Как работает циклотрон: Краткая история ускорителей

Краткая история ускорителей

Принцип работы всех ускорителей прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.

Первые эксперименты

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Циклотроны

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Синхрофазотроны

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O’Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц. В первом случае это примерно , а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

Далее: Как работает ускоритель

: Технологии и медиа :: РБК

Циклотрон

(Фото: Полина Погребицкая / urfu.ru)

Глава российской компании «Роснано» Анатолий Чубайс прокомментировал информацию о том, что он отказался от контроля за созданием циклотронного комплекса на Урале. Об этом он написал в Facebook.

«С некоторым изумлением читаю заголовок в РБК «Чубайс отказался от контроля за созданием циклотрона на Урале». До сих пор мне казалось, что невозможно отказаться о того, чем ты заниматься в принципе не можешь», — написал Чубайс. Ранее материал с таким заголовком опубликовал «РБК-Екатеринбург», однако позже заголовок был изменен: «Чубайс не следит за созданием циклотрона на Урале».

«РБК-Екатеринбург» писал, что Чубайс перестал следить за созданием циклотронного комплекса на Урале после выхода «Роснано» из федеральной сети центров ядерной медицины «ПЭТ-Технолоджи». В публикации отмечалось, что «Роснано», УрФУ и правительство Свердловской области подписали соглашение о производстве изотопов в 2016 году. Первые изотопы должны были выпустить в 2017 году, но сроки неоднократно сдвигались.Чубайс в разговоре с изданием указал, что сейчас работает томограф на радиофармпрепаратах, поставляемых с построенного циклотрона. «Насколько я знаю, идет сейчас строительство нового циклотрона. Этот проект реализуется уже без участия «Роснано», поэтому мне трудно оценивать сдвиги по срокам», — приводит «РБК-Екатеринбург» слова Чубайса.

Как объяснил Чубайс в Facebook, согласно договору, подписанному «Роснано» и УрФУ, циклотрон должен был быть введен в эксплуатацию до конца 2017 года, однако сроки сдвинулись. «В 2018 году мы успешно вышли из проекта и, естественно, потеряли все права на участие и контроль», — заключил он. Именно этот факт, по словам Чубайса, противоречит утверждению «РБК-Екатеринбург» о том, что он «отказался от контроля за созданием циклотрона».

АО «НИИЭФА» отгрузило циклотрон СС-30/15, изготовленный для Института ядерных исследований (Таиланд)

C 15 по 17 июля 2020 года на площадке АО «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» (Санкт-Петербург) прошла отгрузка оборудования, входящего в состав изохронного циклотрона СС-30/15. Девять контейнеров общим весом груза 120 тонн отправились в провинцию Накхоннайок, где АО «Русатом Хэлскеа» и компания Kinetics Corporation Ltd ведут строительство циклотронно-радиохимического комплекса по заказу Института ядерных исследований Королевства Таиланд.

Циклотрон СС-30/15 с энергией протонов до 30 МэВ – ключевая часть комплекса, предназначенного для развития ядерной медицины и проведения научных исследований. Отгрузка была произведена после успешного завершения приёмосдаточных испытаний и подтверждения всех требуемых характеристик.

Для справки:

Многоцелевой компактный изохронный циклотрон СС-30/15 производства АО «НИИЭФА» будет применяться для ускорения ионов водорода и дейтерия (протонов и дейтронов) с регулированием конечной энергии в диапазонах до 30 и 15 мегаэлектронвольт соответственно. Радиофармпрепараты, которые можно будет синтезировать в радиохимической лаборатории циклотронно-радиохимического комплекса, предоставят возможность проводить высокоэффективную диагностику и терапию широкого спектра заболеваний, преимущественно в области онкологии и кардиологии. Кроме того, комплекс общей площадью более 6000 кв. м даст возможность проводить научно-исследовательские работы с целью создания новых радионуклидов, применяемых в медицине, изучать изменения свойств материалов (в частности, полупроводников) под воздействием пучков протонов, дейтронов и нейтронов, радиационную коррозию материалов, радиационную стойкость радиоэлектронной аппаратуры и структуру нейтронно-избыточных ядер, а также проводить нейтронно-активационный анализ.

Акционерное общество «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» (АО «НИИЭФА») – предприятие Госкорпорации «Росатом», ведущий научный, проектно-конструкторский и производственный центр России по созданию электрофизических установок и комплексов для решения научных и прикладных задач в области физики плазмы, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, здравоохранения, радиационных и энергетических технологий, интроскопии. Созданные в институте установки успешно эксплуатируются во многих научных организациях и на промышленных предприятиях России, стран СНГ, Болгарии, Венгрии, Германии, Египта, Индии, Китая, Кубы, США, Финляндии, Франции, Японии, КНДР и Республики Корея.

АО «Русатом Хэлскеа» (Rusatom Healthcare) входит в структуру Госкорпорации «Росатом», осуществляет деятельность в области развития и производства оборудования и радионуклидной продукции для нужд ядерной и радиологической медицины, а также производства промышленного оборудования и решений по стерилизации и обработке различной продукции с помощью ионизирующего излучения на базе электронно- и гамма-лучевых установок. www.rusatomhc.ru

Система протонной терапии ProBeam

Cверхпроводящий циклотрон ProBeam имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным циклотроном:

  • Компактная конструкция, меньший вес.
  • Высокая эффективность создания пучка ускоренных частиц и соответственно — высокая мощность дозы излучения.
  • Максимальная автоматизация процесса лечения.
  • Меньшее потребление энергии

Сверхпроводящий циклотрон ProBeam

Конструктивной особенностью системы ProBeam® компании Varian является использование изохронного циклотрона с суперпроводящими электромагнитами (так называемого суперпроводящего циклотрона). Его энергетические возможности позволяют осуществлять доставку доз радиации к опухолям, залегающим на глубине 4-30 см, обеспечивая широчайший энергетический диапазон для лечения — без использования переключателей диапазона действия.

