Cyklotron -Cyclotron

60-calowy cyklotron Lawrence'a, około 1939 roku, pokazujący wiązkę przyspieszonych jonów (prawdopodobnie protonów lub deuteronów ) wychodzących z maszyny i jonizujących otaczające powietrze, powodując niebieską poświatę.

Cyklotron to rodzaj akceleratora cząstek wynaleziony przez Ernesta O. Lawrence'a w latach 1929-1930 na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i opatentowany w 1932 roku. Cyklotron przyspiesza naładowane cząstki na zewnątrz od środka płaskiej cylindrycznej komory próżniowej po spiralnej ścieżce . Cząstki są utrzymywane w spiralnej trajektorii przez statyczne pole magnetyczne i przyspieszane przez szybko zmieniające się pole elektryczne . Lawrence otrzymał za ten wynalazek w 1939 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

Cyklotron był pierwszym „cyklicznym” akceleratorem. Podstawowymi akceleratorami przed opracowaniem cyklotronu były akceleratory elektrostatyczne , takie jak akcelerator Cockcrofta-Waltona i generator Van de Graaffa . W tych akceleratorach cząstki przechodziłyby przez przyspieszające pole elektryczne tylko raz. W ten sposób energia uzyskana przez cząstki była ograniczona maksymalnym potencjałem elektrycznym , jaki można było osiągnąć w obszarze przyspieszającym. Potencjał ten był z kolei ograniczony przez przebicie elektrostatyczne do kilku milionów woltów. Natomiast w cyklotronie cząstki wielokrotnie napotykają obszar przyspieszania, podążając spiralną ścieżką, więc energia wyjściowa może być wielokrotnie większa niż energia uzyskana w jednym kroku przyspieszania.

Cyklotrony były najpotężniejszą technologią akceleratorów cząstek do lat pięćdziesiątych, kiedy zostały zastąpione przez synchrotron . Mimo że nie są już akceleratorem o najwyższej energii, nadal są szeroko stosowane do wytwarzania wiązek cząstek w badaniach podstawowych i medycynie nuklearnej . Blisko 1500 cyklotronów jest używanych w medycynie nuklearnej na całym świecie do produkcji medycznych radionuklidów . Ponadto cyklotrony mogą być wykorzystywane do terapii cząsteczkowej , w której wiązki cząsteczek są kierowane bezpośrednio na pacjentów.

Historia

Oryginalny 4,5-calowy cyklotron Lawrence
Jarzmo magnetyczne do 37-calowego cyklotronu wystawionego w Lawrence Hall of Science w Berkeley w Kalifornii.

Na przełomie 1928 i 1929 roku węgierski fizyk Leo Szilárd złożył w Niemczech (później zaniechany) wniosek patentowy na akcelerator liniowy , cyklotron i betatron . W tych zastosowaniach Szilárd jako pierwszy omówił stan rezonansu (obecnie nazywanego częstotliwością cyklotronową) kołowego aparatu przyspieszającego. Kilka miesięcy później, wczesnym latem 1929 roku, Ernest Lawrence niezależnie opracował koncepcję cyklotronu po przeczytaniu artykułu Rolfa Widerøe opisującego akcelerator z rurą dryfującą. Opublikował artykuł w Science w 1930 i opatentował urządzenie w 1932.

Do skonstruowania pierwszego takiego urządzenia Lawrence użył dużych elektromagnesów pochodzących z przestarzałych konwerterów łukowych dostarczonych przez Federal Telegraph Company . Asystował mu doktorant, M. Stanley Livingston . Ich pierwszy działający cyklotron zaczął działać w styczniu 1931 roku. Maszyna ta miała promień 4,5 cala (11 cm) i przyspieszała protony do energii do 80  keV .

W Laboratorium Radiacyjnym Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley Lawrence i jego współpracownicy skonstruowali serię cyklotronów, które były wówczas najpotężniejszymi akceleratorami na świecie; 27-calowa (69 cm) maszyna 4,8 MeV (1932), 37-calowa (94 cm) maszyna 8 MeV (1937) i 60-calowa (152 cm) maszyna 16 MeV (1939). Lawrence otrzymał w 1939 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie i rozwój cyklotronu oraz za uzyskane dzięki nim wyniki.

