Линейный ускоритель частиц

Линейный ускоритель австралийского синхротрона использует радиоволны из ряда радиочастотных резонаторов в начале линейного ускорителя для ускорения электронного пучка в сгустках до энергии 100 МэВ.

Линейный ускоритель частиц (часто сокращается до линейного ускорителя ) — это тип ускорителя частиц , который ускоряет заряженные субатомные частицы или ионы до высокой скорости, подвергая их воздействию серии осциллирующих электрических потенциалов вдоль линейной линии луча . Принципы таких машин были предложены Густавом Изингом в 1924 году. ^[1] а первая работающая машина была построена Рольфом Видероэ в 1928 году. ^[2] в RWTH Ахенском университете . ^[3]^[4]Линаки имеют множество применений: они генерируют рентгеновские лучи и электроны высокой энергии для медицинских целей в лучевой терапии , служат инжекторами частиц для ускорителей более высоких энергий и используются непосредственно для достижения наивысшей кинетической энергии легких частиц (электронов и позитронов) для физика частиц .

Конструкция линейного ускорителя зависит от типа ускоряемой частицы: электронов , протонов или ионов. Размер линейных ускорителей варьируется от электронно-лучевой трубки (которая является разновидностью линейного ускорителя) до линейного ускорителя длиной 3,2 километра (2,0 мили) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния .

История

В 1924 году Густав Изинг опубликовал первое описание линейного ускорителя частиц, использующего серию ускоряющих щелей. Частицы будут проходить по ряду трубок. При постоянной частоте к каждому зазору будет приложено ускоряющее напряжение. По мере того, как частицы набирали скорость, а частота оставалась постоянной, зазоры будут располагаться все дальше и дальше друг от друга, чтобы гарантировать, что частица будет видеть приложенное напряжение при достижении каждого зазора. Изинг так и не реализовал эту идею успешно. ^[5]

Рольф Видеро обнаружил работу Изинга в 1927 году и в рамках своей докторской диссертации построил версию устройства длиной 88 дюймов с двумя зазорами. Там, где Изинг предложил в качестве источника напряжения искровой разрядник, Видеро использовал ламповый генератор на 25 кВ. Он успешно продемонстрировал, что ускорил ионы натрия и калия до энергии 50 000 электрон-вольт (50 кэВ), что вдвое превышает энергию, которую они получили бы, если бы их ускорили трубкой только один раз. Успешно ускорив частицу несколько раз с использованием одного и того же источника напряжения, Видеро продемонстрировал полезность радиочастотного (РЧ) ускорения. ^[6]

Этот тип линейного ускорителя был ограничен источниками напряжения, которые были доступны в то время, и только после Второй мировой войны Луис Альварес смог использовать недавно разработанные высокочастотные генераторы для разработки первого линейного ускорителя с дрейфовой трубкой с резонансной полостью. Линейный ускоритель Альвареса отличается от типа Видеро тем, что радиочастотная мощность подается на всю резонансную камеру, через которую проходит частица, а центральные трубки используются только для экранирования частиц во время замедляющейся части фазы генератора. Использование такого подхода к ускорению означало, что первый линейный ускоритель Альвареса смог достичь энергии протонов 31,5 МэВ в 1947 году, самой высокой энергии, когда-либо достигнутой в то время. ^[7]

Первоначальные линейные ускорители типа Альвареса не имели надежного механизма фокусировки луча и в результате были ограничены по длине и энергии. Разработка принципа сильной фокусировки в начале 1950-х годов привела к установке фокусирующих квадрупольных магнитов внутри дрейфовых трубок, что позволило создавать более длинные и, следовательно, более мощные линейные ускорители. Два из самых ранних образцов линейных ускорителей Альвареса с сильными фокусирующими магнитами были построены в ЦЕРН и Брукхейвенской национальной лаборатории . ^[8]

В 1947 году, примерно в то же время, когда Альварес разрабатывал свою концепцию линейного ускорителя для протонов, Уильям Хансен построил первый ускоритель электронов на бегущей волне в Стэнфордском университете. ^[9] достигают скоростей, близких к скорости света Электроны настолько легче протонов, что на ранних этапах процесса ускорения . В результате энергия «ускоряющихся» электронов увеличивается, но с точки зрения конструкции ускорителя их можно рассматривать как имеющие постоянную скорость. Это позволило Хансену использовать ускоряющую структуру, состоящую из горизонтального волновода, нагруженного серией дисков. Ускоритель 1947 года имел энергию 6 МэВ. Со временем ускорение электронов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC увеличится до размера 2 миль (3,2 км) и выходной энергии 50 ГэВ. ^[10]

Поскольку были разработаны линейные ускорители с более высокими токами пучков, использование магнитных полей для фокусировки пучков протонов и тяжелых ионов представляло трудности на начальных стадиях работы ускорителя. Поскольку магнитная сила зависит от скорости частицы, было желательно создать такой тип ускорителя, который мог бы одновременно ускорять и фокусировать адроны с низкой и средней энергией . ^[11] В 1970 году советские физики И. М. Капчинский и Владимир Тепляков предложили радиочастотный квадрупольный (РЧК) ускоряющий тип структуры. В запросах предложений используются лопасти или стержни точной формы в резонансной полости для создания сложных электрических полей. Эти поля обеспечивают одновременное ускорение и фокусировку инжектируемых пучков частиц. ^[12]