Дополнительные особенности циклотрона ProBeam таковы:

  • Нет необходимости в фазе прогрева, так как циклотрон работает постоянно в режиме максимальной эффективности.
  • Пучок заряженных частиц производится непрерывно.
  • Интенсивность пучка регулируется.
  • Низкая цилиндрическая конструкция с автоматической системой подъема верхнего полюса повышает удобство обслуживания.
  • Компактный внутренний источник ионизации снижает стоимость оборудования.
  • Компактная занимаемая площадь снижает стоимость монтажа конструкции.
  • Отсутствие необходимости в электромагнитах высокой энергоемкости, установка которых требует обеспечить отвод тепла.
  • Гарантированная эффективность работы.

Функциональность суперпроводящего циклотона

Суперпроводящие электромагниты изохронного циклотрона обеспечивают высокую эффективность производства пучка заряженных частиц, низкое энергопотребление, отличную надежность и сниженные эксплуатационные расходы. В отличие от других установок, изохронный ускоритель компании Varian действует очень предсказуемым образом. Процессы максимально автоматизированы, нет необходимости в настройке циклотрона оператором.

Изохронный циклотрон выполняет лечение протонной терапией с модулированной интенсивностью

Изохронный циклотрон компании Varian имеет компактные размеры и высокую термальную стабильность. Он стал первым доступным на рынке изохронным циклотроном с суперпроводящими электромагнитами для использования в медицинским целях и применяется уже с 2007 года. Непрерывный и стабильный пучок протонов способен выполнять лечение протонной терапией с модулированной интенсивностью за более короткое время и с более конформной дозой, чем при доставке пассивным рассеиванием (хотя пассивное рассеивание сегодня используется в большинстве центров протонной терапии).

Тип доставки протонов: сканирование карандашным пучком или пассивное рассеивание

Выбор типа доставки дозы является важным моментом для лечения болезни. Пассивное рассеивание — это протонная терапия предыдущего поколения, методика,
используемая большинством давно работающих центров. На сегодняшний день сканирование карандашным пучком является более точным видом протонной терапии, и
его выбирают большинство новых протонных центров.

Почему технология Сканирования карандашным пучком является лучшей ?

Пассивное рассеивание

При пассивном рассеивании протонный пучок формируется в соответствии с очертаниями опухоли посредством установки рассеивающего материала на его пути. Необходимо учитывать следующие особенности метода пассивного рассеивания:

  • Для доставки конформной дозы в мишень эта технология использует устройства формирования луча, которые изготавливаются либо самим центром, либо закупаются у поставщиков.
  • Пациентам необходимо дожидаться изготовления таких устройств.
  • Устройства формирования луча в процессе лечения становятся радиоактивными и должны храниться месяцами после использования (для чего центру требуется специально отведенное место).
  • Когда рассеянный пучок протонов контактирует с рассеивающим материалом или устройством формирования луча, он создает нейтроны – вторичную радиацию.
  • Вторичная радиация облучает здоровую ткань, расположенную вблизи мишени.
  • Когда протоны сталкиваются с рассеивающим материалом и устройствами формирования луча, они теряют энергию или сужают диапазон действия облучения, необходимый для лечения пациента.
  • При пассивном рассеивании сложнее добиться доставки оптимальной дозы в очаг.
  • Хотя пассивное рассеивание может быть предпочтительнее традиционной радиотерапии, оно не обеспечивает максимальный эффект воздействия, который дает протонная терапия с модулированной интенсивностью. Наибольший эффект от облучения протонами дает только сканирование карандашным пучком.

Сканирование карандашным пучком

Сканирование карандашным пучком (pencil beam scanning, PBS) или остронаправленным лучом – передовой способ в использовании протонов для лечения рака, применяемый пока в немногих протонных центрах мира.
Команда Центра протонной терапии МИБС освоила технологию PBS.

Технология «карандашного» сканирования базируется на сложных системах планирования лечения и множественных магнитах, которые направляют узкий протонный луч, по сути, «нанося» дозу радиации слой за слоем. Остронаправленный пучок протонов перемещается вдоль вертикальной и горизонтальной осей, подобно кончику карандаша «заштриховывая» всю опухоль. В процессе движения луча его интенсивность модулируется. Радиация максимально допустимой интенсивности подается точно в раковые клетки, не задевая нормальные ткани.

Сканирование карандашным пучком очень эффективно при лечении самых сложных онкопатологий, таких как опухоли простаты, мозга, глаза, рака у детей. Протонная терапия с модулированной интенсивностью наиболее подходит для доставки мощной и точной дозы протонов к сложным или имеющим вогнутую форму опухолям, которые могут находиться вблизи позвоночника или внутри головы, шеи или у основания черепа.

Сканирование карандашным пучком против пассивного рассеивания
















Сравниваемые параметры технологии

Сканирование карандашным пучком

Пассивное рассеивание

Предоставляет наиболее эффективную протонную терапию с модулированной интенсивностью

Да

Нет

Для каждой процедуры необходимы специальные компенсаторы и коллиматоры, которые изготавливаются под конкретного пациента

Нет

Да

  • Эти устройства могут требовать большего времени для подготовки к проведению каждой процедуры

Нет

Да

  • Эти устройства могут увеличивать общую стоимость лечения

Нет

Да

  • Протонным центрам могут понадобиться специальные места для хранения этих радиоактивных компонентов

Нет

Да

При столкновении протонов с устройствами формирования луча образуется вторичная радиация

Только при использовании переключателей диапазона пробега частиц

Гораздо более сильная вторичная радиация, так как устройства используются для всех процедур

Контроль над потерей энергии

Контролируемая потеря энергии при использовании переключателей диапазона пробега частиц

