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. За это изобретение в 1939 году Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике . [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 длиной 17,1 м (56 футов) в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, Британская Колумбия , который может производить протоны с энергией 520 МэВ.
Около 1500 циклотронов используются в ядерной медицине во всем мире для производства радионуклидов . [8]
История
В 1928 году венгерский физик Лео Сцилард изобрел и запатентовал линейный ускоритель. [9] В январе 1929 года Сцилард стал первым, кто обсудил условие резонанса (то, что сейчас называется циклотронной частотой) для устройства кругового ускорения в заявке на патент в Германии. Он также изобрел и запатентовал первый циклотрон и бетатрон . [10] Пару месяцев спустя, в начале лета 1929 года, Эрнест Лоуренс придумал идею циклотрона, когда прочитал статью Рольфа Видеро, описывающую линейный ускоритель с дрейфовой трубкой . [11] [12] [13] Он опубликовал статью в журнале Science в 1930 году, [14] и запатентовал устройство в 1932 году. [4] [15] Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших дуговых радиопередатчиков Поульсена, предоставленных Федеральным телеграфом. Компания . [16] Аспирант М. Стэнли Ливингстон проделал большую часть работы по воплощению идеи в рабочее оборудование. [17] В Радиационной лаборатории в Университете Калифорнии, Беркли , Лоуренс и его коллеги построили ряд 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). Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике 1939 года за изобретение и разработку циклотрона и за результаты, полученные с его помощью. [18]
Первый европейский циклотрон был построен в Ленинграде (тогда Советский Союз ) на физическом факультете Радиевого института , которым руководил Виталий Хлопин
. Этот ленинградский прибор был впервые предложен в 1932 году Георгием Гамовым и Львом Мысовским и был установлен и заработал к 1937 году. [19] [20] [21] В нацистской Германии циклотрон был построен в Гейдельберге под руководством Вальтера Боте и Вольфганг Гентнер при поддержке Heereswaffenamt начал действовать в 1943 году. [22]Принцип действия
Циклотрон ускоряет пучок заряженных частиц с помощью высокочастотного переменного напряжения, которое прикладывают между двумя полыми D-образными электродами из листового металла, называемыми «деэ», внутри вакуумной камеры. [23] 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 статическое магнитное поле B, перпендикулярное плоскости электрода. Магнитное поле заставляет частицы изгибаться по окружности из-за силы Лоренца, перпендикулярной их направлению движения. [ необходима цитата ]
Если бы скорости частиц были постоянными, они бы двигались по круговой траектории внутри деэ под действием магнитного поля. Однако между диодами прикладывается 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.
- ,
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 вращением, так что частицы движутся по спирали наружу от центра к краю дея. Когда они достигают обода, небольшое напряжение на металлической пластине отклоняет луч, так что он выходит из диодов через небольшой зазор 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 конструкции циклотрона перед существующими электростатическими ускорителями того времени, такими как ускоритель Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа , состояло 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 на своем спиральном пути и поэтому многократно ускоряются [4], поэтому выходная энергия может во много раз превышать ускоряющее напряжение. [ необходима цитата ]
Энергия частиц
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. Циклотроны могут только ускорять частицы до скоростей, намного меньших скорости света , нерелятивистских скоростей. Для нерелятивистских частиц центростремительная сила требуется, чтобы держать их на изогнутом пути,
где - масса частицы, его скорость, и - радиус пути. Эта сила обеспечивается силой Лоренца. магнитного поля
где - заряд частицы. Частицы достигают своей максимальной энергии на периферии дея, где радиус их пути равенрадиус деис. Приравнивая эти две силы
Таким образом, выходная энергия частиц равна
Следовательно, предел выходной энергии циклотрона для данного типа частиц - это напряженность магнитного поля. , который ограничен примерно 2 Тл для ферромагнитных электромагнитов, а радиус деформации, который определяется диаметром полюсных наконечников магнита. Поэтому для циклотронов были сконструированы очень большие магниты, кульминацией которых стал синхроциклотрон Лоуренса 1946 года, у которого были полюсные наконечники 4,67 м (184 дюйма) (15,3 фута) в диаметре. [ необходима цитата ]
Релятивистские соображения
В нерелятивистском приближении циклотронная частота не зависит от скорости частицы или радиуса ее орбиты. 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, ускорение релятивистских частиц требует либо изменения частоты во время ускорения, что приводит к синхроциклотрону , либо изменения магнитного поля во время ускорения, что приводит к изохронному циклотрону . Релятивистскую массу можно переписать как
- ,
где
- - масса покоя частицы ,
- - относительная скорость, а
- - фактор Лоренца .
Релятивистская циклотронная частота и угловая частота могут быть переписаны как
- , а также
- ,
где
- будет циклотронной частотой в классическом приближении,
- будет циклотронной угловой частотой в классическом приближении.
