Циклотрон

60-дюймовый циклотрон Лоуренса с магнитными полюсами диаметром 60 дюймов (5 футов, 1,5 метра) в Радиационной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли в августе 1939 года был самым мощным ускорителем в мире в то время. Гленн Т. Сиборг и Эдвин М. Макмиллан (справа) использовали его для открытия плутония , нептуния и многих других трансурановых элементов и изотопов, за что они получили Нобелевскую премию по химии 1951 года . Слева расположен огромный магнит циклотрона, а в центре между полюсами расположена плоская ускорительная камера. Канал луча, который анализировал частицы, находится справа.

Современный циклотрон для лучевой терапии . Магнит окрашен в желтый цвет.

Ядро первого бельгийского циклотрона, построенного в Хеверли в 1947 году.

37-дюймовый циклотрон в Зале науки Лоуренса, Беркли, Калифорния.

Циклотронного представляет собой тип ускорителя частиц изобретен Эрнест О. Лоуренс в 1929-1930 в Университете Калифорнии, Беркли , ^{[1] [2]} и запатентован в 1932 г. ^{[3] [4]} циклотрон ускоряет заряженные частицы наружу от центр плоской цилиндрической вакуумной камеры по спиральной траектории. ^{[5] [6]} Частицы удерживаются на спиральной траектории статическим магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся ( радиочастотным ) электрическим полем. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 года за это изобретение. ^{[6] [7]}

Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда они были вытеснены синхротроном и до сих пор используются для получения пучков частиц в физике и ядерной медицине . Крупнейшим магнитах циклотрон был в 4,67 м (184 в) синхроциклотрон , построенный между 1940 и 1946 Лоуренс в Университете Калифорнии, Беркли , ^{[1] [6]} , которые могли бы ускорить протоны до 730 мега электрон - вольт ( МэВ ). Самый большой циклотрон - это многомагнитный ускоритель TRIUMF на 17,1 м (56 футов) в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, Британская Колумбия., который может производить протоны с энергией 500 МэВ.

Во всем мире в ядерной медицине для производства радионуклидов используется около 1500 циклотронов . ^[8]

История [ править ]

Венгр Лео Сцилард был первым, кто изобрел и запатентовал линейный ускоритель (1928) и циклотрон в Германии в 1929 году. ^[9] Первый американский циклотрон был разработан и запатентован ^[4] Эрнестом Лоуренсом в 1932 году в Калифорнийском университете в Беркли. . ^[10] Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших дуговых радиопередатчиков Поульсена, предоставленных Федеральной телеграфной компанией . ^[11] Аспирант М. Стэнли Ливингстон проделал большую часть работы по воплощению идеи в рабочее оборудование. ^[12] Лоуренс прочитал статью о концепции дрейфовой трубы.linac Рольфом Видероэ ^{[13] [14],} который также работал в том же направлении с концепцией бетатрона . В Радиационной лаборатории в Университете Калифорнии, Беркли , Лоуренс построил серию циклотрона , которые были наиболее мощными ускорителями в мире в то время; машина 69 см (27 дюймов) 4,8 МэВ (1932), машина 94 см (37 дюймов) 8 МэВ (1937) и 152 см (60 дюймов) машина 16 МэВ (1939). Он также разработал синхроциклотрон 467 см (184 дюйма), 730 МэВ (1945). За эту работу Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике 1939 года . ^{[ необходима цитата ]}

Первый европейский циклотрон был построен в Ленинграде (тогда Советский Союз ) на физическом факультете Радиевого института , которым руководил Виталий Хлопин  [ ru ] . Этот ленинградский прибор был впервые предложен в 1932 году Георгием Гамовым и Львом Мысовским  [ ru ] и был установлен и заработал к 1937 году. ^{[15] [16] [17]} В нацистской Германии циклотрон был построен в Гейдельберге под руководством Вальтера Боте и Вольфганг Гентнер при поддержкеHeereswaffenamt , и вступил в действие в 1943 г. ^{[ править ]}

Принцип работы [ править ]

Циклотрон ускоряет пучок заряженных частиц с помощью высокочастотного переменного напряжения, которое прикладывают между двумя полыми электродами из листового металла в форме буквы «D», называемыми «деэ», внутри вакуумной камеры. ^[18] Деи помещаются лицом к лицу с узким промежутком между ними, создавая внутри цилиндрическое пространство для движения частиц. Частицы впрыскиваются в центр этого пространства. Деэ расположены между полюсами большого электромагнита, который создает постоянное магнитное поле B, перпендикулярное плоскости электрода. Магнитное поле заставляет частицы изгибаться по окружности из-за силы Лоренца.перпендикулярно направлению их движения. ^{[ необходима цитата ]}