Неконтролируемая потеря энергии из-за использования устройств формирования луча

Длительность процедур

Длительность процедуры с включенным лучом может занимать всего пару минут

Само включение луча занимает только пару минут, но требуется больше времени на подготовку каждой процедуры из-за компенсаторов и коллиматоров

Размер лечебного поля

Более широкое поле, чем при рассеивании

Меньший размер поля, чем при сканировании карандашным пучком

Точность в доставке дозы

Доза доставляется прямо к опухоли с меньшим воздействием на окружающие ткани. Это особенно важно при лечении детей или когда опухоль расположена близко к критически важной структуре

Доза доставляется к опухоли с более ощутимым воздействием на окружающую ткань

Проникновение сканирования

Более точное сканирование, что помогает лечить глубоко расположенные и/или сложные опухоли

Менее точное сканирование

Год внедрения технологии для лечения пациентов

2007

1980-е

Оборудование выбрано большинством центров за последние 3 года

Да

Нет

Циклотрон — Cyclotron — qaz.wiki

Тип ускорителя частиц

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

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

Циклотронного представляет собой тип ускорителя частиц изобретена Эрнест О. Лоуренс в 1929-1930 в Университете Калифорнии, Беркли , и запатентован в 1932 году циклотрона ускоряет заряженные частицы наружу от центра плоской цилиндрической вакуумной камеры по спиральной траектории . Частицы удерживаются на спиральной траектории статическим магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся ( радиочастотным ) электрическим полем. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 года за это изобретение.

Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда они были вытеснены синхротроном и до сих пор используются для получения пучков частиц в физике и ядерной медицине . Самым крупным циклотроном с одним магнитом был синхроциклотрон длиной 4,67 м (184 дюйма ), построенный между 1940 и 1946 годами Лоуренсом в Калифорнийском университете в Беркли , который мог ускорять протоны до 730 мегаэлектронвольт ( МэВ ). Самый большой циклотрон — это многомагнитный ускоритель TRIUMF на 17,1 м (56 футов) в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, Британская Колумбия , который может производить протоны с энергией 520 МэВ.

Около 1500 циклотронов используются в ядерной медицине во всем мире для производства радионуклидов .

История

В 1828 году венгерский физик Лео Сцилард изобрел и запатентовал линейный ускоритель. В январе 1929 года Сцилард стал первым, кто обсудил условие резонанса (то, что сейчас называется циклотронной частотой) для устройства кругового ускорения в заявке на патент в Германии. Он также изобрел и запатентовал первый циклотрон и бетатрон . Пару месяцев спустя, в начале лета 1929 года, Эрнесту Лоуренсу пришла в голову идея циклотрона, когда он прочитал статью Рольфа Видеро, описывающую линейный ускоритель с дрейфовой трубкой . Он опубликовал статью в журнале Science в 1930 году и запатентовал устройство в 1932 году. Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших дуговых радиопередатчиков Поульсена, предоставленных Федеральной телеграфной компанией . Аспирант М. Стэнли Ливингстон проделал большую часть работы по воплощению идеи в рабочее оборудование. В Радиационной лаборатории в Университете Калифорнии, Беркли , Лоуренс и его коллеги построили ряд циклотрона , которые были наиболее мощными ускорителями в мире в то время; 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 синхроциклотрон 467 см (184 дюйма), 730 МэВ (1945). Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике 1939 года за изобретение и разработку циклотрона и за результаты, полученные с его помощью.

Первый европейский циклотрон был построен в Ленинграде (тогда Советский Союз ) на физическом факультете Радиевого института , которым руководил Виталий Хлопин  [ ru ] . Этот ленинградский прибор был впервые предложен в 1932 году Георгием Гамовым и Львом Мысовским  [ ru ] и был установлен и заработал к 1937 году. В нацистской Германии циклотрон был построен в Гейдельберге под руководством Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера 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. Электроды D-образной формы заключены в плоскую вакуумную камеру , которая установлена ​​в узком зазоре между двумя полюсами большого магнита.

Циклотрон ускоряет пучок заряженных частиц с помощью высокочастотного переменного напряжения, которое прикладывают между двумя полыми D-образными электродами из листового металла, называемыми «деэ», внутри вакуумной камеры. 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 электромагнита, который создает статическое магнитное поле B, перпендикулярное плоскости электрода. Магнитное поле заставляет частицы изгибаться по окружности из-за силы Лоренца, перпендикулярной их направлению движения.

Если бы скорости частиц были постоянными, они бы двигались по круговой траектории внутри деэ под действием магнитного поля. Однако между диодами прикладывается переменное напряжение радиочастоты (RF) в несколько тысяч вольт . 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
циклотронного резонанса частицы.

ж знак равно q B 2 π м {\ displaystyle f = {\ frac {qB} {2 \ pi m}}} ,

где B — напряженность магнитного поля , q — электрический заряд частицы, а m — 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 имеет правильное направление для их ускорения. Увеличивающаяся скорость частиц из-за этих толчков заставляет их двигаться по кругу большего радиуса с каждым вращением, так что частицы движутся по спирали наружу от центра к краю дея. Когда они достигают обода, небольшое напряжение на металлической пластине отклоняет луч, так что он выходит из диодов через небольшой зазор 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, и ядерные реакции из-за столкновений будут создавать вторичные частицы, которые можно направлять за пределы циклотрона в инструменты для анализа.