Тогда гирорадиус частицы, движущейся в постоянном магнитном поле, определяется выражением
- ,
так как
где v будет (линейной) скоростью. [ необходима цитата ]
Синхроциклотрон
Синхроциклотрон - это циклотрон, в котором частота движущего РЧ электрического поля изменяется для компенсации релятивистских эффектов, когда скорость частиц начинает приближаться к скорости света. Это отличается от классического циклотрона, где частота поддерживалась постоянной, что приводило к тому, что рабочая частота синхроциклотрона была
- ,
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% -ная поправочная энергия составляет около 9 МэВ, что достаточно, чтобы вызвать ядерные реакции . [ необходима цитата ]
Изохронный циклотрон
Альтернативой синхроциклотрону является изохронный циклотрон , в котором магнитное поле увеличивается с радиусом, а не со временем. Изохронные циклотроны способны производить намного больший ток пучка, чем синхроциклотроны, но требуют азимутальных изменений напряженности поля, чтобы обеспечить сильный эффект фокусировки и удерживать частицы на своей спиральной траектории. По этой причине изохронный циклотрон также называют «циклотроном с переменным азимутальным полем». [24] Это решение для фокусировки пучка частиц было предложено Л.Х. Томасом в 1938 году. [24] Вспоминая релятивистский гирорадиус а релятивистская циклотронная частота , можно выбрать быть пропорциональным фактору Лоренца, . Это приводит к соотношению что опять же зависит только от скорости , как и в нерелятивистском случае. Кроме того, в этом случае циклотронная частота постоянна.
Эффект поперечной расфокусировки этого радиального градиента поля компенсируется выступами на поверхностях магнита, которые также изменяют поле азимутально. Это позволяет частицам ускоряться непрерывно, на каждом периоде 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. [25] Примеров изохронных циклотронов предостаточно; фактически почти все современные циклотроны используют поля, изменяющиеся по азимуту. ТРИУМФ циклотронного упомянуто ниже является самым большим с внешним радиусом орбиты 7,9 метров, извлекая протоны со скоростью до 510 МэВ, что 3/4 скорости света. В PSI Циклотронные достигает более высокой энергии , но меньше из - за использования более высокого магнитного поля. [ необходима цитата ]
Применение
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 . [26] Технеций-99m - диагностический изотоп, дефицит которого возникает из-за трудностей на канадском предприятии Chalk River . [ необходима цитата ]
Преимущества и ограничения
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 (генерируются клистронами ). Таким образом, для частиц более высоких энергий требовались непрактично длинные конструкции линейного ускорителя. Компактность циклотрона снижает также другие расходы, 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 скорости света. Чтобы приспособиться к увеличенной массе, магнитное поле может быть изменено путем соответствующей формы полюсных наконечников, как в изохронных циклотронах , работы в импульсном режиме и изменения частоты, подаваемой на диафрагмы, как в синхроциклотронах , любой из которых ограничен уменьшающейся экономической эффективностью. создания более крупных машин. Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротронов или современных линейных ускорителей с приводом от клистрона , оба из которых обладают преимуществом масштабируемости, предлагая большую мощность при улучшенной структуре затрат по мере увеличения размеров машин. [ необходима цитата ]
Известные примеры
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. Созданный для ускорения тяжелых ионов, его максимальное магнитное поле составляет 3,8 Тл , что обеспечивает изгибающую способность 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. [27]
В TRIUMF , национальной лаборатории ядерной физики и физики элементарных частиц Канады, находится самый большой в мире циклотрон. [28] Главный магнит диаметром 18 м и массой 4000 т создает поле 0,46 Тл, в то время как электрическое поле 23 МГц 94 кВ используется для ускорения луча 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 в том, что извлечение проще; Многоэнергетические многолучевые лучи можно извлечь, вставив тонкую углеродную пленку с соответствующими радиусами. TRIUMF управляется консорциумом из двадцати одного канадского университета и находится в Университете Британской Колумбии. [29]
Связанные технологии
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 угол изгиба оставался постоянным. [ необходима цитата ]
В художественной литературе
Государственный департамент Соединенных войны лихо попросил ежедневных газет Супермена комиксов потянуться в апреле 1945 года за то, что Супермен бомбардировке с излучением циклотрона. [30] В 1950 году , однако, в Atom Человек против Супермена , Лекс Лютор использует циклотрон для начала землетрясения. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Луч
- Тормозное излучение (излучение)
- Циклотронное излучение
- Циклотронный резонанс
- Терапия быстрыми нейтронами
- Гиротрон
- Ускоритель частиц
- Сила радиационной реакции
- Шандор Гаал
- Синхротрон
Рекомендации
- ^ a b "Циклотрон Эрнеста Лоуренса" . www2.lbl.gov . Проверено 6 апреля 2018 .
- ^ «Эрнест Лоуренс - Биографический» . nobelprize.org . Проверено 6 апреля 2018 .
- ^ Патент США 1948384 Лоуренс, Эрнест О. Способ и устройство для ускорения ионов , поданный 26 января 1932 года предоставлен: 20 февраля 1934
- ^ а б в Лоуренс, Эрнест О .; Ливингстон, М. Стэнли (1 апреля 1932 г.). «Производство высокоскоростных легких ионов без использования высоких напряжений» . Физический обзор . Американское физическое общество. 40 (1): 19–35. Bibcode : 1932PhRv ... 40 ... 19L . DOI : 10.1103 / PhysRev.40.19 .