Если бы скорости частиц были постоянными, они бы двигались по круговой траектории внутри деэ под действием магнитного поля. Однако между диодами подается переменное напряжение радиочастоты (RF) в несколько тысяч вольт . Напряжение создает колеблющееся электрическое поле в промежутке между деформациями, которое ускоряет частицы. Частота устанавливается так, чтобы частицы совершали один цикл в течение одного цикла напряжения. Для этого частота должна соответствовать частоте циклотронного резонанса частицы.

${\ displaystyle f = {\ frac {qB} {2 \ pi m}}}$,

где B - напряженность магнитного поля , q - электрический заряд частицы, а m - релятивистская масса заряженной частицы. Каждый раз после того, как частицы переходят на другой электрод, полярность ВЧ-напряжения меняется на противоположную. Следовательно, каждый раз, когда частицы пересекают зазор от одного электрода dee к другому, электрическое поле имеет правильное направление для их ускорения. Увеличивающаяся скорость частиц из-за этих толчков заставляет их двигаться по кругу большего радиуса с каждым оборотом, поэтому частицы движутся по спирали.путь наружу от центра к краю дуги. Когда они достигают обода, небольшое напряжение на металлической пластине отклоняет луч, так что он выходит из диафрагм через небольшой промежуток между ними и поражает цель, расположенную в точке выхода на ободе камеры, или покидает циклотрон через откачанный лучевая трубка для поражения удаленной цели. Для мишени могут использоваться различные материалы, и ядерные реакции из-за столкновений будут создавать вторичные частицы, которые можно направлять за пределы циклотрона в инструменты для анализа. ^{[ необходима цитата ]}

Циклотрон был первым «циклическим» ускорителем. Преимущество циклотронной конструкции перед существующими электростатическими ускорителями того времени, такими как ускоритель Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа , заключалось в том, что в этих машинах частицы ускорялись напряжением только один раз, поэтому энергия частиц была равна ускоряющее напряжение на машине, которое было ограничено пробоем воздуха до нескольких миллионов вольт. В циклотроне, напротив, частицы сталкиваются с ускоряющим напряжением много раз во время своего спирального пути и поэтому многократно ускоряются ^[4], поэтому выходная энергия может во много раз превышать ускоряющее напряжение. ^{[ необходима цитата ]}

Энергия частиц [ править ]

Поскольку частицы в циклотроне многократно ускоряются под действием напряжения, конечная энергия частиц зависит не от ускоряющего напряжения, а от силы магнитного поля и диаметра ускорительной камеры, т.е. Циклотроны могут только ускорять частицы до скоростей, намного меньших скорости света , нерелятивистских скоростей. Для нерелятивистских частиц центростремительная сила, необходимая для удержания их на искривленном пути, равна${\ Displaystyle F_ {C} \;}$

${\ displaystyle F_ {C} = {mv ^ {2} \ over r} \;}$

где - масса частицы, ее скорость, - радиус пути. Эта сила обеспечивается силой Лоренца магнитного поля.${\ Displaystyle м \;}$${\ Displaystyle v \;}$${\ Displaystyle г \,}$ ${\ Displaystyle F_ {B} \,}$${\ Displaystyle B \,}$

${\ Displaystyle F_ {B} = qvB \;}$

где - заряд частицы. Частицы достигают своей максимальной энергии на периферии дея, где радиус их пути равен радиусу дея. Приравнивая эти две силы${\ displaystyle q \,}$${\ Displaystyle г \; = \; R}$

${\ Displaystyle {mv ^ {2} \ над R} = qvB \;}$

${\ Displaystyle v = {qBR \ над m} \,}$

Таким образом, выходная энергия частиц равна

Следовательно, предел выходной энергии циклотрона для данного типа частиц - это сила магнитного поля , которая ограничена примерно до 2 Тл для ферромагнитных электромагнитов, и радиус деформации , который определяется диаметром магнитного поля. полюса. Поэтому для циклотронов были сконструированы очень большие магниты, кульминацией которых стал синхроциклотрон Лоуренса 1946 года с полюсными наконечниками 4,67 м (184 дюйма) (15,3 фута) в диаметре. ^{[ необходима цитата ]}${\displaystyle B}$${\displaystyle R}$

Релятивистские соображения [ править ]

В нерелятивистском приближении циклотронная частота не зависит от скорости частицы или радиуса орбиты частицы. По мере того, как луч выходит по спирали наружу, частота вращения остается постоянной, и луч продолжает ускоряться, поскольку он проходит большее расстояние за тот же период времени.

