Циклотрон - Cyclotron

60-дюймовый циклотрон Лоуренса с полюсами магнита 60 дюймов (5 футов, 1,5 метра) в диаметре, на Калифорнийский университет Лаборатория излучения Лоуренса, Беркли, август 1939 года, самый мощный ускоритель в мире в то время. Гленн Т. Сиборг и Эдвин М. Макмиллан (правильно) использовал это, чтобы обнаружить плутоний, нептуний, и многие другие трансурановые элементы и изотопы, за которые они получили 1951 г. Нобелевская премия по химии. Слева расположен огромный магнит циклотрона, а в центре между полюсами расположена плоская ускорительная камера. В луч который проанализировал частицы справа.

Современный циклотрон, используемый для радиационная терапия. Магнит окрашен в желтый цвет.

Ядро первого бельгийского циклотрона, построенного в Хеверли в 1947 году.

37-дюймовый циклотрон в Зале науки Лоуренса, Беркли, Калифорния.

А циклотрон это тип ускоритель частиц изобретен Эрнест О. Лоуренс в 1929–1930 гг. Калифорнийский университет в Беркли,^[1][2] и запатентован в 1932 году.^[3][4] Циклотрон ускоряет заряженные частицы наружу от центра плоской цилиндрической вакуумной камеры по спиральной траектории.^[5][6] Частицы удерживаются на спиральной траектории постоянным магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся (радиочастота ) электрическое поле. Лоуренс был награжден орденом 1939 г. Нобелевская премия по физике для этого изобретения.^[6][7]

Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда их заменили синхротрон, и до сих пор используются для получения пучков частиц в физике и ядерная медицина. Самый большой одномагнитный циклотрон был 4,67 м (184 дюйма) синхроциклотрон построенный между 1940 и 1946 годами Лоуренсом на Калифорнийский университет в Беркли,^[1][6] который мог ускорять протоны до 730 мегаэлектронвольт (МэВ ). Самый большой циклотрон - мультимагнетик длиной 17,1 м (56 футов). ТРИУМФ ускоритель на Университет Британской Колумбии в Ванкувер, Британская Колумбия, который может производить протоны с энергией 500 МэВ.

Более 1200 циклотронов используются в ядерной медицине во всем мире для производства радионуклиды.^[8]

История

венгерский язык Лео Сцилард был первым, кто изобрел и запатентовал линейный ускоритель (1928 г.) и циклотрон в Германии в 1929 г.^[9]Был разработан и запатентован первый американский циклотрон.^[4] Эрнестом Лоуренсом в 1932 г. Калифорнийский университет в Беркли.^[10]Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших Арка Поульсена радиопередатчики, предоставленные Федеральная телеграфная компания.^[11]Аспирант, М. Стэнли Ливингстон, проделал большую часть работы по воплощению идеи в рабочее оборудование.^[12] Лоуренс прочитал статью о концепции дрейфовой трубы. линейный ускоритель Рольф Видероэ,^[13][14] которые также работали в том же направлении с бетатрон концепция. На Радиационная лаборатория из Калифорнийский университет в Беркли Лоуренс сконструировал серию циклотронов, которые в то время были самыми мощными ускорителями в мире; 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 467 см (184 дюйма), 730 МэВ синхроциклотрон (1945). Лоуренс получил 1939 г. Нобелевская премия по физике для этой работы.

Первый европейский циклотрон был построен в г. Ленинград (тогда Советский Союз ) на физическом факультете Радиевый институт, возглавляемый Виталий Хлопин [RU ]. Этот ленинградский прибор впервые был предложен в 1932 г. Георгий Гамов и Лев Мысовский [RU ] и был установлен и вступил в строй к 1937 году.^[15][16][17]В нацистская Германия циклотрон был построен в Гейдельберг под наблюдением Вальтер Боте и Вольфганг Гентнер при поддержке Heereswaffenamt, и вступил в строй в 1943 году.

Принцип действия

Схема, показывающая, как работает циклотрон. Полюсные наконечники магнита показаны меньше, чем на самом деле; они должны быть такой же ширины, как дуги, чтобы создать однородное поле.

