Циклотрон

Чтобы узнать о других значениях, см. Циклотрон (значения) .

60-дюймовый (152 см) циклотрон Лоуренса, ок. 1939 год : луч ускоренных ионов (вероятно, протонов или дейтронов ), выходящий из машины и ионизирующий окружающий воздух, вызывающий голубое свечение.

Циклотрон изобретенный — это тип ускорителя частиц, Эрнестом Лоуренсом в 1929–1930 годах в Калифорнийском университете в Беркли . и запатентован в 1932 году. Циклотрон ускоряет заряженные частицы наружу из центра плоской цилиндрической вакуумной камеры по спиральной траектории. Частицы удерживаются на спиральной траектории статическим магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся электрическим полем . За это изобретение Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 года .

Циклотрон был первым «циклическим» ускорителем. Основными ускорителями до разработки циклотрона были электростатические ускорители , такие как генератор Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа . В этих ускорителях частицы пересекали ускоряющее электрическое поле только один раз. Таким образом, энергия, полученная частицами, была ограничена максимальным электрическим потенциалом , который мог быть достигнут в ускоряющей области. Этот потенциал, в свою очередь, был ограничен электростатическим пробоем до нескольких миллионов вольт. В циклотроне, напротив, частицы сталкиваются с областью ускорения много раз, следуя по спиральной траектории, поэтому выходная энергия может во много раз превышать энергию, полученную за один этап ускорения.

Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда их превзошёл синхротрон . Тем не менее, они по-прежнему широко используются для производства пучков частиц для ядерной медицины и фундаментальных исследований. использовалось около 1500 циклотронов . По состоянию на 2020 год во всем мире для производства радионуклидов для ядерной медицины Кроме того, циклотроны можно использовать для терапии частицами , когда пучки частиц воздействуют непосредственно на пациентов.

История

Оригинальный циклотрон Лоуренса диаметром 4,5 дюйма (11 см).

60-дюймовый (150 см) циклотрон Лоуренса в Радиационной лаборатории Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли, Калифорния, построенный в 1939 году. Магнит находится слева, с вакуумной камерой между его полюсными наконечниками, а линия луча, которая анализировала частицы, - справа.

В 1927 году, будучи студентом Киля, немецкий физик Макс Штеенбек первым сформулировал концепцию циклотрона, но ему не хотелось развивать эту идею дальше. В конце 1928 — начале 1929 года венгерский физик Лео Сцилард подал в Германии патентные заявки на линейный ускоритель , циклотрон и бетатрон . В этих приложениях Сцилард стал первым, кто обсудил условие резонанса (то, что сейчас называется циклотронной частотой) для кругового ускорительного устройства. Однако ни идеи Стенбека, ни патентные заявки Сциларда никогда не были опубликованы и, следовательно, не способствовали развитию циклотрона. Несколько месяцев спустя, в начале лета 1929 года, Эрнест Лоуренс самостоятельно разработал концепцию циклотрона после прочтения статьи Рольфа Видероэ, описывающей ускоритель с дрейфовой трубкой. Он опубликовал статью в журнале Science в 1930 году (первое опубликованное описание концепции циклотрона) после того, как его студент построил грубую модель в апреле того же года. Он запатентовал устройство в 1932 году.

Чтобы сконструировать первое такое устройство, Лоуренс использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших дуговых преобразователей, предоставленных Федеральной телеграфной компанией . Ему помогал аспирант М. Стэнли Ливингстон . Их первый работающий циклотрон вступил в строй в январе 1931 года. Эта машина имела диаметр 4,5 дюйма (11 см) и ускоряла протоны до энергии до 80 кэВ .

В радиационной лаборатории на территории Калифорнийского университета в Беркли (ныне Национальная лаборатория Лоуренса Беркли ) Лоуренс и его сотрудники построили серию циклотронов, которые в то время были самыми мощными ускорителями в мире; машина 27 дюймов (69 см) на 4,8 МэВ (1932 г.), машина 37 дюймов (94 см) на 8 МэВ (1937 г.) и машина 60 дюймов (152 см) на 16 МэВ (1939 г.). Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике 1939 года за изобретение и разработку циклотрона, а также за результаты, полученные с его помощью.

Первый европейский циклотрон был построен в Советском Союзе на физическом факультете В.Г. Хлопина в Ленинграде руководил Виталий Радиевого института имени Этот ленинградский инструмент был впервые предложен в 1932 году Георгием Гамовым и Львом Мысовским и был установлен и вступил в строй к 1937 году.