Начиная с 1960-х годов ученые в Стэнфорде и других местах начали исследовать использование сверхпроводящих радиочастотных резонаторов для ускорения частиц. ^[13] Сверхпроводящие резонаторы, изготовленные из ниобиевых сплавов, обеспечивают гораздо более эффективное ускорение, поскольку значительно более высокая часть входной мощности может быть приложена к лучу, а не потеряна на тепло. Некоторые из первых сверхпроводящих линейных ускорителей включали Сверхпроводящий линейный ускоритель (для электронов) в Стэнфорде. ^[14] и Аргоннская тандемная линейная ускорительная система (для протонов и тяжелых ионов) в Аргоннской национальной лаборатории . ^[15]

Основные принципы работы

Радиочастотное ускорение

Когда заряженная частица помещается в электромагнитное поле , на нее действует сила, определяемая законом силы Лоренца :

{\vec {F}}=q{\vec {E}}+q{\vec {v}}\times {\vec {B}}

где $q$ - заряд частицы, ${\vec {E}}$ электрическое поле, ${\vec {v}}$ - скорость частицы, а ${\vec {B}}$ является магнитное поле. Перекрестное произведение в термине магнитного поля означает, что статические магнитные поля нельзя использовать для ускорения частиц, поскольку магнитная сила действует перпендикулярно направлению движения частиц. ^[16]

Поскольку электростатический пробой ограничивает максимальное постоянное напряжение, которое можно приложить к зазору для создания электрического поля, большинство ускорителей используют ту или иную форму радиочастотного ускорения. При радиочастотном ускорении частица пересекает ряд ускоряющих областей, управляемых источником напряжения, таким образом, что частица видит ускоряющее поле при пересечении каждой области. При этом типе ускорения частицы обязательно должны двигаться «группами», что соответствует той части цикла осциллятора, где электрическое поле указывает в заданном направлении ускорения. ^[17]

Если для управления серией промежутков используется один источник колебательного напряжения, эти промежутки должны располагаться все дальше друг от друга по мере увеличения скорости частицы. Это делается для того, чтобы частица «видела» одну и ту же фазу цикла осциллятора, когда она достигает каждого промежутка. Когда частицы асимптотически приближаются к скорости света, расстояние между зазорами становится постоянным: дополнительная приложенная сила увеличивает энергию частиц, но существенно не меняет их скорость. ^[16]^: 9-12

Фокусировка

Чтобы гарантировать, что частицы не покинут ускоритель, необходимо обеспечить некоторую форму фокусировки, чтобы перенаправить частицы, удаляющиеся от центральной траектории, обратно на намеченный путь. С открытием сильной фокусировки квадрупольные магниты стали использоваться для активного перенаправления частиц, удаляющихся от опорного пути. Поскольку квадрупольные магниты фокусируются в одном поперечном направлении и дефокусируются в перпендикулярном направлении, необходимо использовать группы магнитов, чтобы обеспечить общий эффект фокусировки в обоих направлениях. ^[16]

Фазовая стабильность

Фокусировка по направлению движения, также известная как фазовая стабильность , является неотъемлемым свойством радиочастотного ускорения. Если все частицы в сгустке достигают области ускорения во время фазы нарастания осциллирующего поля, то частицы, прилетевшие раньше, будут испытывать немного меньшее напряжение, чем «эталонная» частица в центре сгустка. Поэтому эти частицы получат немного меньшее ускорение и в конечном итоге отстанут от эталонной частицы. Соответственно, частицы, прилетающие после эталонной частицы, получат немного большее ускорение и в результате догонят эталонную. Эта автоматическая коррекция происходит на каждом ускоряющемся зазоре, поэтому пучок перефокусируется по направлению движения каждый раз, когда он ускоряется. ^[17]^: 30–52

Строительство и эксплуатация

Квадрупольные магниты, окружающие линейный ускоритель австралийского синхротрона, используются для фокусировки электронного луча.

Линейный ускоритель частиц состоит из следующих частей:

с прямой полой трубой, Вакуумная камера содержащая другие компоненты. Его откачивают вакуумным насосом , чтобы ускоренные частицы не столкнулись с молекулами воздуха. Длина будет варьироваться в зависимости от приложения. Если аппарат используется для производства рентгеновских лучей при осмотре или терапии, то длина трубы может составлять всего 0,5-1,5 метра. ^[18] Если устройство будет инжектором для синхротрона , то его длина может составлять около десяти метров. ^[19] Если устройство будет использоваться в качестве основного ускорителя для исследования ядерных частиц, его длина может составлять несколько тысяч метров. ^[20]
Источник частиц (S) на одном конце камеры производит заряженные частицы , которые машина ускоряет. Конструкция источника зависит от ускоряемой частицы. Электроны генерируются холодным катодом , горячим катодом , фотокатодом или радиочастотными источниками ионов . Протоны генерируются в источнике ионов , который может иметь множество различных конструкций. Если необходимо ускорить более тяжелые частицы (например, ионы урана ), необходим специализированный источник ионов. Источник имеет собственный источник высокого напряжения для введения частиц в луч. ^[21]
Вдоль трубы от источника проходит ряд цилиндрических электродов с открытыми концами (C1, C2, C3, C4) , длина которых постепенно увеличивается по мере удаления от источника. Частицы из источника проходят через эти электроды. Длина каждого электрода определяется частотой и мощностью источника движущей энергии и ускоряемой частицы, так что частица проходит через каждый электрод ровно за половину цикла ускоряющего напряжения. Масса частицы сильно влияет на длину цилиндрических электродов; например, электрон значительно легче протона, поэтому ему обычно требуется гораздо меньшая секция цилиндрических электродов, поскольку он ускоряется очень быстро.
Мишень, с которой сталкиваются частицы, расположена на конце ускоряющих электродов. Если электроны ускоряются для получения рентгеновских лучей, то вольфрамовая используется мишень с водяным охлаждением. В зависимости от конкретного исследования при ускорении протонов или других ядер используются различные материалы мишени. За мишенью расположены различные детекторы для обнаружения частиц, образующихся в результате столкновения поступающих частиц с атомами мишени. Многие линейные ускорители служат начальной ступенью ускорителя для более крупных ускорителей частиц, таких как синхротроны и накопительные кольца , и в этом случае после выхода из электродов ускоренные частицы попадают на следующую ступень ускорителя.
Электронный генератор и усилитель (G), который генерирует радиочастотное переменное напряжение высокого потенциала (обычно тысячи вольт), которое подается на цилиндрические электроды. Это ускоряющее напряжение, которое создает электрическое поле, ускоряющее частицы. На последовательные электроды подается противоположное фазное напряжение. Ускоритель высокой мощности будет иметь отдельный усилитель для питания каждого электрода, синхронизированный с одной и той же частотой.

Как показано на анимации, колебательное напряжение, подаваемое на чередующиеся цилиндрические электроды, имеет противоположную полярность ( сдвиг по фазе на 180° ), поэтому соседние электроды имеют противоположные напряжения. Это создает колеблющееся электрическое поле (E) в зазоре между каждой парой электродов, которое оказывает силу на частицы, когда они проходят, передавая им энергию, ускоряя их. Источник частиц вводит группу частиц в первый электрод один раз в каждом цикле напряжения, когда заряд на электроде противоположен заряду частиц. Каждый раз, когда пучок частиц проходит через электрод, колебательное напряжение меняет полярность, поэтому, когда частицы достигают зазора между электродами, электрическое поле имеет правильное направление, ускоряя их. Следовательно, частицы ускоряются до более высокой скорости каждый раз, когда проходят между электродами; Внутри электродов небольшое электрическое поле, поэтому частицы движутся с постоянной скоростью внутри каждого электрода.

Частицы впрыскиваются в нужное время, чтобы разность осциллирующих напряжений между электродами была максимальной при пересечении частицами каждого зазора. Если пиковое напряжение, приложенное между электродами, $V_{p}$ вольт, а заряд каждой частицы равен $q$ элементарных зарядов частица получает равное приращение энергии $qV_{p}$ электрон-вольт при прохождении через каждый зазор. Таким образом, выходная энергия частиц равна

E=qNV_{p}

электронвольты, где $N$ – количество ускоряющих электродов в машине.

На скоростях, близких к скорости света, приращение скорости будет небольшим, а энергия будет проявляться в увеличении массы частиц. В тех частях ускорителя, где это происходит, длина трубчатых электродов будет почти постоянной. Могут быть включены дополнительные магнитные или электростатические линзовые элементы, чтобы гарантировать, что луч остается в центре трубы и ее электродов. Очень длинные ускорители могут поддерживать точное выравнивание своих компонентов за счет использования сервосистем, управляемых лазерным лучом.

Концепции в разработке

По состоянию на 2021 год находятся в разработке различные новые концепции. Основная цель — сделать линейные ускорители дешевле, с более сфокусированными лучами, более высокой энергией или более высоким током пучка.

Индукционный линейный ускоритель

Индукционные линейные ускорители используют для ускорения электрическое поле, индуцированное изменяющимся во времени магнитным полем, как бетатрон . Пучок частиц проходит через ряд кольцеобразных ферритовых сердечников , стоящих один за другим, которые намагничиваются сильноточными импульсами и, в свою очередь, каждый из них генерирует импульс напряженности электрического поля вдоль оси направления луча. Индукционные линейные ускорители рассматриваются для коротких импульсов сильного тока от электронов, а также от тяжелых ионов. ^[22] Концепция восходит к работам Николаса Христофилоса . ^[23] Его реализация во многом зависит от прогресса в разработке более подходящих ферритовых материалов. На электронах были достигнуты импульсные токи до 5 килоампер при энергиях до 5 МэВ и длительности импульсов от 20 до 300 наносекунд. ^[24]

Ускоренный ускоритель рекуперации энергии

В предыдущих линейных ускорителях электронов ускоренные частицы используются только один раз, а затем подаются в поглотитель (отвал пучка) , в котором их остаточная энергия преобразуется в тепло. В линейном ускорителе с рекуперацией энергии (ЭРЛ) происходит ускорение в резонаторах и, например, в ондуляторах . Используемые электроны возвращаются через ускоритель, сдвинутые по фазе на 180 градусов. Поэтому они проходят через резонаторы в фазе замедления и таким образом возвращают оставшуюся энергию полю. Эту концепцию можно сравнить с гибридным приводом автомобилей, где кинетическая энергия, высвобождаемая при торможении, используется для следующего ускорения за счет зарядки аккумулятора.