Pierwszy europejski cyklotron powstał w Związku Radzieckim na wydziale fizyki Instytutu Radowego w Leningradzie , kierowanego przez Witalija Chłopina  [ ru ] . Ten instrument leningradzki został po raz pierwszy zaproponowany w 1932 roku przez George'a Gamowa i Lwa Mysovskii  [ ru ] i został zainstalowany i zaczął działać w 1937 roku.

W nazistowskich Niemczech zbudowano dwa cyklotrony . Pierwsza została skonstruowana w 1937 r. w laboratorium Otto Hahna w Instytucie Cesarza Wilhelma w Berlinie i była używana również przez Rudolfa Fleischmanna . Był to pierwszy cyklotron z mnożnikiem Greinachera , który podniósł napięcie do 2,8 MV i prąd 3 mA. Drugi cyklotron został zbudowany w Heidelbergu pod nadzorem Walthera Bothe i Wolfganga Gentnera przy wsparciu Heereswaffenamt i zaczął działać w 1943 roku.

Pod koniec lat 30. stało się jasne, że istnieje praktyczny limit energii wiązki, który można osiągnąć za pomocą tradycyjnego projektu cyklotronu, ze względu na efekty szczególnej teorii względności . Gdy cząstki osiągają prędkości relatywistyczne, ich masa efektywna wzrasta, co powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej dla danego pola magnetycznego. Aby rozwiązać ten problem i osiągnąć wyższe energie wiązki za pomocą cyklotronów, zastosowano dwa podstawowe podejścia, synchrocyklotrony (które utrzymują stałe pole magnetyczne, ale zwiększają częstotliwość przyspieszania) i cyklotrony izochroniczne (które utrzymują stałą częstotliwość przyspieszania, ale zmieniają pole magnetyczne). .

Zespół Lawrence'a zbudował jeden z pierwszych synchrocyklotronów w 1946 roku. Ta maszyna o długości 184 cali (4,7 m) ostatecznie osiągnęła maksymalną energię wiązki 350 MeV dla protonów. Jednak synchrocyklotrony cierpią z powodu małych natężeń wiązki (< 1 µA) i muszą działać w trybie „impulsowym”, co dodatkowo zmniejsza dostępną wiązkę całkowitą. W związku z tym szybko wyprzedziły je izochroniczne cyklotrony.

Pierwszy cyklotron izochroniczny (inny niż sklasyfikowane prototypy) został zbudowany przez F. Heyna i KT Khoe w Delft w Holandii w 1956 roku. Wczesne cyklotrony izochroniczne były ograniczone do energii ~50 MeV na nukleon, ale wraz ze stopniowym ulepszaniem technik wytwarzania i projektowania , konstrukcja cyklotronów „sektora spiralnego” umożliwiła przyspieszanie i sterowanie mocniejszymi wiązkami. Późniejsze osiągnięcia obejmowały zastosowanie silniejszych magnesów nadprzewodzących i separację magnesów na dyskretne sektory, w przeciwieństwie do pojedynczego dużego magnesu.

Zasada działania

Schemat cyklotronu. Nabiegunniki magnesu są mniejsze niż w rzeczywistości; w rzeczywistości muszą być co najmniej tak szerokie jak elektrody przyspieszające („dees”), aby wytworzyć jednorodne pole.

Zasada cyklotronu

Ilustracja akceleratora liniowego pokazująca rosnącą odległość między szczelinami.
Schemat działania cyklotronu z patentu Lawrence'a z 1934 roku. Elektrody w kształcie litery „D” (po lewej) są zamknięte w płaskiej komorze próżniowej , która jest zainstalowana w wąskiej szczelinie między dwoma biegunami dużego magnesu. (po prawej)
Komora próżniowa cyklotronu Lawrence 69 cm (27 cali) z 1932 r. Z usuniętą pokrywą, z widocznymi wypustkami. Potencjał przyspieszający 13 000 V RF przy około 27 MHz jest przykładany do dwustanów przez dwie linie zasilające widoczne w prawym górnym rogu. Wiązka wyłania się z dudników i uderza w cel w komorze na dole.

W akceleratorze cząstek naładowane cząstki są przyspieszane przez przyłożenie pola elektrycznego przez szczelinę. Siła działająca na cząstkę jest określona przez prawo siły Lorentza :

gdzie q to ładunek na cząstce, E to pole elektryczne, v to prędkość cząstki, a B to pole magnetyczne. W konsekwencji nie jest możliwe przyspieszanie cząstek za pomocą statycznego pola magnetycznego, ponieważ siła magnetyczna działa zawsze prostopadle do kierunku ruchu.