Циклотрон был первым «циклическим» ускорителем. Преимущество конструкции циклотрона перед существующими электростатическими ускорителями того времени, такими как ускоритель Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа , состояло в том, что в этих машинах частицы ускорялись напряжением только один раз, поэтому энергия частиц была равна ускоряющее напряжение 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, поэтому выходная энергия может во много раз превышать ускоряющее напряжение. {2}}}} ,

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

Изохронный циклотрон

Альтернативой синхроциклотрону является изохронный циклотрон , в котором магнитное поле увеличивается с радиусом, а не со временем. Изохронные циклотроны способны генерировать гораздо больший ток пучка, чем синхроциклотроны, но требуют азимутальных изменений напряженности поля, чтобы обеспечить сильный эффект фокусировки и удерживать частицы, захваченные на их спиральной траектории. По этой причине изохронный циклотрон также называют «циклотроном с переменным азимутальным полем». Это решение для фокусировки пучка частиц было предложено LH Томасом в 1938 году , ссылаясь на релятивистский гирорадиусе и релятивистскую циклотронную частоту , можно выбрать , чтобы быть пропорционально коэффициент Лоренца, . Это приводит к соотношению,
которое снова зависит только от скорости , как в нерелятивистском случае. Кроме того, в этом случае циклотронная частота постоянна.
р знак равно γ м 0 v q B {\ displaystyle r = {\ frac {\ gamma m_ {0} v} {qB}}} ж знак равно ж 0 γ {\ displaystyle f = {\ frac {f_ {0}} {\ gamma}}} B {\ displaystyle B} B знак равно γ B 0 {\ displaystyle B = \ gamma B_ {0}} р знак равно м 0 v q B 0 {\ displaystyle r = {\ frac {m_ {0} v} {qB_ {0}}}} v {\ displaystyle v}

Эффект поперечной расфокусировки этого радиального градиента поля компенсируется выступами на поверхностях магнита, которые также изменяют поле азимутально. Это позволяет частицам ускоряться непрерывно, на каждом периоде радиочастоты (RF), а не всплесками, как в большинстве других типов ускорителей. Принцип, согласно которому переменные градиенты поля имеют чистый фокусирующий эффект, называется сильной фокусировкой . Теоретически это было малоизвестно задолго до того, как оно стало применяться на практике. Примеров изохронных циклотронов предостаточно; фактически почти все современные циклотроны используют поля, изменяющиеся по азимуту. ТРИУМФ циклотронного упомянуто ниже является самым большим с внешним радиусом орбиты 7,9 метров, извлекая протоны со скоростью до 510 МэВ, что 3/4 скорости света. В PSI Циклотронные достигает более высокой энергии , но меньше из — за использования более высокого магнитного поля.

Применение

В течение нескольких десятилетий циклотроны были лучшим источником пучков высоких энергий для ядерно-физических экспериментов; 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 материала мишени может дать представление о ядерной трансмутации элементов, используемых в мишени.

Циклотроны можно использовать в терапии частицами для лечения рака . Пучки ионов от циклотронов могут использоваться, как и в протонной терапии , для проникновения в организм и уничтожения опухолей за счет радиационного поражения , сводя к минимуму повреждение здоровых тканей на их пути. Циклотронные лучи могут использоваться для бомбардировки других атомов с целью получения короткоживущих изотопов, излучающих позитроны, подходящих для получения изображений ПЭТ . Совсем недавно некоторые циклотроны, которые в настоящее время установлены в больницах для производства радиоизотопов, были модернизированы, чтобы они могли производить технеций-99m . Технеций-99m — диагностический изотоп, дефицит которого возникает из-за трудностей на канадском предприятии Chalk River .

Преимущества и ограничения

60-дюймовый циклотрон Лоуренса, около 1939 года, показывает пучок ускоренных ионов (вероятно, протонов или дейтронов ), выходящих из машины и ионизирующих окружающий воздух, вызывающих голубое свечение.

Циклотронное является улучшение по сравнению с линейными ускорителями ( линейный ускоритель с) , которые были доступны , когда он был изобретен, будучи более с точкой зрения затрат и пространственно-эффективной из — за повторное взаимодействие частиц с ускоряющим полем. В 1920-х годах было невозможно генерировать мощные высокочастотные радиоволны, которые используются в современных линейных ускорителях (генерируются клистронами ). Таким образом, для частиц более высоких энергий 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 создавать непрерывный поток частиц на мишени, поэтому средняя мощность, передаваемая от пучка частиц к мишени, относительно высока.

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

Спиральная траектория циклотронного пучка только может «синхронизировать» с источниками клистрона-типа (постоянная частота) напряжения , если ускоренные частицы приближенно подчиняется законам движения Ньютона . Если частицы становятся достаточно быстрыми, чтобы релятивистские эффекты становились 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 скорости света. Чтобы приспособиться к увеличенной массе, магнитное поле может быть изменено путем соответствующей формы полюсных наконечников, как в изохронных циклотронах , работы в импульсном режиме и изменения частоты, подаваемой на диафрагмы, как в синхроциклотронах , любой из которых ограничен уменьшающейся экономической эффективностью. создания более крупных машин. Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротронов или современных линейных ускорителей с приводом от клистрона , оба из которых обладают преимуществом масштабируемости, предлагая большую мощность при улучшенной структуре затрат по мере увеличения размеров машин.

Известные примеры

Один из крупнейших в мире циклотронов находится в лаборатории RIKEN в Японии. Названный SRC или сверхпроводящим кольцевым циклотроном, он имеет шесть отдельных сверхпроводящих секторов и имеет диаметр 19 м и высоту 8 м. Его максимальное магнитное поле , созданное для ускорения тяжелых ионов, составляет 3,8  Тл , а изгибная способность составляет 8 Тл · 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.