Два циклотрона были построены в нацистской Германии . Первый был построен в 1937 году в Отто Хана лаборатории в Институте кайзера Вильгельма в Берлине и также использовался Рудольфом Флейшманом . Это был первый циклотрон с умножителем Грейнахера, позволяющий повышать напряжение до 2,8 МВ и ток 3 мА. Второй циклотрон был построен в Гейдельберге под руководством Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера при поддержке Heereswaffenamt и вступил в строй в 1943 году.

К концу 1930-х годов стало ясно, что существует практический предел энергии пучка, которого можно было достичь с помощью традиционной конструкции циклотрона, из-за эффектов специальной теории относительности . Когда частицы достигают релятивистских скоростей, их эффективная масса увеличивается, что приводит к изменению резонансной частоты данного магнитного поля. Чтобы решить эту проблему и достичь более высоких энергий пучка с помощью циклотронов, были приняты два основных подхода: синхроциклотроны (которые поддерживают постоянное магнитное поле, но уменьшают ускоряющую частоту) и изохронные циклотроны (которые поддерживают постоянную ускоряющую частоту, но изменяют магнитное поле). .

Команда Лоуренса построила один из первых синхроциклотронов в 1946 году. Эта машина размером 184 дюйма (4,7 м) в конечном итоге достигла максимальной энергии пучка протонов 350 МэВ. Однако синхроциклотроны страдают от низкой интенсивности луча (< 1 мкА) и должны работать в «импульсном» режиме, что еще больше уменьшает доступный общий луч. Таким образом, по популярности их быстро обогнали изохронные циклотроны.

Первый изохронный циклотрон (кроме засекреченных прототипов) был построен Ф. Хейном и К. Т. Хое в Делфте, Нидерланды, в 1956 году. Ранние изохронные циклотроны были ограничены энергией ~ 50 МэВ на нуклон, но по мере постепенного совершенствования технологий производства и проектирования конструкция циклотронов со «спиральным сектором» позволяла ускорять и контролировать более мощные пучки. Более поздние разработки включали использование более мощных сверхпроводящих магнитов и разделение магнитов на отдельные сектора, а не на один большой магнит.

Принцип работы

Схема циклотрона. Полюсные наконечники магнита показаны меньшими, чем на самом деле; на самом деле они должны быть по крайней мере такой же ширины, как ускоряющие электроды («ди»), чтобы создать однородное поле.

Циклотронный принцип

Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года. Полые D-образные электроды с открытой поверхностью (слева), известные как «Ди», заключены в плоскую вакуумную камеру , установленную в узком зазоре между двумя полюсами большого магнита (справа).

Вакуумная камера циклотрона Лоуренса 69 см (27 дюймов) 1932 года со снятой крышкой, на которой видны Ди. ВЧ-ускоряющий потенциал напряжением 13 000 В на частоте около 27 МГц подается на электроды с помощью двух линий питания, видимых вверху справа. Луч выходит из стволов и поражает цель в камере внизу.

В ускорителе частиц заряженные частицы ускоряются путем приложения электрического поля через зазор. Сила, действующая на частицу, пересекающую этот зазор, определяется законом силы Лоренца :

$$\mathbf {F} =q[\mathbf {E} +(\mathbf {v} \times \mathbf {B} )]$$

где q — заряд частицы, E — электрическое поле , v частицы — скорость , а B — плотность магнитного потока . Невозможно ускорить частицы, используя только статическое магнитное поле, так как магнитная сила всегда действует перпендикулярно направлению движения и, следовательно, может изменить только направление частицы, но не скорость.

На практике величина неизменного электрического поля, которое можно приложить к зазору, ограничена необходимостью избежать электростатического пробоя . Таким образом, современные ускорители частиц используют переменные ( радиочастотные ) электрические поля для ускорения. Поскольку переменное поле через зазор обеспечивает ускорение в прямом направлении только в течение части цикла, частицы в радиочастотных ускорителях движутся группами, а не непрерывным потоком. В линейном ускорителе частиц , чтобы сгусток «видел» прямое напряжение каждый раз, когда он пересекает зазор, зазоры должны располагаться все дальше и дальше друг от друга, чтобы компенсировать возрастающую скорость частицы.

Циклотрон, напротив, использует магнитное поле, чтобы сгибать траектории частиц в спираль, что позволяет использовать один и тот же зазор много раз для ускорения одного сгустка. По мере того, как сгусток движется по спирали наружу, увеличивающееся расстояние между прохождениями промежутка точно уравновешивается увеличением скорости, поэтому сгусток каждый раз достигает промежутка в одной и той же точке радиочастотного цикла.