В отличие от этого приближения, когда частицы приближаются к скорости света , циклотронная частота уменьшается пропорционально коэффициенту Лоренца частицы . Строгое доказательство этого факта (исходя из второго закона Ньютона) приводится здесь: Relativistic_mechanics # Force . Следовательно, для ускорения релятивистских частиц требуется либо изменение частоты во время ускорения, что приводит к синхроциклотрону , либо изменение магнитного поля во время ускорения, что приводит к изохронному циклотрону . Релятивистскую массу можно переписать как

${\displaystyle m={\frac {m_{0}}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}={\frac {m_{0}}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}=\gamma {m_{0}}}$,

куда

${\displaystyle m_{0}}$- масса покоя частицы ,

${\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}}}$ - относительная скорость, а

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}}$- фактор Лоренца .

Релятивистскую циклотронную частоту и угловую частоту можно переписать как

${\displaystyle f={\frac {qB}{2\pi \gamma m_{0}}}={\frac {f_{0}}{\gamma }}={f_{0}}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}={f_{0}}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}$, и

${\displaystyle \omega ={2\pi f}={\frac {qB}{\gamma m_{0}}}={\frac {\omega _{0}}{\gamma }}={\omega _{0}}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}={\omega _{0}}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}$,

куда

${\displaystyle f_{0}}$ будет циклотронной частотой в классическом приближении,

${\displaystyle \omega _{0}}$ будет циклотронной угловой частотой в классическом приближении.

Тогда гирорадиус частицы, движущейся в постоянном магнитном поле, определяется выражением

${\displaystyle r={\frac {v}{\omega }}={\frac {\beta c}{\omega }}={\frac {\gamma \beta m_{0}c}{qB}}}$,

потому что

${\displaystyle \omega r=v=\beta c}$

где v будет (линейной) скоростью. ^{[ необходима цитата ]}

Синхроциклотрон [ править ]

Синхроциклотрон - это циклотрон, в котором частота возбуждающего РЧ электрического поля изменяется для компенсации релятивистских эффектов, когда скорость частиц начинает приближаться к скорости света. В этом отличие от классического циклотрона, где частота поддерживалась постоянной, что приводило к тому, что рабочая частота синхроциклотрона была

${\displaystyle f={\frac {f_{0}}{\gamma }}={f_{0}}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}$,

где - классическая циклотронная частота и снова - относительная скорость пучка частиц. Масса покоя электрона составляет 511 кэВ / c ² , поэтому частотная поправка составляет 1% для магнитной вакуумной трубки с ускоряющим напряжением постоянного тока 5,11 кВ. Масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона, поэтому 1% поправочная энергия составляет около 9 МэВ, что достаточно для индукции ядерных реакций . ^{[ необходима цитата ]}${\displaystyle f_{0}}$${\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}}}$

Изохронный циклотрон [ править ]

Альтернативой синхроциклотрону является изохронный циклотрон , в котором магнитное поле увеличивается с радиусом, а не со временем. Изохронные циклотроны способны генерировать гораздо больший ток пучка, чем синхроциклотроны, но требуют азимутальных изменений напряженности поля, чтобы обеспечить сильный эффект фокусировки и удерживать частицы, захваченные на их спиральной траектории. По этой причине изохронный циклотрон также называют «циклотроном с переменным азимутальным полем». ^[19] Это решение для фокусировки пучка частиц было предложено Л.Х. Томасом в 1938 году. ^[19] Вспоминая релятивистский гирорадиус и релятивистскую циклотронную частоту${\displaystyle r={\frac {\gamma m_{0}v}{qB}}}$${\displaystyle f={\frac {f_{0}}{\gamma }}}$, Можно выбрать , чтобы быть пропорционально коэффициенту Лоренца, . Это приводит к соотношению, которое снова зависит только от скорости , как в нерелятивистском случае. Кроме того, в этом случае циклотронная частота постоянна.${\displaystyle B}$${\displaystyle B=\gamma B_{0}}$${\displaystyle r={\frac {m_{0}v}{qB_{0}}}}$${\displaystyle v}$