В TRIUMF , национальной лаборатории ядерной физики и физики элементарных частиц Канады, находится самый большой в мире циклотрон. Главный магнит диаметром 18 м и массой 4000 т создает поле 0,46 Тл, в то время как электрическое поле 94 кВ 23 МГц  используется для ускорения луча 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 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 магнетроне , устройстве для создания высокочастотных радиоволн ( микроволн ). Синхротронный перемещают частицы через путь постоянного радиуса, что позволяет ему быть выполнен в виде трубы , и поэтому гораздо большего радиус , чем практично с циклотроном и синхроциклотроном . Больший радиус позволяет использовать множество магнитов, каждый из которых передает угловой момент и, таким образом, позволяет частицам с более высокой скоростью (массой) удерживаться 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

Государственный департамент Соединенных войны лихо попросил ежедневных газет Супермена комиксов потянуться в апреле 1945 года за то, что Супермен бомбардировке с излучением циклотрона. В 1950 году , однако, в Atom Человек против Супермена , Лекс Лютор использует циклотрон для начала землетрясения.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Общий

Удобства

Циклотрон против рака: в Петербурге запустили аппарат, разгоняющий протоны для уничтожения опухолей

В Петербурге очередной медицинский прорыв. Сегодня в центре протонной терапии впервые запустили циклотрон. Это аппарат, который позволяет получить протоны. С их помощью лечат онкологические болезни. Для России это новый опыт. Артем Шарипов узнал, в чем уникальность оборудования.

«Циклотрон — огромная машина. Она разгоняет частицы протона. Их скорость почти равна скорости света — 200 тысяч км/сек. Частицы на бешеной скорости срываются с трека и по магнитной специальной линии поступают в лечебный кабинет. Так работает пока самый эффективный метод лучевой терапии».

Циклотрон формирует микроскопический протонный пучок. Он точно бьет по опухоли и не вредит здоровой ткани. Пациент будет ждать лучевой терапии в соседнем кабинете. Там собирают оборудование, именуемое «гентри».

«Эта конструкция будет вращаться вокруг пациента. Вот эта часть, из нее идет пучок, он уничтожает опухоль».

 Аппарат весит 130 тонн. Собирали его десять месяцев. Руководил процессом Питер Ниллемман — представитель американской фирмы, которая создает циклотроны. Почти год работы считается стандартным сроком для сборки такой сложной медицинской техники.

«Все это достаточно сложно загрузить, поставить на место. А помимо этого все соединить и подключить электрически. Здесь километры проводов. Настройка циклотрона — это деликатный процесс».

Процесс деликатен — взаимодействовать приходится с радиацией. Впрочем, дозы облучения, как говорят в клинике, небольшие. Четвертая категория опасности. Самая низкая. Главное — положительный медицинский эффект. С петербургского циклотрона начинается российская эра протонной терапии. Сегодня в нашей стране она используется только в рамках экспериментальных исследований и почти недоступна. Такой же центр открывают в Димитровграде.

«Необходимо в России вылечить 30 тысяч человек, а мы вдвоем сможем не больше двух тысяч человек решить. Так же стоит отметить, что в мире протонных центров было двадцать, а сегодня тридцать. Мы на волне, мы в тренде».

 Петербургский циклотрон начнет спасать людей в октябре. Клиника примет 25 человек за счет квот, финансируемых из городского бюджета.

Технопанацея

1922 год — американский физик Джозеф Слепян предложил концепцию нерезонансного циклического ускорителя, использующего вихревое электрическое поле — прообраз бетатрона. В 1928 году норвежский физик Рольф Видерое сформулировал условия поддержания равновесной орбиты для похожей машины, которую он безуспешно пытался построить.

1924 год — шведский физик Густав Изинг предложил идею резонансного линейного ускорителя.

1928 год — Р. Видерое создал конструкцию первого линейного резонансного ускорителя.

1929 год — американский физик Ван де Грааф сконструировал первый электростатический ускоритель на основе генератора, названного его именем.

1930 год — американский физик Эрнест Лоуренс совместно со студентом Милтоном Ливингстоном создали первый циклотрон.

1931 год — британские физики Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон построили первый каскадный генератор, использовавший напряжение 100 кВ.

1932 год — в Великобритании, на каскадном генераторе Кокрофта — ­Уолтона, впервые осуществлено расщепление атомного ядра с помощью искусственно ускоренных заряженных частиц.

1937 год — высоковольтный ускоритель впервые применен для терапии онкологических заболеваний.

1940 год — американский физик Дональд Керст сконструировал первый функционирующий бетатрон. 1940-е годы — в медицинских центрах стали внедряться специализированные бетатроны медицинского назначения.

1940 год — в США создан первый специализированный циклотрон для наработки медицинских радиоизотопов.

1943 год — Р. Видерое предложил идею столкновения встречных пучков, лежащую в основе коллайдеров.

1944 год — советский физик Владимир Векслер предложил принцип автофазировки и идею конструкции микротрона.

1945 год — независимо от В. Векслера, принцип автофазировки предложил американский физик Эдвин Макмиллан.

1943−1945 годы — разработана концепция синхротрона (австралийский физик Маркус Олифант, В. Векслер, Э. Макмиллан).

1946 год — в США построен первый (электронный) синхротрон.

1946 год — американский физик Роберт Уилсон предложил идею протонной терапии.

1946−1947 годы — в США построены усовершенствованные версии конструкции Р. Видерое — линейные ускорители протонов на стоячей волне и электронов на бегущей волне.

1949−1950 годы — в США (Беркли и Гарварде) началось экспериментальное внедрение протонной и ионной терапии.

1950−1952 годы — греческий инженер-­электрик и физик-­самоучка Николас Кристофилос и американские физики Эрнст Курант, Хартланд Снайдер, М. Ливингстон (соизобретатель циклотрона) предложили принцип жесткой фокусировки пучка, положенный в основу мощнейших протонных синхротронов.

1954 год — в США началась промышленная радиационная стерилизация медицинских изделий посредством ускорителей.

1956 год — в Швейцарии прошла первая международная конференция по ускорителям.

1957 год — в США открыта первая частная клиника радиационной терапии онкологических заболеваний, использовавшая бетатрон.

1960-е годы — ускорители электронов начали использоваться для промышленной модификации полимеров.

1961−1966 годы — в Италии, СССР, США реализована идея коллайдера.

1965 год — в США создан пеллетрон — усовершенствованный электростатический ускоритель.