Частота, с которой частица будет вращаться в перпендикулярном магнитном поле, известна как циклотронная частота и в нерелятивистском случае зависит исключительно от заряда и массы частицы, а также силы магнитного поля:

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

где f — (линейная) частота, q — заряд частицы, B — величина магнитного поля, перпендикулярного плоскости, в которой движется частица, а m — масса частицы. Свойство того, что частота не зависит от скорости частицы, позволяет использовать один фиксированный зазор для ускорения частицы, движущейся по спирали.

Энергия частиц

Каждый раз, когда частица пересекает ускоряющий зазор в циклотроне, электрическое поле, пересекающее зазор, придает ей ускоряющую силу, а общий прирост энергии частицы можно рассчитать, умножив прирост энергии за пересечение на количество раз, когда частица пересекает зазор. зазор.

Однако, учитывая обычно большое количество оборотов, обычно проще оценить энергию, объединив уравнение для частоты кругового движения :

$$f={\frac {v}{2\pi r}}$$

с уравнением циклотронной частоты, чтобы получить:

$$v={\frac {qBr}{m}}$$

Таким образом, кинетическая энергия частиц со скоростью v определяется выражением:

$$E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {q^{2}B^{2}r^{2}}{2m}}$$

где r — радиус, на котором необходимо определить энергию. Таким образом, предел энергии пучка, который может быть произведен данным циклотроном, зависит от максимального радиуса, которого может достичь магнитное поле и ускоряющие структуры, а также от максимальной напряженности магнитного поля, которая может быть достигнута.

К-фактор

В нерелятивистском приближении максимальная кинетическая энергия на атомную массу для данного циклотрона определяется выражением:

$${\frac {T}{A}}={\frac {(eBr_{\max })^{2}}{2m_{a}}}\left({\frac {Q}{A}}\right)^{2}=K\left({\frac {Q}{A}}\right)^{2}$$

где $e$ это элементарный заряд, $B$ это сила магнита, $r_{\max }$ - максимальный радиус балки, $m_{a}$ — атомная единица массы , $Q$ – заряд частиц пучка, а $A$ – атомная масса частиц пучка. Значение К

$$K={\frac {(eBr_{\max })^{2}}{2m_{a}}}$$

известен как «К-фактор» и используется для характеристики максимальной кинетической энергии пучка протонов (указанной в МэВ). Он представляет собой теоретическую максимальную энергию протонов (с Q и A, равными 1), ускоренных в данной машине.

Траектория частицы

Траектория, по которой движется частица в циклотроне, аппроксимированная спиралью Ферма

Хотя траекторию, по которой движется частица в циклотроне, условно называют «спиралью», точнее ее можно описать как серию дуг постоянного радиуса. Скорость частицы и, следовательно, радиус орбиты увеличивается только в ускоряющихся промежутках. Вдали от этих областей частица будет вращаться (в первом приближении) по фиксированному радиусу.

Предполагая равномерный прирост энергии на орбиту (что справедливо только в нерелятивистском случае), средняя орбита может быть аппроксимирована простой спиралью. Если прирост энергии за оборот определяется как , ΔE энергия частицы после n оборотов будет равна: $$E(n)=n\Delta E$$Объединение этого с нерелятивистским уравнением для кинетической энергии частицы в циклотроне дает: $$r(n)={{\sqrt {2m\Delta E}} \over qB}{\sqrt {n}}$$Это уравнение спирали Ферма .

Стабильность и фокусировка

Когда сгусток частиц движется вокруг циклотрона, два эффекта приводят к его рассредоточению. Первый — это просто частицы, инжектируемые из источника ионов, имеющие некоторый начальный разброс положений и скоростей. Это распространение имеет тенденцию со временем усиливаться, заставляя частицы удаляться от центра сгустка. Второй — взаимное отталкивание частиц пучка из-за их электростатических зарядов. Чтобы частицы были сфокусированы на ускорении, необходимо удерживать частицы в плоскости ускорения (в плоскости или «вертикальной»). фокусировки), не позволяя им двигаться внутрь или наружу от правильной орбиты («горизонтальная» фокусировка) и поддержание их синхронизации с циклом ускоряющегося радиочастотного поля (продольная фокусировка).