Вакуумная камера циклотрона Лоуренса 69 см (27 дюймов) 1932 года со снятой крышкой, на которой видны изображения. Ускоряющий ВЧ-потенциал 13000 В на частоте около 27 МГц подается на диафрагмы двумя линиями питания, видимыми вверху справа. Луч выходит из тела и попадает в цель в камере внизу.

Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года. D-образный электроды заключены в квартиру вакуумная камера, который установлен в узкой щели между двумя полюса большого магнита.

Циклотрон ускоряет пучок заряженных частиц с помощью высокая частота чередование Напряжение который наносится между двумя полыми электродами из листового металла в форме буквы «D», называемыми «деэ», внутри вакуумной камеры.^[18] Деэ 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 электромагнит который применяет статический магнитное поле B перпендикулярно плоскости электродов. Магнитное поле заставляет частицы изгибаться по кругу из-за Сила Лоренца перпендикулярно направлению их движения.

Если бы скорости частиц были постоянными, они бы двигались по круговой траектории внутри деэ под действием магнитного поля. Однако радиочастота (RF) переменное напряжение в несколько тысяч вольт применяется между деками. 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 частицы. циклотронный резонанс частота

${ displaystyle f = { frac {qB} {2 pi m}}}$,

где B это магнитное поле прочность, q это электрический заряд частицы и м это 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 находится в правильном направлении, чтобы ускорить их. Увеличивающаяся скорость частиц из-за этих толчков заставляет их двигаться по кругу большего радиуса с каждым вращением, поэтому частицы движутся по спираль путь наружу от центра к краю дуги. Когда они достигают обода, небольшое напряжение на металлической пластине отклоняет луч, так что он выходит из диафрагм через небольшой промежуток 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, а ядерные реакции из-за столкновений будут образовываться вторичные частицы, которые могут быть направлены за пределы циклотрона в инструменты для анализа.

Циклотрон был первым «циклическим» ускорителем. Преимущество конструкции циклотрона перед существующими электростатические ускорители того времени, как Ускоритель Кокрофта-Уолтона и Генератор Ван де Граафа, заключалось в том, что в этих машинах частицы были ускорены напряжением только один раз, поэтому энергия частиц была равна ускоряющему напряжению 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.

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, т.е. Циклотроны могут разгонять частицы только до скоростей, намного меньших, чем скорость света, нерелятивистский скорости. Для нерелятивистских частиц центростремительная сила ${ Displaystyle F_ {C} ;}$ требуется, чтобы держать их на изогнутом пути,

${ displaystyle F_ {C} = {mv ^ {2} over r} ;}$

где ${ Displaystyle м ;}$ - масса частицы, ${ Displaystyle v ;}$ его скорость, и ${ Displaystyle г ,}$ - радиус пути. Эта сила обеспечивается Сила Лоренца ${ Displaystyle F_ {B} ,}$ магнитного поля ${ Displaystyle B ,}$

${ Displaystyle F_ {B} = qvB ;}$

где ${ displaystyle q ,}$ - заряд частицы. Частицы достигают своей максимальной энергии на периферии дея, где радиус их пути равен ${ Displaystyle г ; = ; R}$ радиус деис. Приравнивая эти две силы

${ displaystyle {mv ^ {2} over R} = qvB ;}$

${ Displaystyle v = {qBR над m} ,}$

Таким образом, выходная энергия частиц равна

Следовательно, предел выходной энергии циклотрона для данного типа частиц - это сила магнитного поля. ${ displaystyle B}$, которая ограничена примерно 2 Тл для ферромагнитный электромагниты, а радиус деформации ${ displaystyle R}$, который определяется диаметром полюсных наконечников магнита. Поэтому для циклотронов были сконструированы очень большие магниты, кульминацией которых стал синхроциклотрон Лоуренса 1946 года с полюсными наконечниками 4,67 м (184 дюйма) (15,3 фута) в диаметре.