О соответствующих опытно-конструкторских работах сообщили Брукхейвенская национальная лаборатория и Берлинский центр имени Гельмгольца с проектом «bERLinPro». В Берлинском экспериментальном ускорителе используются сверхпроводящие резонаторы из ниобия. три лазера на свободных электронах В 2014 г. в мире работали на основе ЭРЛ: в лаборатории Джефферсона (США), в Институте ядерной физики им. Будкера (Россия) и в JAEA (Япония). ^[25] в Университете Майнца в 2024 году начнет работу ERL под названием MESA. Ожидается, что ^[26]

Компактный линейный коллайдер

Концепция компактного линейного коллайдера (CLIC) (первоначальное название CERN Linear Collider с той же аббревиатурой) для электронов и позитронов обеспечивает ускоритель бегущей волны для энергий порядка 1 тераэлектронвольт (ТэВ). ^[27] Вместо необходимых в противном случае многочисленных клистронных усилителей для генерации мощности ускорения должен использоваться второй параллельный линейный ускоритель электронов меньшей энергии, работающий со сверхпроводящими полостями, в которых образуются стоячие волны. Высокочастотная мощность извлекается из него через определенные промежутки времени и передается на главный ускоритель. Таким образом, должна быть достигнута очень высокая напряженность поля ускорений 80 МВ/м.

Кильфельдский ускоритель (плазменный ускоритель)

В резонаторах с полостью электрическая прочность ограничивает максимальное ускорение, которого можно достичь на определенном расстоянии. Это ограничение можно обойти, используя ускоренные волны в плазме для генерации ускоряющего поля в ускорителях Килфельда : лазер или луч частиц возбуждает колебания в плазме , что связано с очень сильной напряженностью электрического поля. Это означает, что возможно создание значительно (в 100–1000 раз) более компактных линейных ускорителей. Эксперименты с использованием мощных лазеров в плазме паров металлов позволяют предположить, что уменьшение длины линии луча с нескольких десятков метров до нескольких см вполне возможно.

Компактные медицинские ускорители

Программа LIGHT (Linac для адронной терапии под визуальным контролем) надеется создать конструкцию, способную ускорять протоны до 200 МэВ или около того для медицинского использования на расстоянии в несколько десятков метров, путем оптимизации и объединения существующих ускорительных технологий. ^[28] Текущая конструкция (2020 г.) использует самую высокую практическую частоту сгустка (в настоящее время ~ 3 ГГц) для каскада радиочастотного квадруполя (RFQ) от инжекции при 50 кВ постоянного тока до сгустков ~ 5 МэВ, линейный ускоритель с боковой дрейфовой трубкой (SCDTL) для ускорения от 5 Мэв. до ~ 40 МэВ и финальная ступень линейного ускорителя с ячейковой связью (CCL), доводящая выходную мощность до 200-230 МэВ. Каждая ступень оптимизирована для обеспечения тесной связи и синхронной работы во время накопления энергии луча.Цель проекта — сделать протонную терапию более доступной основной медициной в качестве альтернативы существующей лучевой терапии.

Современные концепции

Чем выше выбранная частота ускоряющего напряжения, тем больше отдельных ускорений на длину пути испытывает частица с заданной скоростью и, следовательно, тем короче может быть ускоритель в целом. Вот почему ускорительная технология развивалась в поисках более высоких энергий частиц, особенно в направлении более высоких частот.

Концепции линейных ускорителей (часто называемые ускорительными структурами в технических терминах), которые используются примерно с 1950 года, работают с частотами в диапазоне от примерно 100 МГц до нескольких гигагерц (ГГц) и используют компонент электрического поля электромагнитных волн.

Стоячие и бегущие волны

Когда дело доходит до энергий более нескольких МэВ, ускорители ионов отличаются от ускорителей электронов. Причиной этого является большая разница масс между частицами. Электроны уже близки к скорости света — абсолютному пределу скорости — в несколько МэВ; при дальнейшем ускорении, как описывает релятивистская механика почти только их энергия и импульс , увеличиваются . С другой стороны, у ионов этого диапазона энергий скорость также существенно возрастает за счет дальнейшего ускорения.

Используемые сегодня концепции ускорения ионов всегда основаны на стоячих электромагнитных волнах , которые формируются в подходящих резонаторах . В зависимости от типа частицы, диапазона энергий и других параметров используются самые разные типы резонаторов; следующие разделы охватывают только некоторые из них. Электроны также можно ускорять стоячими волнами с энергией выше нескольких МэВ. Однако выгодной альтернативой здесь является прогрессивная волна, бегущая волна. Фазовая скорость бегущей волны должна быть примерно равна скорости частицы. Следовательно, этот метод подходит только тогда, когда частицы движутся почти со скоростью света, так что их скорость увеличивается очень незначительно.

