Rolf Wideröe und das Betatron

Norbert Lang

Schon als Student hat der Norweger Rolf Wideröe verschiedene Möglichkeiten skizziert, um sehr hohe elektrische Spannungen für die Atomforschung zu generieren. Er wurde zum Vater der Teilchenbeschleunigung und baute Elektronenbeschleuniger für Krebstherapie und Materialprüfung. Wideröe schwebten auch bereits Speicherringe zum Erzeugen von Teilchenkollisionen vor, wie sie später von anderen realisiert worden sind.

Ausbildung und Visionen

Rolf Wideröe wurde am 11. Juli 1902 in Oslo geboren. Nach dem Besuch von Grundschule und Gymnasium in Oslo studierte er Elektrotechnik in Karlsruhe. Als 21-jähriger Student hatte er die Vision, mittels elektromagnetischer Wechselfelder Elektronen auf hohe kinetische Energie zu beschleunigen. Er skizzierte hierzu verschiedene Realisierungswege. Als er dem "Vakuumpapst" Professor Gaede vorschlug, diese Ideen in einer Dissertation zu vertiefen, lehnte dieser das Thema als unrealistisch ab. Nach der Diplomierung und einem Industriepraktikum wechselte Wideröe nach Aachen an die Rheinisch Westfälische Technische Hochschule. 1927 promovierte er dort bei Professor Rogowski. Wideröes Arbeit: "Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen" wurde 1928 in der Zeitschrift "Archiv für Elektrotechnik" publiziert. Darin legte er dar, wie für die Atomforschung nötige hohe Spannungen durch Elektronenbeschleunigung erzeugt werden können. Er zeigte zwei mögliche Wege dazu auf: mittels Potentialfeldern (Linearbeschleuniger, Linac) oder mittels Wirbelfeldern (Kreisbeschleuniger, Betatron). Wideröe legte hier die nach ihm benannte wichtige Betatron-Relation vor. Trotz des knappen Umfangs von gerade mal 20 Druckseiten lieferte seine Dissertation einen wichtigen Beitrag zur Hochenergiephysik. Sie regte den späteren Nobelpreisträger E. O. Lawrence dazu an, das erste Zyklotron zu bauen.

Fig 1: Im Strahlenlabor von Brown Boveri bereitet Rolf Wideröe die Durchleuchtung eines Elektromotors vor.

Fig 2: Elektronen-Kreisröhre aus Hartglas, das Herzstück des Betatrons.

Von der Energietechnik zur Strahlenphysik

Von 1928 bis 1933 war Wideröe bei der AEG in Berlin tätig, wo er sich hauptsächlich mit der Entwicklung von Distanzrelais zum Schutz von Stromübertragungsleitungen befasste.
1933 kehrte er in seine norwegische Heimat zurück und betätigte sich weiterhin auf den Gebieten der Transformatorenentwicklung und Schutztechnik. 1940 trat er in den Dienst der Norwegischen Brown Boveri Werke (NEBB) in Oslo. Dort befasste er sich mit der Planung von Wasserkraftwerken. 1943 wurde Wideröe durch die deutsche Luftwaffe verpflichtet, in Hamburg ein 15 MeV Betatron zu entwickeln. Norwegen war 1940 durch die deutsche Wehrmacht besetzt worden. Da sein Bruder wegen Beteiligung an einer Widerstandsaktion in Haft sass, konnte Wideröe diesen Auftrag nicht ablehnen. Das deutsche Reichsluftfahrtministerium hoffte, Teilchenstrahlen als Kriegswaffe verwenden zu können. Doch bevor das Betatron einsatzfähig war, ging der Krieg zu Ende. Wideröe kehrte daraufhin nach Norwegen zurück.
Auf Empfehlung von ETH-Professor Paul Scherrer, dem Gründer des nach ihm benannten Forschungsinstituts in Würenlingen/AG, kam Rolf Wideröe 1946 zu Brown Boveri (BBC) nach Baden. BBC war an der friedlichen Nutzung der Atomenergie interessiert und verfügte über breites Know-How im Bau elektrischer Maschinen und in der Hochvakuumphysik (Elektronenröhren, Quecksilberdampfgleichrichter). Unter Wideröes Leitung entstand das BBC Betatron mit hauptsächlichen Anwendungen in Medizin und Materialprüfung. Die erste Anlage wurde 1951 an das Universitätsspital Zürich geliefert. Insgesamt hat BBC gegen 80 Geräte im Energiebereich zwischen 31 und 45 MeV gebaut. In weiter entwickelter Form kamen sie unter dem Markennamen «Asklepitron» auf den Markt. 1986 verkaufte BBC das Know-How an die Firma Varian Medical Systems.

