukana kulkevien kokeellisten tilojen asuttamiseksi rakennettiin läheiselle Charter-kukkulalle vuonna 1946 valmistunut Radiolaboratorion pysyvä sijoituspaikka.
Lawrencen syklotronin kehitys auttoi muuttamaan käsitystämme luonnosta, aineen mikroskooppisesta rakenteesta ihmisen aineenvaihduntaan, fotosynteesistä uusien kemiallisten alkuaineiden, kuten numeron 103 (lawrencium), syntymiseen. Lawrence loi myös suurtieteellisen laboratorion mallin, joista kaksi kantaa hänen nimeään: Lawrence Berkeley National Laboratory ja Lawrence Livermore National Laboratory. Lawrencen laboratoriot ovat työntäneet tieteidenvälistä lähestymistapaa sellaisille hedelmällisille uusille aloille kuin Ympäristötutkimus, Vaihtoehtoiset energialähteet, astrofysiikka ja molekyylibiologia. Lawrence kuoli 27. elokuuta 1958 krooniseen koliittiin 57-vuotiaana.
sovitettu osittain American Institute of Physics History Centerin verkkonäyttelystä ” the Legacy of E. O. Lawrence.”Katso http://www.aip.org/history/lawrence/ koko näyttely.