Разработка высокочастотных генераторов и усилителей мощности в 1940-х годах, особенно клистрона, имела важное значение для этих двух методов ускорения. Первый более крупный линейный ускоритель со стоячими волнами — для протонов — был построен в 1945/46 году в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли под руководством Луиса В. Альвареса . Используемая частота составляла 200 МГц . Первый ускоритель электронов с бегущей волной около 2 ГГц был разработан чуть позже в Стэнфордском университете У.В. Хансеном и его коллегами. ^[29]

Принцип ускорения пакетов частиц
стоячей волной	бегущей волной

На двух диаграммах кривая и стрелки указывают силу, действующую на частицы. Только в точках с правильным направлением вектора электрического поля, т. е. с правильным направлением силы, частицы могут поглощать энергию волны. (Увеличение скорости невозможно увидеть в масштабе этих изображений.)

Преимущества

Линейный ускоритель мог производить частицы более высокой энергии, чем предыдущие электростатические ускорители частиц ( ускоритель Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа ), которые использовались, когда он был изобретен. В этих машинах частицы ускорялись приложенным напряжением только один раз, поэтому энергия частиц в электрон-вольтах была равна ускоряющему напряжению на машине, которое было ограничено несколькими миллионами вольт из-за пробоя изоляции. В линейном ускорителе частицы многократно ускоряются под действием приложенного напряжения, поэтому энергия частиц не ограничивается ускоряющим напряжением.

Также разрабатываются мощные ускорители для производства электронов на релятивистских скоростях, что необходимо, поскольку быстрые электроны, движущиеся по дуге, теряют энергию из-за синхротронного излучения ; это ограничивает максимальную мощность, которую можно сообщить электронам в синхротроне заданного размера.Линаки также способны выдавать огромную мощность, производя почти непрерывный поток частиц, тогда как синхротрон лишь периодически поднимает частицы до энергии, достаточной для «выстрела» в цель. (Всплеск можно удерживать или сохранять в кольце с энергией, позволяющей экспериментальной электронике работать, но средний выходной ток по-прежнему ограничен.) Высокая плотность выходного сигнала делает линейный ускоритель особенно привлекательным для использования при загрузке накопительных устройств. с частицами в подготовке к столкновениям между частицами. Высокая выходная масса также делает устройство практичным для производства частиц антивещества , которые обычно трудно получить, поскольку они составляют лишь небольшую часть продуктов столкновения мишени. Затем их можно сохранить и в дальнейшем использовать для изучения аннигиляции материи и антиматерии.

Медицинские ускорители

на основе Лучевая терапия линейного ускорителя для лечения рака началась с первого пациента, пролеченного в 1953 году в Лондоне, Великобритания, в больнице Хаммерсмит с помощью аппарата мощностью 8 МВ, построенного компанией Metropolitan-Vickers и установленного в 1952 году в качестве первого специализированного медицинского линейного ускорителя. ^[30] Некоторое время спустя, в 1954 году, в Стэнфорде, США, был установлен линейный ускоритель мощностью 6 МВ, лечение которого началось в 1956 году.

Медицинские линейные ускорители ускоряют электроны с помощью волновода с настроенным резонатором, в котором радиочастотная энергия создает стоячую волну . Некоторые линейные ускорители имеют короткие вертикально установленные волноводы, в то время как машины с более высокой энергией, как правило, имеют горизонтальный, более длинный волновод и изгибающий магнит для поворота луча вертикально к пациенту. Медицинские линейные ускорители используют моноэнергетические электронные пучки с энергией от 4 до 25 МэВ, давая рентгеновское излучение со спектром энергий вплоть до энергии электронов включительно, когда электроны направлены на мишень с высокой плотностью (например, вольфрам ). Электроны или рентгеновские лучи можно использовать для лечения как доброкачественных, так и злокачественных заболеваний. LINAC производит надежный, гибкий и точный пучок излучения. Универсальность LINAC является потенциальным преимуществом перед терапией кобальтом как инструментом лечения. Кроме того, устройство можно просто выключить, когда оно не используется; нет источника, требующего мощной защиты – хотя сам процедурный кабинет требует значительной защиты стен, дверей, потолка и т. д. для предотвращения утечки рассеянного излучения. Длительное использование машин высокой мощности (>18 МэВ) может вызвать значительное количество радиации в металлических частях головки машины после отключения питания машины (т. е. они становятся активным источником, и необходимо соблюдать необходимые меры предосторожности). ).

В 2019 году для детей, проходящих лучевую терапию по поводу рака, был разработан набор моделей Little Linac, содержащий 82 строительных блока. Есть надежда, что построение модели частично облегчит стресс, испытываемый ребенком перед лечением, и поможет ему понять, что влечет за собой лечение. Комплект был разработан профессором Дэвидом Бреттлом из Института физики и техники в медицине (IPEM) в сотрудничестве с производителями Best-Lock Ltd. Модель можно увидеть в Музее науки в Лондоне .