Funktionsprinzip des Betatrons

Betastrahlen bestehen aus Elektronen. Wie erwähnt, ist das Betatron ein Elektronen-Kreisbeschleuniger. Wideröe nannte sein Gerät Strahlentransformator, weil es auf dem Transformatorprinzip beruht. Ein mit einphasigem Wechselstrom von 50 Hz erregter Eisenkern erzeugt ein sinusförmig pulsierendes Magnetfeld. An Stelle einer Sekundärwicklung ist eine evakuierte torusförmige Glasröhre (Bild 2) eingebaut mit einer Wolfram-Glühkathode als Elektronenquelle. Mit einer Anfangsenergie von rund 50 keV werden die Elektronen tangential in die Kreisröhre eingeschossen. Während des knapp 5 Millisekunden dauernden positiven Anstiegs der Sinuskurve werden sie in der Kreisröhre auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt [6]. In dieser kurzen Zeit bewältigen sie rund eine Million Umläufe. Bei einem durchschnittlichen Energiezuwachs von 31 eV pro Umlauf erreichen sie eine kinetische Endenergie von 31 MeV. Damit der Elektronenstrahl während der Beschleunigungsphase auf einer Kreisbahn mit konstantem Radius gehalten wird, ist ein magnetisches Führungsfeld notwendig, das der Wideröe’schen 2:1 Relation (Kasten 1) entsprechen muss. Nach Erreichen der Endgeschwindigkeit wird der kollimierte Strahl magnetisch ausgelenkt und trifft auf ein Platinplättchen (die Antikathode) als Target. Durch die abrupte Bremsung werden ultraharte Röntgenstrahlen (Gammastrahlen) emittiert. Die Strahlen sind gepulst im 20-Millisekundentakt und vermögen Stahlwände bis zu 50 cm Dicke zu durchdringen, weshalb sie neben medizinischen Therapien auch für die zerstörungsfreie Materialprüfung verwendet wurden. Es sind auch Geräte mit direkt ausgelenkten Elektronenstrahlen gebaut worden für kernspektroskopische Anwendungen. Wideröe hat zudem ein Zweistrahl-Betatron entwickelt, bei dem neben dem positiven auch der negative Anstieg des Sinusfeldes für die Beschleunigung genutzt wird. Dabei kreist abwechselnd im einen oder im anderen Richtungssinn ein Elektronenstrahl in der Röhre. Mit den beiden Strahlenbündeln können entweder gleichzeitig zwei Patienten therapiert oder Stereo-Röntgenbilder für die Materialprüfung erzeugt werden (Bild 3). Ein komplettes Betatron mit Abschirmung aber ohne Steuerung wiegt rund 5 Tonnen.

Die Wideröe’sche 2:1 Relation

Wenn B_i die Dichte des Induktionsfeldes und B_s die des Führungsfeldes (Wideröe: Steuerfeld) bezeichnet, so beträgt die Impulsänderung der Elektronen mit der Ladung e:
     d/dt mv = e / (2πr) · d/dt (πr² · B_i)     (1)
Damit der Bahnradius r während der Beschleunigung konstant bleibt, muss folgende Beziehung gelten:
     d/dt mv = e · r d/dt B_s     (2)
Durch Gleichsetzen von (1) und (2)
     ½ e · r · d/dt B_i = e · r d/dt B_s     (3)
und da bei t = 0 → B_i = 0 und B_s= 0, folgt:
     ½B_i = B_s     (4)
d. h. das Führungsfeld muss stets halb so gross sein wie das Induktionsfeld. Wideröe hat diese Relation als 21-jähriger Student gefunden.

