Cockcroft-Walton-Beschleuniger

Der Cockcroft-Walton-Beschleuniger (manchmal auch Cockcroft-Walton-Generator genannt, obwohl damit eigentlich nur der Hochspannung erzeugende Teil der Anlage beschrieben wird und nicht der Teilchen-beschleunigende) ist ein mit Gleichspannung arbeitender Typ von Teilchenbeschleunigern.

Seinen Entwicklern John Cockcroft^[1] und Ernest Walton (damals St. John’s College, Cambridge) gelang damit 1930 der erste Nachweis einer durch künstlich beschleunigte Teilchen ausgelösten Kernreaktion^{[2][3][4][5][6]} – damals auch Kernzertrümmerung bezeichnet. Dazu wurde Lithium mit Protonen der kinetischen Energie 300 keV bestrahlt. Als Reaktionsprodukte wurden Helium-4-Atomkerne (Alphateilchen) beobachtet:

${\displaystyle \mathrm {p} +^{7}\mathrm {Li} \ \rightarrow \ ^{4}\mathrm {He} +{}^{4}\mathrm {He} +17{,}35\;\mathrm {MeV} }$ .

Für ihre Arbeiten erhielten die beiden Physiker den 1951 Nobelpreis in Physik „für ihre Pionierarbeit auf dem Gebiet der Transmutation von Atomkernen durch künstlich beschleunigte Atomteilchen“.^[7]

Das Cockcroft-Walton-Experiment ist insofern relevant, da es bereits im Jahr 1930 die 1905^[8] und 1908^[9] von Albert Einstein gefundene Masse-Energie-Äquivalenz experimentell für nukleare Prozesse bestätigen konnte. Eine Überprüfung erfolgte 1933 durch den US-amerikanischen Physiker Kenneth T. Bainbridge unter Zuhilfenahme der ersten Massenspektrometer und Daten von Francis W. Aston.^[10][11]

Die Zertrümmerung bzw. der Zerfall von Atomkernen durch die Kollision von subatomaren Teilchen mit Atomkernen ist nicht dasselbe wie die 1938 entdeckte Kernspaltung. Letztere wird durch Neutronen ausgelöst und weist zahlreiche Eigenheiten auf.

Der eigentliche Beschleunigungsteil ist dem eines Van-de-Graaff-Beschleunigers sehr ähnlich: ein gerades Rohr, in dem Hochvakuum und ein in Längsrichtung orientiertes, zeitlich konstantes elektrisches Feld aufrechterhalten werden. Der Unterschied liegt darin, dass die Beschleunigungsspannung von einer Hochspannungskaskade erzeugt wird. Die Potentialringe des Beschleunigungsrohrs benötigen nicht wie beim Van-de-Graaff-Beschleuniger eine Widerstandskette als Spannungsteiler, sondern können einfach mit den einzelnen Spannungsstufen der Kaskade verbunden werden.

Durch Schwierigkeiten bei der Isolierung (Kriechstrom, Koronaentladung) ist die erreichbare Spannung wie bei Van-de-Graaff-Anlagen auf einige Megavolt begrenzt.

Zum Betrieb der Ionenquelle ist eine Stromversorgung innerhalb der Hochspannungselektrode (Terminal) nötig. Sie kann in einem Generator bestehen, der durch eine isolierende Welle von einem auf Erdpotential befindlichen Motor angetrieben wird. Bei kleinen Anlagen für z. B. 200 Kilovolt ist auch die Versorgung durch einen hochisolierenden Transformator möglich.

Die Hochspannung muss nicht wie bei Van-de-Graaff-Anlagen durch elektrostatische Technik aufgebaut werden (mechanischer Transport von Ladung auf einem bewegten Isolator), sondern wird über Transformator und Spannungsvervielfacher aus dem Stromnetz gewonnen. Deshalb eignen Cockcroft-Walton-Anlagen sich auch für Anwendungen mit relativ hoher Stromstärke des Teilchenstrahls (bis zu vielen Milliampere). Andererseits ist ihre Hochspannung und damit die Teilchenenergie weniger genau konstant, sondern weist durch Welligkeit immer eine gewisse Unschärfe auf.

Cockroft-Walton-Beschleuniger spielen als selbständige Beschleunigungsanlagen für die physikalische Grundlagenforschung kaum noch eine Rolle. Sie dienen jedoch in vielen Großbeschleunigern wie Synchrotrons als erste Beschleunigungsstufe direkt am Ausgang der Ionenquelle.

• Atomic Energy Research Establishment
• Cavendish-Laboratorium
• Clarendon-Laboratory

1. ↑ Marcus Laurence Elwin Oliphant, William George Penney: John Douglas Cockcroft, 1897-1967. In: Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. Band 14, November 1968, ISSN 0080-4606, S. 139–188, doi:10.1098/rsbm.1968.0007 (royalsocietypublishing.org [abgerufen am 29. September 2025]). 
2. ↑ Experiments with high velocity positive ions.―(I) Further developments in the method of obtaining high velocity positive ions. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. Band 136, Nr. 830, Juni 1932, ISSN 0950-1207, S. 619–630, doi:10.1098/rspa.1932.0107 (englisch, royalsocietypublishing.org [abgerufen am 29. September 2025]). 
3. ↑ Experiments with high velocity positive ions. II. -The disintegration of elements by high velocity protons. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. Band 137, Nr. 831, Juli 1932, ISSN 0950-1207, S. 229–242, doi:10.1098/rspa.1932.0133 (englisch, royalsocietypublishing.org [abgerufen am 29. September 2025]). 
4. ↑ Experiments with high velocity positive ions. III.—The disintegration of lithium, boron, and carbon by heavy hydrogen ions. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. Band 144, Nr. 853, Mai 1934, ISSN 0950-1207, S. 704–720, doi:10.1098/rspa.1934.0078 (englisch, royalsocietypublishing.org [abgerufen am 29. September 2025]). 
5. ↑ Experiments with high velocity positive ions IV—the production of induced radioactivity by high velocity protons and diplons. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences. Band 148, Nr. 863, Januar 1935, ISSN 0080-4630, S. 225–240, doi:10.1098/rspa.1935.0015 (englisch, royalsocietypublishing.org [abgerufen am 29. September 2025]). 
6. ↑ Experiments with high velocity positive ions V—Further experiments on the disintegration of boron. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences. Band 154, Nr. 881, 2. März 1936, ISSN 0080-4630, S. 246–261, doi:10.1098/rspa.1936.0049 (englisch, royalsocietypublishing.org [abgerufen am 29. September 2025]). 
7. ↑ John Cockcroft – Facts. Abgerufen am 29. September 2025 (amerikanisches Englisch). 
8. ↑ A. Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? In: Annalen der Physik. Band 323, Nr. 13, Januar 1905, ISSN 0003-3804, S. 639–641, doi:10.1002/andp.19053231314 (wiley.com [abgerufen am 6. Oktober 2025]). 
9. ↑ A. Einstein: Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen. In: Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik. Band 4, Nr. 16. Berlin 1908, S. 411–462 (fisica.net [PDF]). 
10. ↑ Kenneth T. Bainbridge: The Equivalence of Mass and Energy. In: Physical Review. Band 44, Nr. 2, 15. Juli 1933, ISSN 0031-899X, S. 123–123, doi:10.1103/PhysRev.44.123.2 (englisch, aps.org [abgerufen am 6. Oktober 2025]). 
11. ↑ F. W. Aston: Bakerian Lecture. A New Mass-Spectrograph and the Whole Number Rule. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. Band 115, Nr. 772, 1927, ISSN 0950-1207, S. 487–514, JSTOR:94803 (englisch).