- ^ а б в Close, FE; Близко, Фрэнк; Мартен, Майкл; и другие. (2004). Одиссея частиц: путешествие в самое сердце материи . Издательство Оксфордского университета. С. 84–87. Bibcode : 2002pojh.book ..... C . ISBN 978-0-19-860943-8.
- ^ «Эрнест Лоуренс - Факты» . nobelprize.org . Проверено 6 апреля 2018 .
- ^ «MEDraysintell идентифицирует около 1500 медицинских циклотронов по всему миру» . ITN Imaging Technology News . 10 марта 2020 г.
- ^ Джин Даннен: Изобретения Сцилларда патентно остановлены. ССЫЛКА: [1]
- ^ Телегди, Валентин Л. (2000). «Сциллард как изобретатель: ускорители и многое другое». Физика сегодня . 53 (10): 25–28. Bibcode : 2000PhT .... 53j..25T . DOI : 10.1063 / 1.1325189 .ССЫЛКА: [2]
- ^ Видеро, Р. (1928). "Ueber Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen". Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik (на немецком языке). 21 (4): 387–406. DOI : 10.1007 / BF01656341 . S2CID 109942448 .
- ^ "Прорыв: век физики в Беркли 1886–1968 2. Циклотрон" . Библиотека Бэнкрофта , Калифорнийский университет в Беркли . 8 декабря 2008 года Архивировано из оригинала на 2012-05-27.
- ^ Ливингстон, М. Стэнли (19–22 августа 1975 г.). «История циклотрона» (PDF) . Труды 7-й Международной конференции по циклотронам и их приложениям . Цюрих, Швейцария. С. 635–638.CS1 maint: формат даты ( ссылка )
- ^ Э. О. Лоуренс; Н. Е. Эдлефсен (1930). Наука . 72 : 376. Отсутствует или пусто
|title=
( справка ) - ^ Алонсо, М .; Финн, Э. (1992). Физика . Эддисон Уэсли . ISBN 978-0-201-56518-8.
- ^ FJ Mann, "Федеральная телефонная и радиокорпорация, исторический обзор: 1909-1946", " Электрические коммуникации Vol. 23, No. 4 (декабрь 1946 г.): 397-398.
- ^ «Эрнест Лоуренс и М. Стэнли Ливингстон» . Калифорнийский университет в Беркли .
- ^ «Нобелевская премия по физике 1939 года» . Нобелевский фонд. Архивировано 24 октября 2008 года . Проверено 9 октября 2008 года .
- ^ Емельянов, В.С. (1971). «Атомная энергия в Советском Союзе» . Бюллетень ученых-атомщиков . 27 (9): 39. Bibcode : 1971BuAtS..27i..38E . DOI : 10.1080 / 00963402.1971.11455411 .
Государственный институт радия, основанный в 1922 году, ныне Радиевый институт им. В.Г. Хлопина.
- ^ «История / Мемориал» . Радиевый институт им. В.Г. Хлопина. Архивировано из оригинала 2011-04-26 . Проверено 25 февраля 2012 года .
- ^ «История / Хронология» . Архивировано из оригинала 2011-04-26 . Проверено 25 февраля 2012 года .
- ^ Ульрих Шмидт-Рор. «Вольфганг Гентнер 1906-1980» (на немецком языке). Архивировано из оригинала 6 июля 2007 года.
- ^ Сингх, Конгбам Чандрамани (2009). Основы физики . Нью-Дели: PHI Learning Private Ltd., стр. 211–212. ISBN 978-8120337084.
- ^ а б Ли, С.-Й. (1999). Физика ускорителя . World Scientific . п. 14. ISBN 978-981-02-3709-7.
- ^ Томас, LH (1938). «Пути ионов в циклотроне I. Орбиты в магнитном поле». Физический обзор . 54 (8): 580–588. Bibcode : 1938PhRv ... 54..580T . DOI : 10.1103 / PhysRev.54.580 .
- ^ Хьюм, М. (21 февраля 2012 г.). «Канадские исследователи совершают прорыв в разработке нового способа производства медицинских изотопов» . Глобус и почта . Ванкувер.
- ^ Kamigaito, O .; и другие. (2010). «Состояние ускорителей RIBF RIKEN» (PDF) . Труды 19-й Международной конференции по циклотронам и их приложениям .
- ^ «Самый большой циклотрон» . guinnessworldrecords.com .
- ^ «Партнеры и владельцы канадских университетов» .
- ^ Лоуренс Маслон; Майкл Кантор. Супергерои!: Накидки на капюшоны и создание культуры комиксов . п. 91.
дальнейшее чтение
- Чао, Александр В .; и другие. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (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 выходит на« вытяжку » . Проводной . О районном циклотроне в Анкоридже, Аляска .CS1 maint: postscript ( ссылка )
- 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 .CS1 maint: postscript ( ссылка )
Внешние ссылки
Общий
- Ускорители частиц в Curlie
Удобства
- 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 на лабораторных курсах для аспирантов.
- RIKEN Nishina Центр науки на основе ускорителей - дом самого мощного циклотрона в мире.