1971 год — в ЦЕРНе открыт первый адронный коллайдер.

1982 год — в Аргентине ускоритель впервые использован для квазихирургической операции.

1983 год — в США пущен синхротрон Тэватрон — крупнейший ускоритель XX века, рассчитанный на энергию протонов и антипротонов около 1 ТэВ. В нем впервые для такого типа ускорителей использованы сверхпроводниковые магнитные системы.

1989 год — в США пущен первый в мире ­линейный коллайдер электронов с крупнейшим на планете линейным ускорителем (энергия электронов и позитронов — 50 ГэВ).

1991 год — в США открыт первый специализированный центр протонной терапии вне научного учреждения, использующий коммерческий синхротрон.

1994 год — в Японии впервые применены для терапии тяжелые ионы.

1998 год — в Японии открыт первый коммерческий центр протонной терапии, использующий циклотрон.

1999 год — в США проведена первая операция с использованием ускорительной установки для квазихирургии «кибернож».

2007 год — в Швейцарии внедрен первый коммерческий сверхпроводниковый циклотрон для протонной терапии.

2008 год — в ЦЕРНе открыт Большой адронный коллайдер (БАК).

2011 год — в США появился первый коммерческий сверхпроводниковый синхроциклотрон для протонной терапии.

2015 год — в ЦЕРНе синхротрон БАКа вышел на энергию около 7 МэВ. Сегодня это наиболее высокий энергетический уровень, достигнутый в одном пучке ­ускорителя.

Что такое циклотрон? — Медицина, материалы, энергия и окружающая среда

В дополнение к производству изотопов изображений, используемых для ПЭТ-КТ сканера в RUH, лаборатория занимается визуализацией и исследованиями здоровья животных и человека, а также визуализацией и исследованиями сельскохозяйственных культур / растений.

Объект также является площадкой для исследований в области разработки новых соединений, называемых радиофармацевтическими препаратами, которые могут улучшить обнаружение, диагностику и лечение таких заболеваний, как рак, болезнь Альцгеймера, Паркинсона и рассеянный склероз.Помечая определенные биомолекулы радиоизотопами, ученые могут отслеживать процессы, которые могут приводить к заболеваниям в конкретных органах, в зависимости от того, как «меченые» молекулы поглощаются.

Другие области исследований включают физику, связанную с производством новых радиоизотопов с использованием циклотрона, и разработку более чувствительных детекторов излучения.

Студенты, преподаватели и исследователи из самых разных дисциплин и отраслевые партнеры исследуют решения сложных проблем, а специалисты в области здравоохранения обучены самым передовым протоколам визуализации и лечения.

Радиоизотопная лаборатория

Радиоизотопная лаборатория специально разработана для того, чтобы исследователи могли безопасно работать с радиоактивными материалами, отделяя их от мишеней циклотрона и подготавливая их для использования в радиофармацевтических препаратах или экспериментах.

Большая часть работы выполняется с использованием удаленных систем внутри экранированных камер, называемых «горячими камерами». Поскольку многие радиоизотопы предназначены для использования в медицинской визуализации или клинических исследованиях, лаборатория также соответствует строгим стандартам производства фармацевтических препаратов, известных как Good Производственная практика (GMP).

Циклотроны — что это такое и где их найти

Циклотрон — звучит как персонаж из фантастического фильма.На самом деле это ускоритель частиц, машина, которая использует электромагнитные поля для продвижения заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий, которые используются для производства радиоизотопов для медицинских препаратов, называемых радиофармацевтическими препаратами, которые используются для диагностики и лечения рака. В мире насчитывается более 1500 циклотронных установок, и МАГАТЭ недавно обновило свою интерактивную карту и базу данных, в которой представлены 1300 таких циклотронных установок из 95 стран.

База данных циклотронов для производства радионуклидов, впервые опубликованная в 2019 году, представляет собой инструмент, который помогает таким экспертам, как радиофармацевты, владельцы и пользователи медицинских циклотронов, находить и обмениваться технической, связанной с использованием и административной информацией об работающих циклотронах.Это является частью обязательства МАГАТЭ по расширению возможностей стран в области производства радиоизотопов и применения радиационных технологий в здравоохранении.

«Циклотроны быстро развиваются и будут играть все более важную роль в секторе здравоохранения, особенно в передовых процедурах медицинской визуализации, потому что произведенные на циклотронах радиофармпрепараты очень эффективны при обнаружении различных видов рака», — сказал Амир Джалилиан, химик по радиоизотопам и радиофармацевтическим препаратам МАГАТЭ.

Медицинские методы визуализации, такие как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), основаны на радиоизотопах, производимых на циклотроне. В отличие от исследовательских реакторов, которые также производят радиоизотопы, циклотроны не используют ядерные материалы и не подпадают под те же соображения радиологической безопасности, что и реакторы.

База данных МАГАТЭ позволяет пользователям искать подробную информацию о каждой установке, включая тип, размер и количество циклотронов.Профессионалы в этой области могут связываться друг с другом и обмениваться опытом и информацией о своих радиофармацевтических продуктах. На платформе также представлены предстоящие мероприятия МАГАТЭ и публикации по установке и применению циклотронов.

База данных является частью работы МАГАТЭ по поддержке стран в области производства радионуклидов. МАГАТЭ предоставляет экспертные консультации и технические рекомендации в отношении предприятий по производству радиофармпрепаратов; развивает потенциал человеческих ресурсов с помощью учебных курсов и образовательных программ, а также способствует исследованиям и разработкам через координированные исследовательские проекты.

Владельцы и пользователи медицинских циклотронов могут связаться с Отделом физических и химических наук МАГАТЭ, чтобы отправить последнюю информацию о своих установках, заполнив форму и отправив ее в режиме онлайн.