Поперечная стабильность и фокусировка

Плоский или «вертикальный» фокусировка обычно достигается путем изменения магнитного поля вокруг орбиты, т.е. по азимуту . Таким образом, циклотрон, использующий этот метод фокусировки, называется циклотроном с изменяющимся по азимуту полем (AVF). Изменение напряженности поля обеспечивается за счет формирования секторов стальных полюсов магнита. который может иметь форму, напоминающую спираль, а также иметь большую площадь по направлению к внешнему краю циклотрона для улучшения вертикальной фокусировки пучка частиц. Это решение для фокусировки пучка частиц было предложено Л. Х. Томасом в 1938 году. и почти все современные циклотроны используют поля, изменяющиеся по азимуту.

«Горизонтальный» фокусировка происходит как естественный результат циклотронного движения. Поскольку для одинаковых частиц, движущихся перпендикулярно постоянному магнитному полю, радиус кривизны траектории является лишь функцией их скорости, все частицы с одинаковой скоростью будут двигаться по круговым орбитам одного и того же радиуса, а частица с немного неправильной траекторией будет просто путешествовать в круге со слегка смещенным центром. По отношению к частице с центрированной орбитой такая частица будет совершать горизонтальные колебания относительно центрированной частицы. Это колебание устойчиво для частиц с небольшим отклонением от эталонной энергии.

Продольная устойчивость

Мгновенный уровень синхронизации между частицей и радиочастотным полем выражается разностью фаз между радиочастотным полем и частицей. В режиме первой гармоники (т.е. частицы совершают один оборот за один радиочастотный цикл) это разница между мгновенной фазой радиочастотного поля и мгновенным азимутом частицы. Наибольшее ускорение достигается, когда разность фаз равна 90° ( по модулю 360°). Плохая синхронизация, т. е. разность фаз, далекая от этого значения, приводит к медленному ускорению или даже торможению частицы (за пределами диапазона 0–180°).

Поскольку время, необходимое частице для прохождения орбиты, зависит только от типа частицы, магнитного поля (которое может меняться в зависимости от радиуса) и фактора Лоренца (см. § Релятивистские соображения ), циклотроны не имеют механизма продольной фокусировки, который бы поддерживал синхронизацию частиц. в радиочастотное поле. Разность фаз, которую имела частица в момент инжекции в циклотрон, сохраняется на протяжении всего процесса ускорения, но поверх нее накапливаются ошибки из-за несовершенного согласования частоты ВЧ-поля с частотой циклотрона на заданном радиусе. Неспособность инжектировать частицу с разностью фаз в пределах примерно ±20° от оптимальной может сделать ее ускорение слишком медленным, а пребывание в циклотроне - слишком длительным. Как следствие, на полпути процесса разность фаз выходит за пределы диапазона 0–180°, ускорение переходит в замедление, и частица не может достичь целевой энергии. Таким образом, группировка частиц в правильно синхронизированные сгустки перед их инжекцией в циклотрон значительно повышает эффективность инжекции.

Релятивистские соображения

В нерелятивистском приближении циклотронная частота не зависит от скорости частицы и радиуса орбиты частицы. По мере того как луч движется по спирали наружу, частота вращения остается постоянной, и луч продолжает ускоряться, проходя большее расстояние за тот же период времени. В отличие от этого приближения, по мере приближения частиц к скорости света циклотронная частота уменьшается из-за изменения релятивистской массы . частицы Это изменение пропорционально фактору Лоренца .

Релятивистскую массу можно записать как:

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

где:

• $m_{0}$ частицы – масса покоя ,
• $\beta ={\frac {v}{c}}$ - относительная скорость, а
• $\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}$ является фактором Лоренца .

Подстановка этого в уравнения для циклотронной частоты и угловой частоты дает:

$${\begin{aligned}f&={\frac {qB}{2\pi \gamma m_{0}}}\\[6pt]\omega &={\frac {qB}{\gamma m_{0}}}\end{aligned}}$$

Тогда гирорадиус : частицы, движущейся в статическом магнитном поле, определяется выражением $$r={\frac {\gamma \beta m_{0}c}{qB}}={\frac {\gamma m_{0}v}{qB}}={\frac {m_{0}}{qB{\sqrt {v^{-2}-c^{-2}}}}}$$

Выразив скорость в этом уравнении через частоту и радиус $$v=2\pi fr$$дает связь между напряженностью магнитного поля, частотой и радиусом: $$\left({\frac {1}{2\pi f}}\right)^{2}=\left({\frac {m_{0}}{qB}}\right)^{2}+\left({\frac {r}{c}}\right)^{2}$$

Подходы к релятивистским циклотронам

Характерные свойства циклотронов и других кольцевых ускорителей.