W praktyce wielkość pola statycznego, które może być przyłożone w poprzek szczeliny, jest ograniczona koniecznością uniknięcia przebicia elektrostatycznego . Jako takie, nowoczesne akceleratory cząstek wykorzystują zmienne ( częstotliwości radiowe ) pola elektryczne do przyspieszania. Ponieważ zmienne pole w szczelinie zapewnia przyspieszenie tylko w kierunku do przodu przez część swojego cyklu, cząstki w akceleratorach RF przemieszczają się w pęczkach, a nie w ciągłym strumieniu. W liniowym akceleratorze cząstek , aby wiązka „widziała” napięcie przewodzenia za każdym razem, gdy przekracza szczelinę, szczeliny muszą być coraz bardziej oddalone od siebie, aby skompensować rosnącą prędkość cząstki.

Z kolei cyklotron wykorzystuje pole magnetyczne do zaginania trajektorii cząstek w spiralę, umożliwiając w ten sposób wielokrotne wykorzystanie tej samej szczeliny do przyspieszenia pojedynczej wiązki. Gdy wiązka skręca się na zewnątrz, rosnąca odległość między tranzytami przerwy jest dokładnie równoważona wzrostem prędkości, więc wiązka za każdym razem osiągnie przerwę w tym samym punkcie cyklu RF.

Częstotliwość, z jaką cząstka będzie krążyć w prostopadłym polu magnetycznym, jest znana jako częstotliwość cyklotronu i zależy, w przypadku nierelatywistycznym, wyłącznie od ładunku i masy cząstki oraz siły pola magnetycznego:

gdzie f to częstotliwość (liniowa), q to ładunek cząstki, B to wielkość pola magnetycznego prostopadłego do płaszczyzny, w której porusza się cząstka, a m to masa cząstki. Właściwość, że częstotliwość jest niezależna od prędkości cząstki, umożliwia wykorzystanie pojedynczej, stałej szczeliny do przyspieszenia cząstki poruszającej się po spirali.

Energia cząstek

Za każdym razem, gdy cząstka przechodzi przez szczelinę przyspieszającą w cyklotronie, pole elektryczne w szczelinie nadaje jej siłę przyspieszającą, a całkowity zysk energetyczny cząstki można obliczyć, mnożąc wzrost na przejście przez liczbę razy, gdy cząstka przechodzi przez szczelinę. luka.

Jednak biorąc pod uwagę zwykle dużą liczbę obrotów, zwykle łatwiej jest oszacować energię, łącząc równanie częstotliwości w ruchu kołowym :

z równaniem częstotliwości cyklotronu, aby otrzymać:

Energia kinetyczna cząstek o prędkości v jest zatem dana wzorem:

gdzie R jest promieniem, przy którym ma być określona energia. Ograniczenie energii wiązki, jaką może wytworzyć dany cyklotron, zależy zatem od maksymalnego promienia, jaki może osiągnąć pole magnetyczne i struktury przyspieszające, oraz od maksymalnej siły pola magnetycznego, jaką można osiągnąć.

Współczynnik K

W nierelatywistycznym przybliżeniu maksymalna energia kinetyczna na masę atomową danego cyklotronu jest dana wzorem:

gdzie to ładunek elementarny, to siła magnesu, to maksymalny promień wiązki, to jednostka masy atomowej , to ładunek cząstek wiązki, to masa atomowa cząstek wiązki. Wartość K

jest znany jako „współczynnik K” i służy do scharakteryzowania maksymalnej energii wiązki cyklotronu. Reprezentuje teoretyczną maksymalną energię protonów (przy Q i A równych 1) przyspieszonych w danej maszynie.

Rozważania relatywistyczne

W nierelatywistycznym przybliżeniu częstotliwość cyklotronu nie zależy od prędkości cząstki ani promienia orbity cząstki. Gdy wiązka skręca się na zewnątrz, częstotliwość rotacji pozostaje stała, a wiązka nadal przyspiesza, gdy pokonuje większą odległość w tym samym okresie czasu. W przeciwieństwie do tego przybliżenia, gdy cząstki zbliżają się do prędkości światła , częstotliwość cyklotronu spada z powodu zmiany masy relatywistycznej . Ta zmiana jest proporcjonalna do współczynnika Lorentza cząstki .