Для получения дополнительной информации посетите базу данных циклотронов для производства радионуклидов. Чтобы узнать больше об ускорителях и их приложениях, посетите Портал знаний по ускорителям (AKP) МАГАТЭ.

Ускоритель частиц | инструмент | Britannica

Принципы ускорения частиц

Ускорители частиц существуют во многих формах и размерах (даже широко распространенный телевизионный кинескоп в принципе является ускорителем частиц), но самые маленькие ускорители имеют общие элементы с более крупными устройствами.Во-первых, все ускорители должны иметь источник, который генерирует электрически заряженные частицы — электроны в случае телевизионной трубки и электроны, протоны и их античастицы в случае более крупных ускорителей. Все ускорители должны иметь электрические поля для ускорения частиц и магнитные поля для управления траекторией частиц. Кроме того, частицы должны проходить через хороший вакуум — то есть в контейнере с минимально возможным остаточным воздухом, как в телевизионной трубке.Наконец, все ускорители должны иметь средства обнаружения, подсчета и измерения частиц после того, как они были ускорены в вакууме.

Генерация частиц

Электроны и протоны, частицы, наиболее часто используемые в ускорителях, присутствуют во всех материалах, но для ускорителя соответствующие частицы должны быть отделены. Электроны обычно производятся точно так же, как в телевизионной кинескопе, в устройстве, известном как электронная «пушка».Пушка содержит катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается так, что электроны отрываются от атомов в материале катода. Отрицательно заряженные испускаемые электроны притягиваются к аноду (положительному электроду), где проходят через отверстие. Сама пушка фактически представляет собой простой ускоритель, поскольку электроны движутся через электрическое поле, как описано ниже. Напряжение между катодом и анодом в электронной пушке обычно составляет 50 000–150 000 вольт или 50–150 киловольт (кВ).

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Как и электроны, протоны есть во всех материалах, но только ядра атомов водорода состоят из отдельных протонов, поэтому газообразный водород является источником частиц для ускорителей протонов. В этом случае газ ионизируется — электроны и протоны разделяются в электрическом поле, а протоны уходят через отверстие. В больших ускорителях частиц высоких энергий протоны часто сначала образуются в виде отрицательных ионов водорода.Это атомы водорода с дополнительным электроном, которые также образуются при ионизации газа, первоначально в виде молекул из двух атомов. С отрицательными ионами водорода легче обращаться на начальных этапах работы больших ускорителей. Позже их пропускают через тонкую фольгу, чтобы отделить электроны до того, как протоны перейдут к конечной стадии ускорения.

Ключевой особенностью любого ускорителя частиц является ускоряющее электрическое поле. Самый простой пример — это однородное статическое поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами (напряжениями), очень похожее на поле, которое существует между выводами электрической батареи.В таком поле электрон, несущий отрицательный заряд, чувствует силу, которая направляет его к положительному потенциалу (аналогично положительному полюсу батареи). Эта сила ускоряет электрон, и если электрону ничто не препятствует, его скорость и энергия увеличиваются. Электроны, движущиеся к положительному потенциалу по проводу или даже в воздухе, будут сталкиваться с атомами и терять энергию, но если электроны проходят через вакуум, они будут ускоряться по мере продвижения к положительному потенциалу.

Разница в электрическом потенциале между положением, в котором электрон начинает движение через поле, и местом, где он покидает поле, определяет энергию, которую приобретает электрон. Энергия, которую электрон получает при прохождении через разность потенциалов в 1 вольт, известна как 1 электрон-вольт (эВ). Это крошечное количество энергии, эквивалентное 1,6 × 10 −19 джоулей. У летающего комара примерно в триллион раз больше энергии. Однако в телевизионной трубке электроны ускоряются более чем на 10 000 вольт, что дает им энергию более 10 000 эВ или 10 килоэлектрон-вольт (кэВ).Многие ускорители частиц достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых в мегаэлектронвольтах (МэВ, или миллион эВ), гигаэлектронвольтах (ГэВ, или миллиард эВ) или тераэлектронвольтах (ТэВ, или триллион эВ).

Некоторые из самых ранних конструкций ускорителей частиц, такие как умножитель напряжения и генератор Ван де Граафа, использовали постоянные электрические поля, создаваемые потенциалами до миллиона вольт. Однако работать с такими высокими напряжениями непросто. Более практичной альтернативой является многократное использование более слабых электрических полей, создаваемых более низкими напряжениями.Этот принцип используется в двух общих категориях современных ускорителей частиц — линейных ускорителях (или линейных ускорителях) и циклических ускорителях (в основном, циклотронах и синхротронах). В линейном ускорителе частицы проходят один раз через последовательность ускоряющих полей, тогда как в циклической машине они проходят по круговой траектории много раз через одни и те же относительно небольшие электрические поля. В обоих случаях конечная энергия частиц зависит от кумулятивного эффекта полей, так что множество маленьких «толчков» складываются вместе, давая объединенный эффект одного большого «толчка».”

Повторяющаяся структура линейного ускорителя, естественно, предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения для создания электрических полей. Например, положительно заряженная частица, ускоренная до отрицательного потенциала, получит новый толчок, если потенциал станет положительным при прохождении частицы. На практике напряжения должны изменяться очень быстро. Например, при энергии 1 МэВ протон уже движется с очень высокой скоростью — 46 процентов скорости света — так что он преодолевает расстояние около 1.4 метра (4,6 фута) за 0,01 микросекунды. (Одна микросекунда составляет миллионную долю секунды.) Это означает, что в повторяющейся структуре длиной несколько метров электрические поля должны чередоваться, то есть менять направление, с частотой не менее 100 миллионов циклов в секунду, или 100 мегагерц ( МГц). И линейные, и циклические ускорители обычно ускоряют частицы, используя переменные электрические поля, присутствующие в электромагнитных волнах, обычно на частотах от 100 до 3000 МГц, то есть в диапазоне от радиоволн до микроволн.