	релятивистский	Ускоряющее поле		Гибка магнитная напряженность поля		Орбита радиус вариация
		Источник	Частота против времени	против времени	против радиуса
Циклотроны
Классический циклотрон	Нет	Электростатический	Постоянный	Постоянный	Постоянный	Большой
изохронный циклотрон	Да	Электростатический	Постоянный	Постоянный	Увеличение	Большой
Синхроциклотрон	Да	Электростатический	Уменьшение	Постоянный	Постоянный	Большой
Другие круговые ускорители
ФФА	Да	Электростатический	ДД	Постоянный	ДД	Маленький
Синхротрон	Да	Электростатический	Увеличение, конечный предел	Увеличение	Н/Д	Никто
Бетатрон	Да	Индукция	Увеличение, конечный предел	Увеличение	Н/Д	Никто

Синхроциклотрон

Основная статья: Синхроциклотрон

С $\gamma$ увеличивается по мере того, как частица достигает релятивистских скоростей, ускорение релятивистских частиц требует модификации циклотрона, чтобы гарантировать, что частица пересекает зазор в одной и той же точке в каждом радиочастотном цикле. Если частота ускоряющего электрического поля меняется, а магнитное поле остается постоянным, это приводит к синхроциклотрону .

В циклотроне этого типа ускоряющая частота изменяется в зависимости от радиуса орбиты частицы так, что:

$$f(r)={\frac {1}{2\pi {\sqrt {\left({\frac {m_{0}}{qB}}\right)^{2}+\left({\frac {r}{c}}\right)^{2}}}}}$$

Уменьшение ускоряющей частоты настроено так, чтобы соответствовать увеличению гамма-излучения в постоянном магнитном поле.

Изохронный циклотрон

В изохронных циклотронах напряженность магнитного поля B в зависимости от радиуса r имеет тот же вид, что и фактор Лоренца γ в зависимости от скорости v .

Если вместо этого магнитное поле изменяется в зависимости от радиуса, а частота ускоряющего поля остается постоянной, это приводит к изохронному циклотрону .

$$B(r)={\frac {m_{0}}{q{\sqrt {\left({\frac {1}{2\pi f}}\right)^{2}-\left({\frac {r}{c}}\right)^{2}}}}}$$

Сохранение постоянной частоты позволяет изохронным циклотронам работать в непрерывном режиме, что делает их способными производить гораздо больший ток пучка, чем синхроциклотроны. С другой стороны, поскольку за точное соответствие орбитальной частоты частоте ускоряющего поля отвечает изменение магнитного поля в зависимости от радиуса, это изменение должно быть точно настроено.

Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем (FFA)

Основная статья: Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем

Подход, который сочетает в себе статические магнитные поля (как в синхроциклотроне) и фокусировку с переменным градиентом (как в синхротроне ), представляет собой ускоритель с переменным градиентом фиксированного поля (FFA). В изохронном циклотроне магнитное поле формируется с помощью точно обработанных стальных магнитных полюсов. Этот вариант обеспечивает эффект фокусировки, когда частицы пересекают края полюсов. В ФФА для фокусировки луча используются отдельные магниты с чередующимися направлениями по принципу сильной фокусировки . Поле фокусирующих и изгибающих магнитов в FFA не меняется со временем, поэтому камера луча должна быть достаточно широкой, чтобы приспособиться к изменяющемуся радиусу луча в поле фокусирующих магнитов по мере ускорения луча.

Классификации

Французский циклотрон, произведенный в Цюрихе , Швейцария, в 1937 году. Вакуумная камера, содержащая дии (слева) , снята с магнита (красный, справа) .

Типы циклотронов

Существует несколько основных типов циклотронов:

Классический циклотрон

Самый ранний и простой циклотрон. Классические циклотроны имеют однородные магнитные поля и постоянную ускоряющую частоту. Они ограничены нерелятивистскими частицы скоростями частиц (выходная энергия мала по сравнению с энергией покоя ) и не имеют активной фокусировки, позволяющей удерживать луч в плоскости ускорения.

Синхроциклотрон

Синхроциклотрон расширил энергию циклотрона до релятивистского режима за счет уменьшения частоты ускоряющего поля по мере увеличения орбиты частиц, чтобы поддерживать ее синхронизацию с частотой вращения частиц. Поскольку для этого требуется импульсный режим работы, интегральный общий ток пучка был низким по сравнению с классическим циклотроном. По энергии пучка это были самые мощные ускорители в 1950-е годы, до разработки синхротрона .