Эффект поперечной расфокусировки этого радиального градиента поля компенсируется выступами на гранях магнита, которые также изменяют поле азимутально. Это позволяет частицам ускоряться непрерывно, в каждый период радиочастоты (RF), а не всплесками, как в большинстве других типов ускорителей. Принцип, согласно которому переменные градиенты поля имеют чистый фокусирующий эффект, называется сильной фокусировкой . Теоретически это было малоизвестно задолго до того, как оно стало применяться на практике. ^[20] Примеров изохронных циклотронов предостаточно; фактически почти все современные циклотроны используют поля с изменяющимся азимутом. ТРИУМФУпомянутый ниже циклотрон является самым большим с радиусом внешней орбиты 7,9 метра, выделяя протоны с энергией до 510 МэВ, что составляет 3/4 скорости света. В PSI Циклотронные достигает более высокой энергии , но меньше из - за использования более высокого магнитного поля. ^{[ необходима цитата ]}

Использование [ править ]

В течение нескольких десятилетий циклотроны были лучшим источником пучков высоких энергий для ядерно-физических экспериментов; несколько циклотронов все еще используются для этого типа исследований. Результаты позволяют рассчитывать различные свойства, такие как среднее расстояние между атомами и создание различных продуктов столкновения. Последующий химический анализ и анализ частиц материала мишени может дать представление о ядерной трансмутации элементов, используемых в мишени. ^{[ необходима цитата ]}

Циклотроны можно использовать в терапии частицами для лечения рака . Ионные пучки циклотронов могут использоваться, как и в протонной терапии , для проникновения в организм и уничтожения опухолей за счет радиационного поражения , сводя к минимуму повреждение здоровых тканей на их пути. Циклотронные лучи могут использоваться для бомбардировки других атомов с целью получения короткоживущих изотопов, излучающих позитроны, подходящих для получения изображений ПЭТ . Совсем недавно некоторые циклотроны, которые в настоящее время установлены в больницах для производства радиоизотопов, были модернизированы, чтобы они могли производить технеций-99m . ^[21] Технеций-99m - диагностический изотоп, дефицитный из-за трудностей на канадской реке Чок.средство. ^{[ необходима цитата ]}

Преимущества и ограничения [ править ]

Циклотронное является улучшение по сравнению с линейными ускорителями ( линейный ускоритель с) , которые были доступны , когда он был изобретен, будучи более с точкой зрения затрат и пространственно-эффективной из - за повторное взаимодействие частиц с ускоряющим полем. В 1920-х годах было невозможно генерировать мощные высокочастотные радиоволны, которые используются в современных линейных ускорителях (генерируемые клистронами).). Таким образом, для частиц более высоких энергий требовались непрактично длинные конструкции линейного ускорителя. Компактность циклотрона снижает также другие затраты, такие как фундамент, радиационная защита и ограждающее здание. Циклотроны имеют один электрический драйвер, что позволяет экономить деньги и электроэнергию. Кроме того, циклотроны способны производить непрерывный поток частиц на мишени, поэтому средняя мощность, передаваемая от пучка частиц к мишени, относительно высока. ^{[ необходима цитата ]}

Спиральная траектория циклотронного пучка только может «синхронизировать» с источниками клистрона-типа (постоянная частота) напряжения , если ускоренные частицы приближенно подчиняется законам движения Ньютона . Если частицы становятся достаточно быстрыми, чтобы релятивистские эффекты становились важными, луч становится не в фазе с осциллирующим электрическим полем и не может получить дополнительное ускорение. Поэтому классический циклотрон способен ускорять частицы только до нескольких процентов от скорости света. Чтобы приспособиться к увеличенной массе, магнитное поле можно модифицировать, придавая полюсным наконечникам соответствующую форму, как в изохронных циклотронах , работая в импульсном режиме и изменяя частоту, прикладываемую к деформациям, как всинхроциклотронов , любой из которых ограничен уменьшающейся экономической эффективностью создания более крупных машин. Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротронных или современных линейных ускорителей с приводом от клистрона , оба из которых имеют преимущество масштабируемости, предлагая большую мощность при улучшенной структуре затрат по мере увеличения размеров машин. ^{[ необходима цитата ]}

Известные примеры [ править ]

Один из крупнейших в мире циклотронов находится в лаборатории RIKEN в Японии. Названный SRC или сверхпроводящим кольцевым циклотроном, он имеет шесть отдельных сверхпроводящих секторов и имеет диаметр 19 м и высоту 8 м. Его максимальное магнитное поле , созданное для ускорения тяжелых ионов, составляет 3,8  Тл , а изгибная способность составляет 8 Тл · м. Общий вес циклотрона - 8 300 т. Магнитное поле Райкена охватывает радиус от 3,5 м до 5,5 м с максимальным радиусом луча около 5 м (200 дюймов). Он ускорил ионы урана до 345 МэВ на единицу атомной массы. ^[22]