Заявка на разработку медицинских изотопов

Ожидаемый дефицит Мо-99 и технеция-99m полученного из него медицинского изотопа также пролил свет на технологию линейных ускорителей для производства Мо-99 из необогащенного урана посредством нейтронной бомбардировки. Это позволило бы промышленности медицинских изотопов производить этот важнейший изотоп с помощью докритического процесса. Стареющие предприятия, например лаборатории Чок-Ривер в Онтарио, Канада, которые до сих пор производят большую часть Mo-99 из высокообогащенного урана , могут быть заменены этим новым процессом. Таким способом будет достигнута докритическая загрузка растворимых солей урана в тяжелую воду с последующей бомбардировкой фотонейтронами и выделением целевого продукта Мо-99. ^[31]^{[ нужен лучший источник ]}

Недостатки

Длина устройства ограничивает места, где его можно разместить.
Требуется большое количество приводных устройств и связанных с ними источников питания, что увеличивает затраты на строительство и обслуживание этой части.
Если стенки ускоряющих резонаторов изготовлены из нормально проводящего материала и ускоряющие поля велики, сопротивление стенок быстро преобразует электрическую энергию в тепловую. С другой стороны, сверхпроводники также нуждаются в постоянном охлаждении, чтобы поддерживать их температуру ниже критической, а ускоряющие поля ограничиваются закалкой . Поэтому ускорители высокой энергии, такие как SLAC , до сих пор самые длинные в мире (в различных поколениях), работают короткими импульсами, ограничивая средний выходной ток и заставляя экспериментальные детекторы обрабатывать данные, поступающие короткими всплесками.

См. также

Ссылки

^ Г. Изинг (1924). «Принцип метода получения высоковольтных канальных пучков». Архив по математике, астрономии и физике . 18 (30): 1-4.
^ Видероэ, Р. (17 декабря 1928 г.). «О новом принципе получения высокого напряжения». Архивы электроники и передающих технологий . 21 (4): 387–406. дои : 10.1007/BF01656341 . S2CID 109942448 .
^ Брайант, Пи Джей (1994). Краткая история и обзор ускорителей . 5-й курс общей физики ускорителей. Школа ускорителей ЦЕРН. doi : 10.5170/CERN-1994-001.1 .
^ Манган, Микеланджело (2016). «Ускорители частиц и прогресс физики элементарных частиц». В Брюнинге, Оливер; Майерс, Стивен (ред.). Вызовы и цели акселераторов в XXI веке . Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 33. Бибкод : 2016cgat.book.....М . дои : 10.1142/8635 . ISBN 978-981-4436-39-7 .
^ Хейлброн, JL; Зайдель, Роберт В. (1989). Лоуренс и его лаборатория: история лаборатории Лоуренса в Беркли, том I. Беркли, Калифорния: Издательство Калифорнийского университета . Проверено 2 февраля 2022 г.
^ Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. ISBN 9789812779601 .
^ «Линейный ускоритель протонов Альвареса» . Смитсоновский институт . Проверено 3 февраля 2022 г.
^ Лапостолль, Пьер (июль 1989 г.). Линейные ускорители протонов: теоретическое и историческое введение (доклад). Лос-Аламосская национальная лаборатория. ЛА-11601-МС . Проверено 4 февраля 2022 г.
^ Гинзтон, Эдвард Л. (апрель 1983 г.). «Ранние работы ускорителя в Стэнфорде» (PDF) . Линия луча SLAC : 2–16.
^ Нил, РБ (1968). «Глава 5» (PDF) . Стэнфордский двухмильный ускоритель . Нью-Йорк, Нью-Йорк: WA Benjamin, Inc., с. 59 . Проверено 17 сентября 2010 г.
^ Стоукс, Ричард Х.; Ванглер, Томас П. (1988). «Радиочастотные квадрупольные ускорители и их применение» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 38 (38): 97–118. Бибкод : 1988АРНПС..38...97С . дои : 10.1146/annurev.ns.38.120188.000525 . Проверено 3 февраля 2022 г.
^ Райзер, Мартин (2008). Теория и конструкция пучков заряженных частиц (2-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH . п. 6. ISBN 9783527407415 .
^ Падамси, Хасан (14 апреля 2020 г.). «История развития градиентов в SRF». arXiv : 2004.06720 [ physical.acc-ph ].
^ Вестфолл, Кэтрин (апрель 1997 г.). Предыстория ускоряющих резонаторов SRF лаборатории Джефферсона, 1962–1985 гг. (Отчет). Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона . JLAB-PHY-97-35.
^ Остроумов, Петр; Геригк, Франк (январь 2013 г.). «Сверхпроводящие адронные ускорители». Обзоры ускорительной науки и технологий . 06 : 171–196. дои : 10.1142/S1793626813300089 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 1. ISBN 9789812779601 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Эдвардс, Д.А.; Сайферс, MJ (1993). Введение в физику ускорителей высоких энергий . Нью-Йорк: Уайли. ISBN 9780471551638 .
^ Подгорсак, Е.Б. (2005). «Аппарат для дистанционной лучевой терапии». Радиационная онкология Физика . Вена: Международное агентство по атомной энергии . п. 138. ИСБН 92-0-107304-6 .
^ Блюетт, JP (11 июня 1956 г.). Эдуард Регенштрайф (ред.). Инжекторы линейных ускорителей для протонных синхротронов . Симпозиум ЦЕРН по ускорителям высоких энергий и физике пионов. Том. 1. Женева: ЦЕРН. стр. 159–166. doi : 10.5170/CERN-1956-025 .
^ Вайзе, Ганс; Декинг, Винфрид (10 июля 2017 г.). «Самый длинный в мире сверхпроводящий линейный ускоритель» . ЦЕРН Курьер . Издательство ИОП.
^ Фэрклот, округ Колумбия (24 марта 2021 г.). «Источники частиц». arXiv : 2103.13231 [ physical.acc-ph ].
^ «Тяжелые ионы предлагают новый подход к термоядерному синтезу» . ЦЕРН Курьер . 25 июня 2002 г. Проверено 22 января 2021 г.
^ Христофилос, Северная Каролина; Хестер, RE; Лэмб, В.А. С.; Рейган, Д.Д.; Шервуд, Вашингтон; Райт, Р.Э. (1 июля 1964 г.). «Сильноточный линейный индукционный ускоритель электронов» . Обзор научных инструментов . 35 (7): 886–890. Бибкод : 1964RScI...35..886C . дои : 10.1063/1.1746846 . ISSN 0034-6748 .
^ Фраас, Х. (1989). «Физика ядра и элементарных частиц. Г. Мусиол, Дж. Ранфт, Р. Рейф и Д. Зилигер, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1988, DM 128» . Физика в наше время . 20 (1): 31. Бибкод : 1989PhuZ...20...31F . дои : 10.1002/piuz.19890200109 . ISSN 0031-9252 .
^ Йешке, Эберхард; Хан, Шаукат; Шнайдер, Йохен Р.; Гастингс, Джером Б., ред. (2016). Источники синхротронного света и лазеры на свободных электронах: физика ускорителей, приборостроение и научные приложения . Международное издательство Спрингер. ISBN 978-3-319-14393-4 .
^ https://www.prisma.uni-mainz.de/facilities/mesa-mainz-energy-recovering-superconducting-accelerator/
^ Раубенхаймер, Т.О. (2000). Линейный коллайдер e+e− с энергией 3 ТэВ на основе технологии CLIC . Женева. ISBN 92-9083-168-5 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ «СВЕТ: ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОТОННОЙ ТЕРАПИИ» (PDF) .
^ Гинзтон, Эл.; Хансен, WW; Кеннеди, WR (1 февраля 1948 г.). «Линейный ускоритель электронов» . Обзор научных инструментов . 19 (2): 89–108. Бибкод : 1948RScI...19...89G . дои : 10.1063/1.1741225 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 18908606 .
^ Туэйтс, Д.И. и Туохи Дж. (2006). «Назад в будущее: история и развитие клинического линейного ускорителя». Физ. Мед. Биол . 51 (13): Р343–Р36. дои : 10.1088/0031-9155/51/13/R20 . ПМИД 16790912 . S2CID 7672187 .
^ Гал и Флэгг (2009). Технический обзор радиоизотопного генератора Solution Target . Производство докритического деления Mo99. Проверено 6 января 2013 г.