Изохронный циклотрон (изоциклотрон)

Эти циклотроны расширяют выходную энергию в релятивистский режим, изменяя магнитное поле, чтобы компенсировать изменение циклотронной частоты, когда частицы достигают релятивистской скорости. Они используют полюсные наконечники магнитов специальной формы, которые шире вблизи внешнего диаметра циклотрона, чтобы создать неоднородное магнитное поле, более сильное в периферийных областях. Большинство современных циклотронов относятся к этому типу. Полюсным наконечникам также может быть придана такая форма, чтобы луч удерживал частицы в плоскости ускорения, образующей орбиту. Это известно как «секторная фокусировка» или «фокусировка по азимутально изменяющемуся полю» и использует принцип фокусировки с переменным градиентом .

Циклотрон с отдельным сектором

Циклотроны с раздельными секторами — это машины, в которых магнит находится в отдельных секциях, разделенных зазорами без поля. .

Сверхпроводящий циклотрон

«Сверхпроводимость» в контексте циклотрона относится к типу магнита, используемого для сгибания орбит частиц в спираль. Сверхпроводящие магниты могут создавать значительно более сильные поля на той же площади, чем обычные проводящие магниты, что позволяет создавать более компактные и мощные машины. Первым сверхпроводящим циклотроном стал К500 в Университете штата Мичиган , который появился в 1981 году.

Типы балок

Частицы для циклотронных пучков производятся в источниках ионов различного типа.

Протонные пучки

Самый простой тип циклотронного луча, протонные пучки, обычно создаются путем ионизации газообразного водорода.

ЧАС ⁻ балки

Ускорение отрицательных ионов водорода упрощает извлечение луча из установки. На радиусе, соответствующем желаемой энергии пучка, металлическая фольга используется для отрыва электронов от H ⁻ ионы, превращая их в положительно заряженный H ⁺ ионы. Изменение полярности приводит к отклонению луча в противоположном направлении под действием магнитного поля, что позволяет вывести луч из машины.

Пучки тяжелых ионов

Пучки частиц тяжелее водорода называются пучками тяжелых ионов и могут варьироваться от ядер дейтерия (один протон и один нейтрон) до ядер урана. Увеличение энергии, необходимой для ускорения более тяжелых частиц, уравновешивается отрывом большего количества электронов от атома, что увеличивает электрический заряд частиц, тем самым увеличивая эффективность ускорения.

Типы целей

Чтобы использовать циклотронный луч, его необходимо направить на цель.

Внутренние цели

Самый простой способ поразить цель циклотронным лучом — поместить ее прямо на путь луча в циклотроне. Внутренние мишени имеют тот недостаток, что они должны быть достаточно компактными, чтобы поместиться в камере циклотронного пучка, что делает их непрактичными для многих медицинских и исследовательских целей.

Внешние цели

Хотя извлечение луча из циклотрона для воздействия на внешнюю цель сложнее, чем использование внутренней мишени, это позволяет лучше контролировать размещение и фокус луча, а также гораздо большую гибкость в выборе типов целей, к которым может быть направлен луч. быть направленным.

Использование

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

Фундаментальные исследования

В течение нескольких десятилетий циклотроны были лучшим источником пучков высоких энергий для по ядерной физике экспериментов . С появлением синхротронов с сильной фокусировкой циклотроны были вытеснены как ускорители, способные генерировать самые высокие энергии. Однако из-за своей компактности и, следовательно, более низкой стоимости по сравнению с синхротронами высокой энергии, циклотроны по-прежнему используются для создания пучков для исследований, где основной задачей не является достижение максимально возможной энергии. Эксперименты по ядерной физике на основе циклотрона используются для измерения основных свойств изотопов (особенно короткоживущих радиоактивных изотопов), включая период полураспада, массу, сечения взаимодействия и схемы распада.

Медицинское использование

Производство радиоизотопов

Циклотронные лучи можно использовать для бомбардировки других атомов с целью производства короткоживущих изотопов для различных медицинских целей, включая медицинскую визуализацию и лучевую терапию . Позитронные и гамма- излучающие изотопы, такие как фтор-18 , углерод-11 и технеций-99m. используются для ПЭТ и ОФЭКТ . Хотя радиоизотопы, полученные на циклотроне, широко используются в диагностических целях, их терапевтическое применение все еще находится в стадии разработки. Предлагаемые изотопы включают , среди прочего, астат -211, палладий -103, рений -186 и бром -77.