Релятивистские соображения

Французский циклотрон, произведенный в г. Цюрих, Швейцария в 1937 году. Вакуумная камера, содержащая деи (слева) был снят с магнита (красный, справа)

В нерелятивистское приближение, циклотронная частота не зависит от скорости частицы или радиуса орбиты частицы. Когда 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 скорость света циклотронная частота убывает пропорционально Фактор Лоренца. Здесь приводится строгое доказательство этого факта (исходя из второго закона Ньютона): Релятивистская_механика # Сила. Следовательно, ускорение релятивистских частиц требует либо изменения частоты во время ускорения, что приводит к синхроциклотрон, или изменение магнитного поля во время ускорения, что приводит к изохронный циклотрон. Релятивистскую массу можно переписать как

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

где

${ displaystyle m_ {0}}$ это частица масса покоя,

${ displaystyle beta = { frac {v} {c}}}$ - относительная скорость, а

${ displaystyle gamma = { frac {1} { sqrt {1- beta ^ {2}}}} = { frac {1} { sqrt {1- left ({ frac {v} { c}} right) ^ {2}}}}}$ это Фактор Лоренца.

Релятивистскую циклотронную частоту и угловую частоту можно переписать как

${ displaystyle f = { frac {qB} {2 pi gamma m_ {0}}} = { frac {f_ {0}} { gamma}} = {f_ {0}} { sqrt {1 - beta ^ {2}}} = {f_ {0}} { sqrt {1- left ({ frac {v} {c}} right) ^ {2}}}}$, и

${ displaystyle omega = {2 pi f} = { frac {qB} { gamma m_ {0}}} = { frac { omega _ {0}} { gamma}} = { omega _ {0}} { sqrt {1- beta ^ {2}}} = { omega _ {0}} { sqrt {1- left ({ frac {v} {c}} right) ^ {2}}}}$,

где

${ displaystyle f_ {0}}$ будет циклотронной частотой в классическом приближении,

${ displaystyle omega _ {0}}$ будет циклотронной угловой частотой в классическом приближении.

В гирорадиус для частицы, движущейся в постоянном магнитном поле, тогда определяется выражением

${ displaystyle r = { frac {v} { omega}} = { frac { beta c} { omega}} = { frac { gamma beta m_ {0} c} {qB}}}$,

потому что

${ Displaystyle омега г = v = бета с}$

где v будет (линейной) скоростью.

Синхроциклотрон

Синхроциклотрон - это циклотрон, в котором частота возбуждающего РЧ электрического поля изменяется для компенсации релятивистских эффектов, когда скорость частиц начинает приближаться к скорости света. В этом отличие от классического циклотрона, где частота поддерживалась постоянной, что приводило к тому, что рабочая частота синхроциклотрона была

${ displaystyle f = { frac {f_ {0}} { gamma}} = {f_ {0}} { sqrt {1- beta ^ {2}}}}$,

где ${ displaystyle f_ {0}}$ - классическая циклотронная частота и ${ displaystyle beta = { frac {v} {c}}}$ снова относительная скорость пучка частиц. Масса покоя электрона 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% поправочная энергия составляет около 9 МэВ, что достаточно, чтобы вызвать ядерные реакции.

Изохронный циклотрон

Альтернативой синхроциклотрону является изохронный циклотрон, магнитное поле которого увеличивается с радиусом, а не со временем. Изохронные циклотроны способны производить намного больший ток пучка, чем синхроциклотроны, но требуют азимутальных изменений напряженности поля для обеспечения сильная фокусировка эффект и удерживание частиц на их спиральной траектории. По этой причине изохронный циклотрон также называют «циклотроном с переменным азимутальным полем».^[19] Такое решение для фокусировки пучка частиц было предложено Л. Х. Томас в 1938 г.^[19]Вспоминая о релятивистском гирорадиус ${ displaystyle r = { frac { gamma m_ {0} v} {qB}}}$ а релятивистская циклотронная частота ${ displaystyle f = { frac {f_ {0}} { gamma}}}$, можно выбрать ${ displaystyle B}$ быть пропорциональным фактору Лоренца, ${ displaystyle B = gamma B_ {0}}$. Это приводит к соотношению${ displaystyle r = { frac {m_ {0} v} {qB_ {0}}}}$ что опять же зависит только от скорости ${ displaystyle v}$, как и в нерелятивистском случае. Кроме того, в этом случае циклотронная частота постоянна.