Masę relatywistyczną można zapisać jako:

gdzie:

  • masa spoczynkowa cząstek ,
  • jest prędkością względną, a
  • jest współczynnikiem Lorentza .

Podstawiając to do równań na częstotliwość cyklotronu i częstotliwość kątową otrzymujemy:

Promień żyroskopowy dla cząstki poruszającej się w statycznym polu magnetycznym jest wtedy określony wzorem:

Podejścia do relatywistycznych cyklotronów

Synchrocyklotron

Ponieważ wzrasta, gdy cząstka osiąga prędkości relatywistyczne, przyspieszenie cząstek relatywistycznych wymaga modyfikacji cyklotronu, aby zapewnić, że cząstka przekroczy szczelinę w tym samym punkcie w każdym cyklu RF. Jeśli częstotliwość przyspieszającego pola elektrycznego zmienia się, podczas gdy pole magnetyczne jest utrzymywane na stałym poziomie, prowadzi to do powstania synchrocyklotronu .

W tego typu cyklotronie częstotliwość przyspieszania zmienia się w funkcji promienia cząstki tak, że:

Wzrost gamma jest tutaj wyrażony w funkcji promienia. Wzrost częstotliwości przyspieszania jest dostrojony tak, aby odpowiadał wzrostowi gamma dla stałego pola magnetycznego.

Cyklotron izochroniczny

Jeśli natomiast pole magnetyczne zmienia się wraz z promieniem, podczas gdy częstotliwość pola przyspieszającego jest utrzymywana na stałym poziomie, prowadzi to do izochronicznego cyklotronu .

Tutaj pole magnetyczne B jest funkcją promienia, wybraną tak, aby utrzymać stałą częstotliwość f wraz ze wzrostem.

Cyklotrony izochroniczne są w stanie wytwarzać znacznie większy prąd wiązki niż synchrocyklotrony, ale wymagają precyzyjnie ukształtowanych zmian natężenia pola magnetycznego, aby zapewnić efekt ogniskowania i utrzymać cząsteczki w ich spiralnej trajektorii. Z tego powodu cyklotron izochroniczny jest również nazywany „cyklotronem AVF (zmiennym polem azymutalnym)”. To rozwiązanie ogniskowania wiązki cząstek zaproponował LH Thomas w 1938 roku. Prawie wszystkie współczesne cyklotrony wykorzystują zmienne azymutalne pola.

Akcelerator gradientu zmiennego o stałym polu

Podejściem, które łączy statyczne pola magnetyczne (jak w synchrocyklotronie) i zmienne ogniskowanie gradientu (jak w synchrotronie ) to akcelerator gradientu zmiennego o stałym polu (FFA). W izochronicznym cyklotronie pole magnetyczne jest kształtowane za pomocą precyzyjnie obrobionych stalowych biegunów magnetycznych. Ta odmiana zapewnia efekt skupienia, gdy cząstki przecinają krawędzie biegunów. W FFA do ogniskowania wiązki stosuje się oddzielne magnesy o zmiennych kierunkach, wykorzystując zasadę silnego ogniskowania . Pole magnesów ogniskujących i zginających w FFA nie zmienia się w czasie, więc komora wiązki musi być nadal wystarczająco szeroka, aby pomieścić zmieniający się promień wiązki w polu magnesów ogniskujących, gdy wiązka przyspiesza.

Klasyfikacje

Francuski cyklotron, wyprodukowany w Zurychu w Szwajcarii w 1937 roku. Komora próżniowa zawierająca dutki (po lewej) została usunięta z magnesu (czerwona, po prawej)

Typy cyklotronów

Istnieje kilka podstawowych typów cyklotronów:

Klasyczny cyklotron
Najwcześniejszy i najprostszy cyklotron. Klasyczne cyklotrony mają jednolite pola magnetyczne i stałą częstotliwość przyspieszania. Są one ograniczone do nierelatywistycznych prędkości cząstek (energia wyjściowa mała w porównaniu z energią spoczynkową cząstki ) i nie mają aktywnego ogniskowania, aby utrzymać wiązkę w jednej linii w płaszczyźnie przyspieszenia.
Synchrocyklotron
Synchrocyklotron rozszerzył energię cyklotronu do reżimu relatywistycznego, zmniejszając częstotliwość pola przyspieszającego w miarę wzrostu orbity cząstek, aby zachować synchronizację z częstotliwością obrotową cząstek. Ponieważ wymaga to pracy impulsowej, całkowity prąd wiązki był niski w porównaniu z klasycznym cyklotronem. Pod względem energii wiązki były to najpotężniejsze akceleratory w latach pięćdziesiątych, przed opracowaniem synchrotronu .
Cyklotron izochroniczny (izocyklotron)
Te cyklotrony rozszerzają energię wyjściową do reżimu relatywistycznego, zmieniając pole magnetyczne, aby skompensować zmianę częstotliwości cyklotronu, gdy cząstki osiągają prędkość relatywistyczną. Używają ukształtowanych nabiegunników magnesów, aby wytworzyć niejednorodne pole magnetyczne, silniejsze w obszarach peryferyjnych. Większość nowoczesnych cyklotronów jest tego typu. Nabiegunniki można również ukształtować tak, aby wiązka utrzymywała skupienie cząstek w płaszczyźnie przyspieszenia jako orbicie. Jest to znane jako „ogniskowanie sektorowe” lub „ogniskowanie zmienne w azymucie” i wykorzystuje zasadę naprzemiennego ogniskowania gradientowego .
Odseparowany cyklotron sektorowy
Cyklotrony z wydzielonym sektorem to maszyny, w których magnes znajduje się w oddzielnych sekcjach, oddzielonych szczelinami bez pola.
Nadprzewodzący cyklotron
„Nadprzewodnictwo” w kontekście cyklotronu odnosi się do rodzaju magnesu używanego do zaginania orbit cząstek w spiralę. Magnesy nadprzewodzące mogą wytwarzać znacznie większe pola w tym samym obszarze niż zwykłe magnesy przewodzące, co pozwala na tworzenie bardziej kompaktowych i mocniejszych maszyn. Pierwszym nadprzewodzącym cyklotronem był K500 na Uniwersytecie Stanowym Michigan , który wszedł do sieci w 1981 roku.

Rodzaje wiązek

Cząstki do wiązek cyklotronowych są produkowane w źródłach jonów różnego typu.

Wiązki protonowe
Najprostszy rodzaj wiązki cyklotronowej, wiązki protonowe, są zwykle tworzone przez jonizację gazowego wodoru.
H belki
Przyspieszenie ujemnych jonów wodorowych ułatwia wydobycie wiązki z maszyny. W promieniu odpowiadającym pożądanej energii wiązki metalowa folia jest używana do oderwania elektronów od jonów H , przekształcając je w dodatnio naładowane jony H + . Zmiana polaryzacji powoduje, że wiązka jest odchylana w przeciwnym kierunku przez pole magnetyczne, co umożliwia jej wyprowadzenie poza maszynę.
Ciężkie wiązki jonów
Wiązki cząstek cięższych od wodoru nazywane są wiązkami ciężkich jonów i mogą obejmować jądra deuteru (jeden proton i jeden neutron) po jądra uranu. Wzrost energii wymaganej do przyspieszenia cięższych cząstek jest równoważony przez usuwanie większej liczby elektronów z atomu w celu zwiększenia ładunku elektrycznego cząstek, zwiększając w ten sposób wydajność przyspieszania.

Typy celów

Aby wykorzystać wiązkę cyklotronową, musi być skierowana na cel.

Cele wewnętrzne
Najprostszym sposobem trafienia w cel wiązką cyklotronową jest umieszczenie jej bezpośrednio w ścieżce wiązki w cyklotronie. Cele wewnętrzne mają tę wadę, że muszą być wystarczająco zwarte, aby zmieścić się w komorze wiązki cyklotronu, co czyni je niepraktycznymi dla wielu zastosowań medycznych i badawczych.
Cele zewnętrzne
Podczas gdy wydobycie wiązki z cyklotronu w celu uderzenia w cel zewnętrzny jest bardziej skomplikowane niż użycie celu wewnętrznego, pozwala to na większą kontrolę rozmieszczenia i skupienia wiązki oraz znacznie większą elastyczność w zakresie typów celów, do których wiązka może być kierowane.

Stosowanie

Nowoczesny cyklotron wykorzystywany do radioterapii . Magnes jest pomalowany na żółto.