Лучевая терапия

Первое предположение о том, что энергичные протоны могут быть эффективным методом лечения, было сделано Робертом Р. Уилсоном в статье, опубликованной в 1946 году. в то время как он участвовал в проектировании Гарвардской циклотронной лаборатории .

Лучи циклотронов можно использовать в терапии частиц для лечения рака . Ионные пучки циклотронов можно использовать, как и в протонной терапии , для проникновения в организм и уничтожения опухолей за счет радиационного повреждения , минимизируя при этом повреждение здоровых тканей на своем пути.

По состоянию на 2020 год в мире насчитывалось около 80 учреждений лучевой терапии с использованием пучков протонов и тяжелых ионов, состоящих из циклотронов и синхротронов. Циклотроны в основном используются для протонных пучков, а синхротроны — для производства более тяжелых ионов.

Преимущества и ограничения

М. Стэнли Ливингстон и Эрнест О. Лоуренс (справа) перед циклотроном Лоуренса диаметром 69 см (27 дюймов) в Радиационной лаборатории Лоуренса. Изогнутый металлический каркас представляет собой сердечник магнита, а в больших цилиндрических коробках находятся катушки с проволокой, генерирующие магнитное поле. Вакуумная камера, содержащая электроды «Ди», находится в центре между полюсами магнита.

Наиболее очевидным преимуществом циклотрона перед линейным ускорителем является то, что, поскольку один и тот же ускоряющий зазор используется много раз, он более экономичен в пространстве и более экономичен; частицы можно довести до более высоких энергий в меньшем пространстве и с меньшим количеством оборудования. Компактность циклотрона снижает и другие затраты, такие как фундамент, радиационная защита и ограждающее здание. Циклотроны имеют один электрический привод, что позволяет экономить как оборудование, так и затраты на электроэнергию. Кроме того, циклотроны способны создавать непрерывный пучок частиц на мишени, поэтому средняя мощность, передаваемая из пучка частиц в мишень, относительно высока по сравнению с импульсным пучком синхротрона.

Однако, как обсуждалось выше, метод ускорения с постоянной частотой возможен только тогда, когда ускоренные частицы приблизительно подчиняются законам движения Ньютона . Если частицы становятся достаточно быстрыми, чтобы релятивистские эффекты стали важными, луч становится не в фазе с колеблющимся электрическим полем и не может получить никакого дополнительного ускорения. Таким образом, классический циклотрон (постоянное поле и частота) способен ускорять частицы только до нескольких процентов скорости света. Синхро-, изохронные и другие типы циклотронов могут преодолеть это ограничение за счет увеличения сложности и стоимости.

Дополнительное ограничение циклотронов связано с эффектом пространственного заряда – взаимным отталкиванием частиц в пучке. По мере увеличения количества частиц (тока пучка) в циклотронном пучке эффекты электростатического отталкивания усиливаются, пока не нарушают орбиты соседних частиц. Это накладывает функциональный предел на интенсивность луча или количество частиц, которые можно ускорить одновременно, в отличие от их энергии.

Яркие примеры

Имя	Страна	Дата	Энергия	Луч	Диаметр	В использовании?	Комментарии	Ссылка
4,5-дюймовый циклотрон Лоуренса	Соединенные Штаты	1931	80 кэВ	Протоны	4,5 дюйма (0,11 м)	Нет	Первый работающий циклотрон
184-дюймовый циклотрон Лоуренса	Соединенные Штаты	1946	380 МэВ	Альфа-частицы , дейтерий , протоны	184 дюйма (4,7 м)	Нет	Первый синхроциклотрон и крупнейший из когда-либо построенных циклотронов с одним магнитом.
Технического университета Делфта Изохронный циклотрон	Нидерланды	1958	12 МэВ	Протоны	0,36 м	Нет	Первый изохронный циклотрон
Национальной лаборатории Лоуренса Беркли 88-дюймовый циклотрон	Соединенные Штаты	1961	60 МэВ	Протоны, альфа-частицы, нейтроны, тяжелые ионы	88 дюймов (2,2 м)	Да	Самый старый из существующих больших циклотронов непрерывного действия.
PSI Кольцевой циклотрон	Швейцария	1974	590 МэВ	Протоны	15 м	Да	Самая высокая мощность луча среди всех циклотронов
ТРИУМФ 520 МэВ	Канада	1976	520 МэВ	ЧАС −	56 футов (17 м)	Да	Самый большой циклотрон нормальной проводимости из когда-либо построенных
Мичиганский государственный университет K500	Соединенные Штаты	1982	500 МэВ/ед.	Тяжелый ион	52 дюйма (1,3 м)	Да	Первый сверхпроводящий циклотрон
RIKEN Сверхпроводящий кольцевой циклотрон	Япония	2006	400 МэВ/ед.	Тяжелый ион	18,4 м	Да	Значение K 2600 является самым высоким из когда-либо достигнутых

