Синхроциклотрон

Эскиз синхроциклотрона из патента Макмиллана. ^[1]

Синхроциклотрон представляет собой особый тип циклотрона , запатентованный Edwin McMillan , в котором частота приводного РЧ электрического поля изменяются для компенсации релятивистских эффектов , как скорость наблюдаемых частиц начинает приближаться к скорости света . В этом отличие от классического циклотрона, где эта частота постоянна. ^[1]

Есть два основных различия между синхроциклотроном и классическим циклотроном. В синхроциклотроне только один диэ (полый электрод из листового металла в форме буквы «D») сохраняет свою классическую форму, в то время как другой полюс остается открытым (см. Эскиз патента). Кроме того, частота колеблющегося электрического поля в синхроциклотроне непрерывно уменьшается, а не остается постоянной, чтобы поддерживать циклотронный резонанс для релятивистских скоростей. Одна клемма колеблющегося электрического потенциала, периодически меняющегося, прикладывается к dee, а другая клемма - к потенциалу земли. Протоны или дейтроныдля ускорения заставляют двигаться по кругам увеличивающегося радиуса. Ускорение частиц происходит, когда они входят или покидают ди. На внешнем крае ионный пучок может быть удален с помощью электростатического дефлектора. Первый синхроциклотрон произвел дейтроны с энергией 195 МэВ и α-частицы с энергией 390 МэВ . ^[2]

Отличия от классического циклотрона [ править ]

В классическом циклотроне угловая частота электрического поля определяется выражением

${\ displaystyle \ omega = {\ frac {qB} {m}}}$,

Где - угловая частота электрического поля, - заряд частицы, - магнитное поле, - масса частицы. Это делает предположение, что частица является классической и не испытывает релятивистских явлений, таких как сокращение длины. Эти эффекты начинают становиться значительными, когда скорость частицы больше, чем . Чтобы исправить это, вместо массы покоя используется релятивистская масса; таким образом, коэффициент умножает массу, так что${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle q}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle v}$${\ Displaystyle \ приблизительно {\ гидроразрыва {c} {3}}}$${\ displaystyle \ gamma}$

${\ displaystyle \ omega = {\ frac {qB} {m \ gamma}}}$,

где

${\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}$.

Тогда это угловая частота поля, приложенного к частицам, когда они ускоряются вокруг синхроциклотрона.

Преимущества [ править ]

Часть бывшего синхроциклотрона Орсе

Главное преимущество синхроциклотрона состоит в том, что нет необходимости ограничивать количество оборотов, совершаемых ионом перед его выходом. Таким образом, разность потенциалов, подаваемая между деэлементами, может быть намного меньше.

Меньшая разность потенциалов, необходимая в зазоре, используется для следующих целей:

1. Нет необходимости в узком зазоре между деформациями, как в случае обычного циклотрона, поскольку не требуются сильные электрические поля для создания большого ускорения. Таким образом, вместо двух можно использовать только один разъем, а другой конец источника колебательного напряжения подключен к земле.
2. Магнитные полюсные наконечники можно приблизить, что позволяет значительно увеличить плотность магнитного потока.
3. Генератор с частотным вентилем может работать с гораздо большей эффективностью.

Недостатки [ править ]

Основным недостатком этого устройства является то, что в результате изменения частоты источника колебательного напряжения только очень небольшая часть ионов, покидающих источник, захватывается на фазостабильных орбитах с максимальным радиусом и энергией, в результате чего что выходной ток пучка имеет низкий рабочий цикл, а средний ток пучка составляет лишь небольшую часть мгновенного тока пучка. Таким образом, машина производит ионы высокой энергии, хотя и со сравнительно низкой интенсивностью.

Следующий этап развития концепции циклотрона, изохронный циклотрон , поддерживает постоянную частоту ВЧ-возбуждения и компенсирует релятивистские эффекты за счет увеличения магнитного поля с радиусом. Изохронные циклотроны способны производить намного больший ток пучка, чем синхроциклотроны. В результате изохронные циклотроны стали более популярными в области исследований.

История [ править ]

Синхроциклотрон (SC) в ЦЕРНе

В 1945 году Роберт Lyster Торнтон в Эрнест Лоуренс «ы радиационной лаборатории привело к строительству 184-дюймового (470 см) 730 МэВ циклотрона. В 1946 году он руководил преобразованием циклотрона в новую конструкцию, разработанную Макмилланом, которая станет первым синхроциклотроном, способным производить дейтроны с энергией 195 МэВ и α-частицы с энергией 390 МэВ .

После ввода в эксплуатацию первого синхроциклотрона Управление военно-морских исследований (ONR) профинансировало две инициативы по созданию синхроциклотрона. Первое финансирование было получено в 1946 году Технологическим институтом Карнеги на строительство 435-МэВ синхроциклотрона под руководством Эдварда Кройца и начало его программы исследований в области ядерной физики. Вторая инициатива была в 1947 г. Чикагским университетом по созданию синхроциклотрона на 450 МэВ под руководством Энрико Ферми .

В 1948 году Университет Рочестера завершил строительство своего синхроциклотрона на 240 МэВ, а затем в 1950 году в Колумбийском университете было завершено строительство синхроциклотрона на 380 МэВ .

В 1950 г. начал работать синхроциклотрон на 435 МэВ в Технологическом институте Карнеги, за ним в 1951 г. последовал синхроциклотрон на 450 МэВ Чикагского университета ^[2].

На встрече ЮНЕСКО в Париже в декабре 1951 года обсуждалась проблема поиска решения относительно ускорителя средней энергии для будущей Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Синхроциклотрон был предложен в качестве решения для преодоления разрыва до завершения строительства протонного синхротрона на 28 ГэВ . В 1952 году Корнелис Баккер возглавил группу по разработке и строительству синхроциклотрона под названием Synchro-Cyclotron (SC) в ЦЕРНе. Разработка синхроциклотрона с окружностью 15,7 метра (52 фута) началась в 1953 году. Строительство началось в 1954 году, и в августе 1957 года было достигнуто ускорение протонов 600 МэВ, а экспериментальная программа началась в апреле 1958 года ^[3].

Текущие события [ править ]

Синхроциклотроны привлекательны для использования в протонной терапии из-за возможности создавать компактные системы с использованием сильных магнитных полей. Компании, занимающиеся медицинской физикой, Ion Beam Applications и Mevion Medical Systems разработали сверхпроводящие синхроциклотроны, которые могут удобно разместиться в больницах. ^{[4] [5]}

Ссылки [ править ]