Эффект поперечной расфокусировки этого радиального градиента поля компенсируется выступами на гранях магнита, которые также изменяют поле азимутально. Это позволяет частицам непрерывно ускоряться в любой период радиочастота (RF), а не импульсами, как в большинстве других типов ускорителей. Этот принцип, согласно которому градиенты переменного поля имеют чистый фокусирующий эффект, называется сильная фокусировка. Теоретически это было малоизвестно задолго до того, как оно стало применяться на практике.^[20] Примеров изохронных циклотронов предостаточно; фактически почти все современные циклотроны используют поля, изменяющиеся по азимуту. В ТРИУМФ Упомянутый ниже циклотрон является самым большим с радиусом внешней орбиты 7,9 метра, выделяя протоны с энергией до 510 МэВ, что составляет 3/4 скорости света. В PSI циклотрон достигает более высокой энергии, но меньше из-за использования более высокого магнитного поля.

Применение

В течение нескольких десятилетий циклотроны были лучшим источником высокоэнергетических пучков для ядерная физика эксперименты; 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 целевого материала может дать представление о ядерная трансмутация элементов, используемых в мишени.

Циклотроны могут использоваться в терапия частицами лечить рак. Можно использовать ионные пучки от циклотронов, как в протонная терапия, чтобы проникнуть в организм и убить опухоли путем радиационное повреждение, сводя к минимуму повреждение здоровых тканей на своем пути. лучи циклотрона могут использоваться для бомбардировки других атомов для получения короткоживущих позитрон -излучающие изотопы, подходящие для ПЭТ-визуализация Совсем недавно некоторые циклотроны, которые в настоящее время установлены в больницах для производства радиоизотопов, были модернизированы, чтобы они могли производить технеций-99m.^[21] Технеций-99m - диагностический изотоп, дефицитный из-за трудностей на канадских предприятиях. Chalk River объект.

Преимущества и ограничения

60-дюймовый циклотрон Лоуренса, около 1939 г., демонстрирует пучок ускоренных ионы (скорее всего протоны или дейтроны ) на выходе из машины и ионизации окружающего воздуха, вызывающей синее свечение.

Циклотрон был улучшением по сравнению с линейные ускорители (линейный ускорительs), которые были доступны на момент изобретения, будучи более экономичными и компактными из-за многократного взаимодействия частиц с ускоряющим полем. В 1920-х годах было невозможно генерировать мощные высокочастотные радиоволны, которые используются в современных линейных ускорителях (генерируемые клистроны ). Таким образом, для частиц с более высокой энергией 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.

М. Стэнли Ливингстон и Эрнест О. Лоуренс (правильно) перед 69-сантиметровым циклотроном Лоуренса в Радиационной лаборатории Лоуренса. Изогнутый металлический каркас - это сердечник магнита, большие цилиндрические коробки содержат катушки с проволокой, которые создают магнитное поле. Вакуумная камера, содержащая электроды типа «ди», находится в центре между полюсами магнита.

В спираль траектория циклотронного луча может "синхронизироваться" с источниками напряжения клистронного типа (постоянной частоты) только в том случае, если ускоренные частицы приблизительно подчиняются Законы движения Ньютона. Если частицы станут достаточно быстрыми, релятивистский эффекты становятся 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 от скорости света. Чтобы приспособиться к увеличенной массе, магнитное поле может быть изменено путем соответствующей формы полюсных наконечников, как в изохронные циклотроны, работающих в импульсном режиме и изменяя частоту, подаваемую на деи, как в синхроциклотроны, любой из которых ограничен уменьшающейся рентабельностью производства более крупных машин. Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротрон или современный, клистрон -приводной линейные ускорители, оба из которых обладают преимуществом масштабируемости, предлагая больше мощности при улучшенной структуре затрат по мере увеличения размеров машин.