Podstawowe badania

Przez kilkadziesiąt lat cyklotrony były najlepszym źródłem wiązek wysokoenergetycznych do eksperymentów fizyki jądrowej . Wraz z pojawieniem się synchrotronów o silnym ogniskowaniu, cyklotrony zostały wyparte jako akceleratory zdolne do wytwarzania najwyższych energii. Jednak ze względu na ich zwartość, a co za tym idzie niższy koszt w porównaniu do synchrotronów wysokoenergetycznych, cyklotrony są nadal używane do tworzenia wiązek do badań, gdzie głównym celem nie jest uzyskanie maksymalnej możliwej energii. Eksperymenty fizyki jądrowej oparte na cyklotronie są wykorzystywane do pomiaru podstawowych właściwości izotopów (w szczególności izotopów promieniotwórczych krótkożyciowych), w tym okresu półtrwania, masy, przekrojów poprzecznych oddziaływań i schematów rozpadu.

Zastosowania medyczne

Produkcja radioizotopów

Wiązki cyklotronowe można wykorzystać do bombardowania innych atomów w celu wytworzenia krótkożyciowych izotopów o różnych zastosowaniach medycznych, w tym obrazowaniu medycznym i radioterapii . Do obrazowania PET i SPECT wykorzystywane są izotopy emitujące pozytony i promieniowanie gamma, takie jak fluor - 18 , węgiel-11 i technet-99m . Podczas gdy radioizotopy wytwarzane w cyklotronie są szeroko stosowane do celów diagnostycznych, zastosowania terapeutyczne są nadal w dużym stopniu rozwijane. Proponowane izotopy obejmują między innymi astat -211, pallad -103, ren -186 i brom -77.

Terapia wiązką

Pierwszą sugestię, że protony energetyczne mogą być skuteczną metodą leczenia, wysunął Robert R. Wilson w artykule opublikowanym w 1946 roku, gdy był zaangażowany w projektowanie Laboratorium Cyklotronowego na Harvardzie .

Wiązki z cyklotronów mogą być wykorzystywane w terapii cząsteczkowej w leczeniu raka . Wiązki jonów z cyklotronów mogą być wykorzystywane, podobnie jak w terapii protonowej , do penetracji organizmu i zabijania guzów przez uszkodzenia popromienne , jednocześnie minimalizując uszkodzenia zdrowej tkanki na ich drodze.

Według stanu na 2020 r. na całym świecie istniało około 80 placówek zajmujących się radioterapią przy użyciu wiązek protonów i ciężkich jonów, składających się z mieszaniny cyklotronów i synchrotronów. Cyklotrony są używane głównie do wiązek protonów, podczas gdy synchrotrony są wykorzystywane do produkcji cięższych jonów.

Zalety i ograniczenia

M. Stanley Livingston i Ernest O. Lawrence (po prawej) przed 69 cm (27 cali) cyklotronem Lawrence'a w Lawrence Radiation Laboratory. Zakrzywiona metalowa rama jest rdzeniem magnesu, duże cylindryczne pudełka zawierają zwoje drutu, które generują pole magnetyczne. Komora próżniowa zawierająca elektrody „dee” znajduje się w środku pomiędzy biegunami magnesu.

Najbardziej oczywistą zaletą cyklotronu nad akceleratorem liniowym jest to, że ponieważ ta sama szczelina przyspieszająca jest używana wielokrotnie, jest on zarówno bardziej wydajny pod względem przestrzeni, jak i bardziej opłacalny; cząstki mogą być doprowadzone do wyższych energii w mniejszej przestrzeni i przy użyciu mniejszej ilości sprzętu. Kompaktowość cyklotronu zmniejsza również inne koszty, takie jak fundamenty, ekranowanie radiacyjne i otaczający budynek. Cyklotrony mają jeden sterownik elektryczny, co pozwala zaoszczędzić zarówno sprzęt, jak i koszty energii. Co więcej, cyklotrony są w stanie wytworzyć ciągłą wiązkę cząstek na cel, więc średnia moc przekazywana z wiązki cząstek do celu jest stosunkowo wysoka w porównaniu z impulsową wiązką synchrotronu.

Jednak, jak omówiono powyżej, metoda przyspieszania o stałej częstotliwości jest możliwa tylko wtedy, gdy przyspieszane cząstki w przybliżeniu przestrzegają praw ruchu Newtona . Jeśli cząstki stają się na tyle szybkie, że efekty relatywistyczne stają się ważne, wiązka przesunie się w fazie z oscylującym polem elektrycznym i nie może otrzymać żadnego dodatkowego przyspieszenia. Klasyczny cyklotron (stałe pole i częstotliwość) jest zatem zdolny do przyspieszania cząstek tylko do kilku procent prędkości światła. Synchroniczne, izochroniczne i inne typy cyklotronów mogą przezwyciężyć to ograniczenie, kosztem zwiększonej złożoności i kosztów.