Внешние ссылки

[1] Г. Изинг (1924). «Принцип метода получения высоковольтных канальных пучков». Архив по математике, астрономии и физике . 18 (30): 1-4.

[2] Видероэ, Р. (17 декабря 1928 г.). «О новом принципе получения высокого напряжения». Архивы электроники и передающих технологий . 21 (4): 387–406. дои : 10.1007/BF01656341 . S2CID 109942448 .

[3] Брайант, Пи Джей (1994). Краткая история и обзор ускорителей . 5-й курс общей физики ускорителей. Школа ускорителей ЦЕРН. doi : 10.5170/CERN-1994-001.1 .

[4] Манган, Микеланджело (2016). «Ускорители частиц и прогресс физики элементарных частиц». В Брюнинге, Оливер; Майерс, Стивен (ред.). Вызовы и цели акселераторов в XXI веке . Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 33. Бибкод : 2016cgat.book.....М . дои : 10.1142/8635 . ISBN 978-981-4436-39-7 .

[heibron-5] Хейлброн, JL; Зайдель, Роберт В. (1989). Лоуренс и его лаборатория: история лаборатории Лоуренса в Беркли, том I. Беркли, Калифорния: Издательство Калифорнийского университета . Проверено 2 февраля 2022 г.

[6] Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. ISBN 9789812779601 .

[7] «Линейный ускоритель протонов Альвареса» . Смитсоновский институт . Проверено 3 февраля 2022 г.

[8] Лапостолль, Пьер (июль 1989 г.). Линейные ускорители протонов: теоретическое и историческое введение (доклад). Лос-Аламосская национальная лаборатория. ЛА-11601-МС . Проверено 4 февраля 2022 г.

[9] Гинзтон, Эдвард Л. (апрель 1983 г.). «Ранние работы ускорителя в Стэнфорде» (PDF) . Линия луча SLAC : 2–16.

