Синхроциклотрон

Синхроциклотрон циклотрона — это особый тип изменяется для компенсации релятивистских эффектов , , запатентованный Эдвином Макмилланом в 1952 году, в котором частота движущего радиочастотного электрического поля когда скорость частиц начинает приближаться к скорости света . В этом отличие от классического циклотрона, где эта частота постоянна. ^[1]

Между синхроциклотроном и классическим циклотроном есть два основных различия. В синхроциклотроне только один электрод (полый D-образный листовой электрод) сохраняет классическую форму, а другой полюс открыт (см. эскиз патента). Более того, частота осциллирующего электрического поля в синхроциклотроне постоянно уменьшается, а не остается постоянной, чтобы поддерживать циклотронный резонанс для релятивистских скоростей. На одну клемму подается периодически изменяющийся электрический потенциал, а на другую клемму подается потенциал земли. Протоны или дейтроны, подлежащие ускорению, заставляют двигаться по кругам увеличивающегося радиуса. Ускорение частиц происходит при их входе или выходе из тела. На внешнем крае пучок ионов можно удалить 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

\omega ={\frac {qB}{m}}

,

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

\omega ={\frac {qB}{m\gamma }}

,

где

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

.

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

Преимущества [ править ]

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

Меньшая разность потенциалов, необходимая в зазоре, имеет следующие применения:

Нет необходимости в узком зазоре между электродами, как в случае обычного циклотрона, поскольку не требуются сильные электрические поля для создания большого ускорения. Таким образом, вместо двух можно использовать только один ди, при этом другой конец источника колебательного напряжения должен быть подключен к земле.
Магнитные полюсные наконечники можно приблизить, что позволяет значительно увеличить плотность магнитного потока.
Частотный ламповый генератор способен работать с гораздо большей эффективностью.

Недостатки [ править ]

Основным недостатком этого устройства является то, что в результате изменения частоты источника колебательного напряжения лишь очень малая часть ионов, покидающих источник, захватывается на фазостабильные орбиты максимального радиуса и энергии, в результате чего что выходной ток луча имеет малый рабочий цикл, а средний ток луча составляет лишь небольшую часть мгновенного тока луча. Таким образом, машина производит ионы высокой энергии, хотя и со сравнительно низкой интенсивностью.

Следующий этап развития концепции циклотрона — изохронный циклотрон — поддерживает постоянную частоту радиочастотного возбуждения и компенсирует релятивистские эффекты за счет увеличения магнитного поля с увеличением радиуса. Изохронные циклотроны способны производить гораздо больший ток пучка, чем синхроциклотроны. В результате изохронные циклотроны стали более популярными в исследовательской области.

История [ править ]

В 1945 году Роберт Листер Торнтон из Эрнеста Лоуренса возглавил радиационной лаборатории строительство 184-дюймового (470 см) циклотрона на 730 МэВ. В 1946 году он руководил преобразованием циклотрона в новую конструкцию, разработанную Макмилланом, который стал первым синхроциклотроном, способным производить дейтроны с энергией 195 МэВ и α-частицы с энергией 390 МэВ .

После того, как первый синхроциклотрон был введен в эксплуатацию, Управление военно-морских исследований (ONR) профинансировало две инициативы по строительству синхроциклотрона. Первое финансирование было получено в 1946 году для Технологического института Карнеги для строительства синхроциклотрона на 435 МэВ под руководством Эдварда Крейца и начала программы исследований в области ядерной физики. Вторая инициатива Чикагского университета заключалась в 1947 году по созданию синхроциклотрона на 450 МэВ под руководством Энрико Ферми .

В 1948 году Рочестерский университет завершил строительство синхроциклотрона на 240 МэВ, а в 1950 году в Колумбийском университете был построен синхроциклотрон на 380 МэВ .

В 1950 году заработал синхроциклотрон на 435 МэВ в Технологическом институте Карнеги, а в 1951 году - синхроциклотрон на 450 МэВ Чикагского университета. ^[2]

Строительство синхроциклотрона на 400 Мэв в Ливерпульском университете было завершено в 1952 г. и к апрелю 1954 г. он вступил в строй. Ливерпульский синхроциклотрон впервые продемонстрировал извлечение пучка частиц из такой машины, устранив необходимость проведения экспериментов внутри синхроциклотрона. ^[3]

На встрече ЮНЕСКО в Париже в декабре 1951 года велась дискуссия о поиске решения по созданию ускорителя средней энергии для будущей Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Синхроциклотрон был предложен как решение, позволяющее преодолеть разрыв до того, как был завершен протонный синхротрон на 28 ГэВ . В 1952 году Корнелис Баккер возглавил группу по проектированию и созданию синхроциклотрона под названием Synchro-Cyclotron (SC) в ЦЕРНе. Проектирование синхроциклотрона длиной окружности 15,7 метра (52 фута) началось в 1953 году. Строительство началось в 1954 году, а в августе 1957 года было достигнуто ускорение протонов 600 МэВ, а экспериментальная программа началась в апреле 1958 года. ^[4]

Текущие события [ править ]

Синхроциклотроны привлекательны для использования в протонной терапии из-за возможности создания компактных систем, использующих сильные магнитные поля. Компании медицинской физики Ion Beam Applications и Mevion Medical Systems разработали сверхпроводящие синхроциклотроны, которые могут удобно разместиться в больницах. ^[5]^[6]

Ссылки [ править ]

^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Патент США 2615129 , Эдвин Макмиллан , « Синхроциклотрон », выдан 21 октября 1952 г.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б «Ускорители, 1945-1960» . Массив современных американских физиков . Проверено 8 августа 2017 г.
^ Леа, Роб (11 мая 2022 г.). «Наследие забытого ливерпульского синхроциклотрона» . Мир физики . Проверено 31 июля 2022 г.
^ Рейес, Сандрин (апрель 2002 г.). "Описание архивов синхро-циклотронного отдела НЦ" . CERN-ARCH-SC-001 — CERN-ARCH-SC-268 . Проверено 8 августа 2017 г.
^ «Proteus©ONE Думайте масштабно, масштабируйте с умом» .
^ Смирнов В.; Ворожцов, С. (сентябрь 2016 г.). «Современные компактные ускорители циклотронного типа для медицинского применения». Физика частиц и ядер . 47 (5): 863–883. дои : 10.1134/S1063779616050051 .

[synchropatent-1] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Патент США 2615129 , Эдвин Макмиллан , « Синхроциклотрон », выдан 21 октября 1952 г.

[aip-2] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б «Ускорители, 1945-1960» . Массив современных американских физиков . Проверено 8 августа 2017 г.

[3] Леа, Роб (11 мая 2022 г.). «Наследие забытого ливерпульского синхроциклотрона» . Мир физики . Проверено 31 июля 2022 г.

[4] Рейес, Сандрин (апрель 2002 г.). "Описание архивов синхро-циклотронного отдела НЦ" . CERN-ARCH-SC-001 — CERN-ARCH-SC-268 . Проверено 8 августа 2017 г.

[5] «Proteus©ONE Думайте масштабно, масштабируйте с умом» .

[6] Смирнов В.; Ворожцов, С. (сентябрь 2016 г.). «Современные компактные ускорители циклотронного типа для медицинского применения». Физика частиц и ядер . 47 (5): 863–883. дои : 10.1134/S1063779616050051 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]