Fig 3: Zerstörungsfreie Prüfung einer Peltonturbine mittels Zweistrahlbetatron.
Die Röntgenstrahlfelder sind durch Metallstäbe visualisiert. Auf der Rückseite des Turbinenrades sind Filmkassetten für Fotoaufnahmen befestigt.

Hochschuldozent und Fachberater

Parallel zu seiner Forschungs- und Entwicklungsarbeit in der Industrie hat Wideröe rund 20 Jahre lang als Privatdozent und später als Titularprofessor Vorlesungen an beiden Zürcher Hochschulen gehalten. Er setzte sich mit der Wirkung ionisierender Strahlen auf menschliches Zellgewebe auseinander und wies nach, dass die mittels Betatron erzeugten hochenergetischen Strahlen für die Behandlung von Tumoren in vielen Fällen besser geeignet sind als die bis anhin verwendeten "weichen" Röntgenstrahlen. Eine von Wideröe entwickelte Zweikomponententheorie ermöglichte die quantitative Berechnung der Strahlenreaktion und die Erstellung individueller Bestrahlungsprogramme für jede einzelne Therapie. Wideröe arbeitete auch häufig als Referent bei Fachkongressen mit und war für verschiedene Institutionen beratend tätig. Unter anderem wirkte er am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf und beim Forschungssynchrotron DESY in Hamburg als Berater mit. Seine Publikationsliste ist recht umfangreich. Auch nach seiner Pensionierung 1968 nahm er weiterhin regen Anteil an den Ergebnissen der Atom- und Teilchenforschung. Wideröe war mit der Norwegerin Ragnhild Christiansen verheiratet. Das Ehepaar hatte eine Tochter und zwei Söhne und wohnte in Nussbaumen bei Baden. Rolf Wideröe verstarb am 11. Oktober 1996.

Wegweisende Patente

Zwischen 1943 und 1971 hat Wideröe mehr als 50 Patente angemeldet. Die meisten seiner Patente beziehen sich auf spezielle Anwendungen oder Detailverbesserungen des Betatrons. Darunter fällt auch das erwähnte Zweistrahlbetatron. Ferner entwickelte Wideröe magnetische Linsen zur Strahlfokussierung sowie diverse Schwenk- und Kippmechanismen für Betatrons und Therapietische. Zudem hat Wideröe für seine Zeit absolut neuartige Ideen in Patenten niedergelegt. Mit dem Titel "Anordnung zur Herbeiführung von Kernreaktionen" patentierte er 1943 einen Speicherring für gegenläufig kreisende, kollidierende geladene Teilchen, den er als "Kernmühle" bezeichnete (Kasten 2). Wegen des Krieges wurde das Patent jedoch erst 1953 publiziert. Ein anderes Patent betrifft ein Synchrotron mit Driftröhren. Es wurde 1949 eingereicht mit dem Titel: "Anordnung zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen". Diese beiden Patente sind in [5] als Faksimile abgedruckt. 1958 hat Wideröe sogar für einen Kernfusionsreaktor ein Patent beantragt.

1943 berichtete Rolf Wideröe von einem Ferienerlebnis:

"An einem schönen Sommertag lag ich im Gras und betrachtete die vorüberziehenden Wolken. Dann stellte ich mir vor, was passieren würde, wenn zwei Autos frontal zusammenstiessen. Wenn ein Auto mit der Geschwindigkeit v auf ein stehendes Fahrzeug von gleicher Masse prallt, beträgt die kinetische Energie ¼ mv² (unelastischer Stoss). Wenn jedoch beide Fahrzeuge mit gleicher Geschwindigkeit v frontal gegen einander stossen, wird die vierfache Energie mv² generiert, obschon vor der Kollision nur die doppelte Energie vorhanden war. Das zeigt klar, dass Frontalkollisionen im Strassenverkehr vermieden werden müssen. Zusammenstösse von Protonen hingegen könnten von grossem Nutzen für die Forschung sein."