Связанные технологии

Спираль электронов в цилиндрической вакуумной камере в поперечном магнитном поле также используется в магнетроне — устройстве для получения высокочастотных радиоволн ( микроволн ). В магнетроне электроны изгибаются по круговой траектории под действием магнитного поля, и их движение используется для возбуждения резонансных полостей , производящих электромагнитное излучение.

Бетатрон . использует изменение магнитного поля для ускорения электронов по круговой траектории Хотя статические магнитные поля не могут обеспечить ускорение, поскольку сила всегда действует перпендикулярно направлению движения частицы, изменяющиеся поля можно использовать для создания электродвижущей силы таким же образом, как и в трансформаторе . Бетатрон был разработан в 1940 году. хотя идея была предложена существенно раньше.

Синхротрон — это еще один тип ускорителя частиц, который использует магниты для изгибания частиц по круговой траектории. В отличие от циклотрона, траектория частицы в синхротроне имеет фиксированный радиус. Частицы в синхротроне проходят через ускоряющие станции с возрастающей частотой по мере их ускорения. Чтобы компенсировать это увеличение частоты, необходимо одновременно увеличивать частоту приложенного ускоряющего электрического поля и магнитного поля, что приводит к «синхронной» части названия.

В художественной литературе

как Военное министерство Соединенных Штатов, известно, попросило удалить ежедневные комиксы о Супермене в апреле 1945 года из-за бомбардировки Супермена радиацией циклотрона.

В фильме 1984 года «Охотники за привидениями » миниатюрный циклотрон является частью протонного пакета, используемого для ловли призраков.

См. также

• Циклотронное излучение - излучение нерелятивистских заряженных частиц, искривленных магнитным полем.
• Терапия быстрыми нейтронами - тип лучевой терапии, в которой могут использоваться пучки, производимые ускорителем.
• Микротрон - концепция ускорителя, аналогичная циклотрону, в которой используется ускоряющая структура линейного ускорительного типа с постоянным магнитным полем.
• Сила радиационной реакции – тормозная сила на балках, изгибающихся в магнитном поле.

Дальнейшее чтение

• Федер, Т. (2004). «Создание циклотрона с минимальными затратами» . Физика сегодня . 57 (11): 30–31. Бибкод : 2004PhT....57k..30F . дои : 10.1063/1.1839371 . S2CID   109712952 .
• Жарден, X. (12 января 2005 г.). «Циклотрон приходит в «Капюшон» . Проводной . О соседнем циклотроне в Анкоридже, Аляска .
• Нилл, FM (2005). «Резонансное картирование и циклотрон» . Архивировано из оригинала 5 мая 2009 г. Проверено 27 мая 2005 г. Эксперимент, проведенный Фредом М. Ниеллом, учащимся в третьем классе средней школы (1994–95), с помощью которого он выиграл главный приз ISEF .

Внешние ссылки

Текущие возможности

• 88-дюймовый циклотрон в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли
• PSI Proton Accelerator – циклотрон с самым высоким током пучка в мире.
• Сверхпроводящий кольцевой циклотрон в Центре ускорительных наук РИКЕН Нишина - циклотрон с самой высокой энергией в мире.
• Циклотрон Рутгерса . Студенты Университета Рутгерса построили циклотрон диаметром 30 см (12 дюймов) и энергией 1 МэВ в рамках проекта бакалавриата, который теперь используется для студентов старших курсов и лабораторных курсов для аспирантов.
• ТРИУМФ – самый большой одномагнитный циклотрон в мире.

Исторические циклотроны

• Циклотрон Эрнеста Лоуренса. История развития циклотрона в Радиационной лаборатории Беркли, ныне Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
• Национальная лаборатория сверхпроводящих циклотронов Мичиганского государственного университета - дом связанных сверхпроводящих циклотронов K500 и K1200; К500, первый сверхпроводящий циклотрон, и К1200, ранее самый мощный в мире.