[10] Нил, РБ (1968). «Глава 5» (PDF) . Стэнфордский двухмильный ускоритель . Нью-Йорк, Нью-Йорк: WA Benjamin, Inc., с. 59 . Проверено 17 сентября 2010 г.

[11] Стоукс, Ричард Х.; Ванглер, Томас П. (1988). «Радиочастотные квадрупольные ускорители и их применение» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 38 (38): 97–118. Бибкод : 1988АРНПС..38...97С . дои : 10.1146/annurev.ns.38.120188.000525 . Проверено 3 февраля 2022 г.

[Reiser_2008,_p6-12] Райзер, Мартин (2008). Теория и конструкция пучков заряженных частиц (2-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH . п. 6. ISBN 9783527407415 .

[13] Падамси, Хасан (14 апреля 2020 г.). «История развития градиентов в SRF». arXiv : 2004.06720 [ physical.acc-ph ].

[14] Вестфолл, Кэтрин (апрель 1997 г.). Предыстория ускоряющих резонаторов SRF лаборатории Джефферсона, 1962–1985 гг. (Отчет). Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона . JLAB-PHY-97-35.

[15] Остроумов, Петр; Геригк, Франк (январь 2013 г.). «Сверхпроводящие адронные ускорители». Обзоры ускорительной науки и технологий . 06 : 171–196. дои : 10.1142/S1793626813300089 .

[conte-16] Перейти обратно: ^а ^б ^с Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 1. ISBN 9789812779601 .

[edwards-17] Перейти обратно: ^а ^б Эдвардс, Д.А.; Сайферс, MJ (1993). Введение в физику ускорителей высоких энергий . Нью-Йорк: Уайли. ISBN 9780471551638 .

[18] Подгорсак, Е.Б. (2005). «Аппарат для дистанционной лучевой терапии». Радиационная онкология Физика . Вена: Международное агентство по атомной энергии . п. 138. ИСБН 92-0-107304-6 .

[19] Блюетт, JP (11 июня 1956 г.). Эдуард Регенштрайф (ред.). Инжекторы линейных ускорителей для протонных синхротронов . Симпозиум ЦЕРН по ускорителям высоких энергий и физике пионов. Том. 1. Женева: ЦЕРН. стр. 159–166. doi : 10.5170/CERN-1956-025 .

[20] Вайзе, Ганс; Декинг, Винфрид (10 июля 2017 г.). «Самый длинный в мире сверхпроводящий линейный ускоритель» . ЦЕРН Курьер . Издательство ИОП.

[21] Фэрклот, округ Колумбия (24 марта 2021 г.). «Источники частиц». arXiv : 2103.13231 [ physical.acc-ph ].

[22] «Тяжелые ионы предлагают новый подход к термоядерному синтезу» . ЦЕРН Курьер . 25 июня 2002 г. Проверено 22 января 2021 г.

[23] Христофилос, Северная Каролина; Хестер, RE; Лэмб, В.А. С.; Рейган, Д.Д.; Шервуд, Вашингтон; Райт, Р.Э. (1 июля 1964 г.). «Сильноточный линейный индукционный ускоритель электронов» . Обзор научных инструментов . 35 (7): 886–890. Бибкод : 1964RScI...35..886C . дои : 10.1063/1.1746846 . ISSN 0034-6748 .

[24] Фраас, Х. (1989). «Физика ядра и элементарных частиц. Г. Мусиол, Дж. Ранфт, Р. Рейф и Д. Зилигер, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1988, DM 128» . Физика в наше время . 20 (1): 31. Бибкод : 1989PhuZ...20...31F . дои : 10.1002/piuz.19890200109 . ISSN 0031-9252 .

[25] Йешке, Эберхард; Хан, Шаукат; Шнайдер, Йохен Р.; Гастингс, Джером Б., ред. (2016). Источники синхротронного света и лазеры на свободных электронах: физика ускорителей, приборостроение и научные приложения . Международное издательство Спрингер. ISBN 978-3-319-14393-4 .

[26] ttps://www.prisma.uni-mainz.de/facilities/mesa-mainz-energy-recovering-superconducting-accelerator/

[27] Раубенхаймер, Т.О. (2000). Линейный коллайдер e+e− с энергией 3 ТэВ на основе технологии CLIC . Женева. ISBN 92-9083-168-5 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[28] «СВЕТ: ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОТОННОЙ ТЕРАПИИ» (PDF) .

[29] Гинзтон, Эл.; Хансен, WW; Кеннеди, WR (1 февраля 1948 г.). «Линейный ускоритель электронов» . Обзор научных инструментов . 19 (2): 89–108. Бибкод : 1948RScI...19...89G . дои : 10.1063/1.1741225 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 18908606 .

[30] Туэйтс, Д.И. и Туохи Дж. (2006). «Назад в будущее: история и развитие клинического линейного ускорителя». Физ. Мед. Биол . 51 (13): Р343–Р36. дои : 10.1088/0031-9155/51/13/R20 . ПМИД 16790912 . S2CID 7672187 .

[31] Гал и Флэгг (2009). Технический обзор радиоизотопного генератора Solution Target . Производство докритического деления Mo99. Проверено 6 января 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]