Fig 4: Blick in ein geöffnetes Betatron. Sichtbar der radial geblechte Magnetjocharm mit konzentrischen Erregerwicklungen und dazwischen liegender Kreisröhre.

Ehrungen

Für seine wissenschaftlichen Arbeiten wurden Rolf Wideröe zahlreiche Ehrungen zuteil.
1962 verliehen ihm die Rheinisch Westfälische Technische Hochschule Aachen sowie die Universität Zürich die Ehrendoktorwürde und die ETH Zürich den Titel Titularprofessor. Die Stadt Würzburg, in der Wilhelm Conrad Röntgen 1895 die nach ihm benannten Strahlen entdeckt hatte, verlieh Wideröe 1971 den Röntgenpreis. 1973 wurde Wideröe zum Mitglied der norwegischen Akademie der Wissenschaften ernannt. 1983 wurde er Ehrenmitglied der SGSMP. Anlässlich seines neunzigsten Geburtstages 1992 veranstaltete die ETH Zürich zu seinen Ehren ein Fachsymposium.

Ab den 1970er Jahren ist das Betatron zunehmend durch wesentlich leistungsfähigere Beschleuniger verdrängt worden. Für medizinische Therapien und für die Materialprüfung setzten sich mit Hochfrequenz betriebene Linearbeschleuniger durch, die kompakter und auch preisgünstiger sind. Für Protonen-Beschleunigung sind Betatrons nicht geeignet. In der Teilchenforschung kamen deshalb Synchrotrons und später immer grössere Speicherringe zum Einsatz. Trotzdem verdient Wideröes grundlegende Pionierarbeit heute noch immer Bewunderung.

Interview der BBC Hauszeitung mit Rolf Wideröe 1962:

"Eine besondere technologische Schwierigkeit zeigte sich bei der Herstellung der kreisförmigen Hochvakuumröhre mit den eingeschmolzenen Elektronenspritzen (Bild 2). Sie verlangte ein überaus hohes glastechnisches und glasbläserisches Können. Zwei Jahre benötigten wir, um dieses Problem befriedigend zu lösen."

Quellen

[1] Bethke, Siegfried / Rein, Dieter (Hg.): Teilchenphysik aus heutiger Sicht. Springer, Berlin / Heidelberg, 1998. (Von Wideröes Dissertation bis zum Collider.)
[2] Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik 4: Kern- Teilchen- und Astrophysik. 3. A. Springer, Berlin / Heidelberg, 2010. (Sämtliche Beschleunigertypen mit Berechnungsbeispielen.)
[3] Hinterberger, Frank: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. A. Springer, Berlin / Heidelberg, 2008. (Überblick über die verschiedenen Beschleunigertypen.)
[4] Kollath, Rudolf (Hg.): Teilchenbeschleuniger. 2. A. Vieweg, Braunschweig, 1962. (Aufbau und Wirkungsweise aller Beschleunigertypen.)
[5] Waloschek, Pedro: Als die Teilchen laufen lernten. Leben und Werk des Rolf Wideröe. Vieweg, Braunschweig, 1993. (Neuauflage 2007). (Redigierte und kommentierte Aufzeichnungen Wideröes.)
[6] Wideröe, Rolf: Der 31 MeV Strahlentransformator (Betatron). Brown Boveri Mitteilungen 38(1951) 9/10, S. 260 – 272. (Grundprinzip, Wideröe’sche Relation, Konstruktion.)

Weitere Fachaufsätze und Bilder aus dem Archiv ABB Schweiz, Baden.

Norbert Lang, *1934, Dipl. Maschineningenieur HTL, war Dozent und Schulleiter an Höheren Technischen Fachschulen und leitete das historische Archiv von ABB Schweiz.

[Veröffentlicht: September 2011]