Dodatkowe ograniczenie cyklotronów wynika z efektu ładunku kosmicznego – wzajemnego odpychania się cząstek w wiązce. Wraz ze wzrostem ilości cząstek (prąd wiązki) w wiązce cyklotronowej, efekty odpychania elektrostatycznego nasilają się, aż zakłócą orbity sąsiednich cząstek. Nakłada to funkcjonalne ograniczenie na intensywność wiązki lub liczbę cząstek, które mogą być jednocześnie przyspieszane, w odróżnieniu od ich energii.

Godne uwagi przykłady

Nazwa Kraj Data Energia Belka Średnica W użyciu? Uwagi Ref
Lawrence 4,5-calowy cyklotron Stany ZjednoczoneStany Zjednoczone 1931 80 keV protony 4,5 cala (0,11 m) Nie Pierwszy działający cyklotron
Lawrence 184-calowy cyklotron Stany ZjednoczoneStany Zjednoczone 1946 380 MeV cząstki alfa , deuter , protony 184 cale (4,7 m) Nie Pierwszy synchrocyklotron
Izochroniczny cyklotron TU Delft HolandiaHolandia 1958 12 MeV protony 0,36 m² Nie Pierwszy cyklotron izochroniczny
Cyklotron pierścieniowy PSI SzwajcariaSzwajcaria 1974 590 MeV protony 15 m² TAk Najwyższa moc wiązki ze wszystkich cyklotronów
TRIUMF 520 MeV KanadaKanada 1976 520 MeV H 56 stóp (17 m) TAk Największy cyklotron o normalnej przewodności
Uniwersytet Stanowy Michigan K500 Stany ZjednoczoneStany Zjednoczone 1982 500 MeV/u Ciężki jon 52 cale (1,3 m) Nie Pierwszy nadprzewodzący cyklotron
Cyklotron z pierścieniem nadprzewodzącym RIken JaponiaJaponia 2006 400 MeV/u Ciężki jon 18,4 m² TAk Wartość K wynosząca 2600 jest najwyższa, jaką kiedykolwiek osiągnięto

Powiązane technologie

Spiralna spirala elektronów w cylindrycznej komorze próżniowej w poprzecznym polu magnetycznym jest również wykorzystywana w magnetronie , urządzeniu do wytwarzania fal radiowych o wysokiej częstotliwości ( mikrofal ). W magnetronie elektrony są wyginane w kołową ścieżkę przez pole magnetyczne, a ich ruch jest wykorzystywany do wzbudzania wnęk rezonansowych , wytwarzając promieniowanie elektromagnetyczne.

Betatron wykorzystuje zmianę pola magnetycznego do przyspieszania elektronów po torze kołowym . Podczas gdy statyczne pola magnetyczne nie mogą zapewnić przyspieszenia, ponieważ siła zawsze działa prostopadle do kierunku ruchu cząstek, zmienne pola mogą być używane do indukowania siły elektromotorycznej w taki sam sposób, jak w transformatorze . Betatron został opracowany w 1940 roku, chociaż pomysł został zaproponowany znacznie wcześniej.

Synchrotron to inny rodzaj akceleratora cząstek, który wykorzystuje magnesy do wyginania cząstek w trajektorię kołową. W przeciwieństwie do cyklotronu ścieżka cząstek w synchrotronie ma stały promień. Cząstki w synchrotronie przechodzą przez stacje przyspieszające z coraz większą częstotliwością w miarę jak stają się szybsze. Aby skompensować ten wzrost częstotliwości, zarówno częstotliwość przyłożonego przyspieszającego pola elektrycznego, jak i pola magnetycznego muszą zostać zwiększone jednocześnie, co prowadzi do części „synchro” w nazwie.

W fikcji

Departament Wojny Stanów Zjednoczonych poprosił w kwietniu 1945 r. o wycofanie dzienników komiksowych o Supermanie za to, że Superman został zbombardowany promieniowaniem z cyklotronu.

W filmie Pogromcy duchów z 1984 roku miniaturowy cyklotron stanowi część pakietu protonów używanego do łapania duchów.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsze czytanie

Zewnętrzne linki

Obecne wyposażenie

Historyczne cyklotrony