В TRIUMF , национальной лаборатории ядерной физики и физики элементарных частиц Канады, находится самый большой в мире циклотрон. ^[23] Главный магнит диаметром 18 м и массой 4000 т создает поле 0,46 Тл, а магнитопровод 23 МГц 94  кВ.электрическое поле используется для ускорения пучка 300 мкА. Поле TRIUMF имеет радиус от 0 до 813 см (от 0 до 320 дюймов) с максимальным радиусом луча 790 см (310 дюймов). Его большой размер частично является результатом использования отрицательных ионов водорода, а не протонов; для этого требуется более низкое магнитное поле, чтобы уменьшить электромагнитное срывание слабосвязанных электронов. Преимущество состоит в том, что извлечение проще; Многоэнергетические, многолучевые лучи можно извлечь, вставив тонкую углеродную пленку с соответствующими радиусами. TRIUMF управляется консорциумом восемнадцати канадских университетов и находится в Университете Британской Колумбии. ^{[ необходима цитата ]}

Связанные технологии [ править ]

Спиральное движение электронов в цилиндрической вакуумной камере в поперечном магнитном поле также используется в магнетроне , устройстве для создания высокочастотных радиоволн ( микроволн ). Синхротронный перемещают частицы через путь постоянного радиуса, что позволяет ему быть выполнен в виде трубы , и поэтому гораздо большего радиус , чем практично с циклотроном и синхроциклотроном . Больший радиус позволяет использовать множество магнитов, каждый из которых передает угловой момент и, таким образом, позволяет частицам с более высокой скоростью (массой) удерживаться в пределах откачиваемой трубы. Напряженность магнитного поля каждого из поворотных магнитов увеличивается по мере того, как частицы набирают энергию, чтобы поддерживать постоянный угол изгиба. ^{[цитата необходима ]}

В художественной литературе [ править ]

Государственный департамент Соединенных войны лихо попросил ежедневных газет Супермена комиксов потянуться в апреле 1945 года за то, что Супермен бомбардировке с излучением циклотрона. ^[24] В 1950 году , однако, в Atom Человек против Супермена , Лекс Лютор использует циклотрон для начала землетрясения. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Луч
• Тормозное излучение (излучение)
• Циклотронное излучение
• Циклотронный резонанс
• Быстрая нейтронная терапия
• Гиротрон
• Ускоритель частиц
• Сила радиационной реакции
• Шандор Гаал
• Синхротрон

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Чао, Александр В .; и другие. (2013). Справочник по ускорительной физике и технике (2-е изд.). World Scientific. DOI : 10,1142 / 8543 . ISBN 978-981-4417-17-4.
• Федер, Т. (2004). «Строительство циклотрона на шнурке». Физика сегодня . 57 (11): 30–31. Bibcode : 2004PhT .... 57k..30F . DOI : 10.1063 / 1.1839371 . S2CID  109712952 .
• Жардин, X. (12 января 2005 г.). "Циклотрон приходит к вам" . Проводной . О районном циклотроне в Анкоридже, Аляска .
• Ниелл, FM (2005). «Резонансное картирование и циклотрон» . Архивировано из оригинала на 2009-05-05 . Проверено 27 мая 2005 . Эксперимент, проведенный Фредом М. Ниеллом на третьем курсе старшей школы (1994–95), с которым он выиграл главный приз ISEF .

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме циклотронов .

Общие [ править ]

• Ускорители частиц в Curlie

Услуги [ править ]

• 88-дюймовый циклотрон в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли
• Первый циклотрон в Амстердаме, Нидерланды (1964 г.) , на месте Свободного университета
• Национальный сверхпроводящей циклотрон Лаборатория из Мичиганского государственного университета -home связанных K500 и K1200 циклотрона; К500, первый сверхпроводящий циклотрон, и К1200, когда-то самый мощный в мире.
• Циклотрон Рутгерса. Студенты Университета Рутгерса построили 30-сантиметровый (12 дюймов ) циклотрон с энергией 1 МэВ в качестве студенческого проекта, который сейчас используется для студентов старших курсов и для лабораторных занятий.
• RIKEN Nishina Центр науки на основе ускорителей - дом самого мощного циклотрона в мире