Известные примеры

Один из крупнейших в мире циклотронов находится на RIKEN лаборатория в Японии. Названный SRC или сверхпроводящим кольцевым циклотроном, он имеет шесть отдельных сверхпроводящих секторов и имеет диаметр 19 м и высоту 8 м. Максимальное магнитное поле, созданное для ускорения тяжелых ионов, составляет 3,8.Т, обеспечивающая изгибающую способность 8 Т · 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.^[22]

ТРИУМФ В национальной лаборатории ядерной физики и физики элементарных частиц Канады находится самый большой в мире циклотрон.^[23] Главный магнит диаметром 18 м и массой 4000 т создает поле 0,46 Тл, а магнит 23 МГц 94кВ электрическое поле используется для ускорения пучка 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 состоит в том, что извлечение проще; Многоэнергетические многолучевые лучи можно извлечь, вставив тонкую углеродную пленку с соответствующими радиусами. TRIUMF управляется консорциумом восемнадцати канадских университетов и находится в Университете Британской Колумбии.

Связанные технологии

Спиральное движение электронов в цилиндрической вакуумной камере в поперечном магнитном поле также используется в магнетрон, устройство для получения радиоволн высокой частоты (микроволны ). В синхротрон перемещает частицы по траектории постоянного радиуса, что позволяет изготавливать ее в виде трубы и, таким образом, с гораздо большим радиусом, чем это практично с циклотроном и синхроциклотрон. Больший радиус позволяет использовать множество магнитов, каждый из которых передает угловой момент и, таким образом, позволяет частицам с более высокой скоростью (массой) оставаться в пределах откачиваемой трубы. Напряженность магнитного поля каждого из поворотных магнитов увеличивается по мере того, как частицы набирают энергию, чтобы поддерживать постоянный угол изгиба.

В художественной литературе

В Министерство войны США Известно, что в апреле 1945 года просили отозвать ежедневные комиксы о Супермене из-за того, что Супермена бомбардировали излучением циклотрона.^[24] Однако в 1950 г. Человек Атом против Супермена, Лекс Лютор использует циклотрон, чтобы вызвать землетрясение.

Смотрите также

• Луч
• Тормозное излучение (радиация)
• Циклотронное излучение
• Циклотронный резонанс
• Быстрая нейтронная терапия
• Гиротрон
• Ускоритель частиц
• Сила радиационной реакции
• Шандор Гаал
• Синхротрон

использованная литература

дальнейшее чтение

• Чао, Александр В .; и другие. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). World Scientific. Дои:10.1142/8543. ISBN  978-981-4417-17-4.
• Федер, Т. (2004). «Строительство циклотрона на шнурке». Физика сегодня. 57 (11): 30–31. Bibcode:2004ФТ .... 57к..30Ф. Дои:10.1063/1.1839371. S2CID  109712952.
• Жардин, X. (12 января 2005 г.). "Циклотрон приходит к вам". Проводной. О соседнем циклотроне в Анкоридж, Аляска.
• Ниелл, Ф. М. (2005). «Резонансное картирование и циклотрон». Архивировано из оригинал на 2009-05-05. Получено 2005-05-27. Эксперимент, проведенный Фредом М. Ниллом, III классом старшей школы (1994–95), с которым он выиграл главный приз ISEF.

внешние ссылки

Общее

• Ускорители частиц в Керли

Услуги

• 88-дюймовый циклотрон в Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
• Первый циклотрон в Амстердаме, Нидерланды (1964 г.), на сайте Свободного университета
• Национальная сверхпроводящая циклотронная лаборатория из Университет штата Мичиган - дом связанных циклотронов К500 и К1200; К500, первый сверхпроводящий циклотрон, и К1200, когда-то самый мощный в мире.
• Циклотрон Рутгерса —Учащиеся Университет Рутгерса построил 30-сантиметровый (12 дюймов) циклотрон на 1 МэВ в качестве студенческого проекта, который сейчас используется для студентов старших курсов и для лабораторных занятий.
• RIKEN Nishina Центр науки, основанной на ускорителях - Дом самого мощного циклотрона в мире.