Электромагнитная волна представляет собой комбинацию колеблющихся электрических и магнитных полей, колеблющихся под прямым углом друг к другу. Ключ к ускорителю частиц состоит в том, чтобы настроить волну так, чтобы, когда частицы прибывают, электрическое поле было в направлении, необходимом для их ускорения. Это можно сделать с помощью стоячей волны — комбинации волн, движущихся в противоположных направлениях в замкнутом пространстве, подобно звуковым волнам, вибрирующим в органной трубе. В качестве альтернативы, для очень быстро движущихся электронов, которые движутся очень близко к скорости света (другими словами, близко к скорости самой волны), бегущая волна может использоваться для ускорения.

Важным эффектом, который проявляется в ускорении в переменном электрическом поле, является «фазовая стабильность». За один цикл своего колебания переменное поле проходит от нуля через максимальное значение до нуля, а затем падает до минимума, прежде чем снова вернуться к нулю. Это означает, что поле дважды проходит значение, соответствующее ускорению, например, во время подъема и спада через максимум. Если частица, скорость которой увеличивается, прибывает слишком рано, когда поле растет, она не будет испытывать такое сильное поле, как должно, и поэтому не получит такого сильного толчка.Однако, когда он достигнет следующей области ускоряющихся полей, он прибудет с опозданием и, таким образом, получит более высокое поле — другими словами, слишком большой толчок. Конечным эффектом будет фазовая стабильность, то есть частица будет удерживаться в фазе с полем в каждой области ускорения. Другой эффект будет заключаться в группировке частиц во времени, так что они будут формировать последовательность сгустков, а не непрерывный пучок частиц.

Направляющие частицы

Магнитные поля также играют важную роль в ускорителях частиц, поскольку они могут изменять направление заряженных частиц.Это означает, что их можно использовать для «изгиба» пучков частиц по круговой траектории, чтобы они неоднократно проходили через одни и те же ускоряющиеся области. В простейшем случае заряженная частица, движущаяся в направлении, перпендикулярном направлению однородного магнитного поля, испытывает силу, действующую под прямым углом как к направлению частицы, так и к полю. Эффект этой силы состоит в том, чтобы заставить частицу двигаться по круговой траектории, перпендикулярной полю, пока она не покинет область действия магнитной силы или на нее не действует другая сила.Этот эффект проявляется в циклических ускорителях, таких как циклотроны и синхротроны. В циклотроне большой магнит используется для создания постоянного поля, в котором частицы движутся по спирали наружу по мере того, как они получают энергию, и тем самым ускоряются в каждом контуре. В синхротроне, напротив, частицы движутся по кольцу постоянного радиуса, в то время как поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается по мере ускорения частиц. Магниты с этой функцией «изгиба» представляют собой диполи — магниты с двумя полюсами, северным и южным, с С-образным профилем, так что пучок частиц может проходить между двумя полюсами.

Вторая важная функция электромагнитов в ускорителях частиц — фокусировать пучки частиц, чтобы сделать их как можно более узкими и интенсивными. Самая простая форма фокусирующего магнита — квадруполь, магнит, состоящий из четырех полюсов (два северных и два южных), расположенных друг напротив друга. Такое расположение толкает частицы к центру в одном направлении, но позволяет им распространяться в перпендикулярном направлении. Квадруполь, предназначенный для горизонтальной фокусировки луча, позволяет лучу выходить из фокуса по вертикали.Чтобы обеспечить правильную фокусировку, квадрупольные магниты должны использоваться попарно, причем каждый элемент должен иметь противоположный эффект. Более сложные магниты с большим числом полюсов — секступоли и октуполи — также используются для более сложной фокусировки.

По мере того, как энергия циркулирующих частиц увеличивается, сила направляющего их магнитного поля увеличивается, что, таким образом, удерживает частицы на одном и том же пути. «Импульс» частиц вводится в кольцо и разгоняется до желаемой энергии, прежде чем он будет извлечен и доставлен в эксперименты.Извлечение обычно достигается с помощью «кикерных» магнитов, электромагнитов, которые включаются ровно на время, достаточное для того, чтобы «выбить» частицы из кольца синхротрона и вдоль линии луча. Затем поля в дипольных магнитах уменьшаются, и машина готова к приему следующего импульса частиц.

Сталкивающиеся частицы

Большинство ускорителей частиц, используемых в медицине и промышленности, создают пучок частиц для определенной цели — например, для лучевой терапии или ионной имплантации.Это означает, что частицы используются один раз, а затем выбрасываются. В течение многих лет то же самое относилось к ускорителям, используемым в исследованиях физики элементарных частиц. Однако в 1970-х годах были разработаны кольца, в которых два пучка частиц циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются на каждом контуре машины. Главное преимущество таких машин состоит в том, что при лобовом столкновении двух лучей энергия частиц переходит непосредственно в энергию взаимодействия между ними. Это контрастирует с тем, что происходит, когда энергетический луч сталкивается с покоящимся материалом: в этом случае большая часть энергии теряется на приведение в движение материала мишени в соответствии с принципом сохранения количества движения.

Некоторые машины с встречным пучком были построены с двумя кольцами, которые пересекаются в двух или более положениях, при этом пучки одного вида циркулируют в противоположных направлениях. Еще более распространенными были коллайдеры между частицами и античастицами. Античастица имеет электрический заряд, противоположный соответствующей частице. Например, антиэлектрон (или позитрон) имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный. Это означает, что электрическое поле, ускоряющее электрон, будет замедлять позитрон, движущийся в том же направлении, что и электрон.Но если позитрон движется через поле в противоположном направлении, он почувствует противоположную силу и будет ускорен. Точно так же электрон, движущийся через магнитное поле, будет изгибаться в одном направлении, скажем влево, в то время как позитрон, движущийся таким же образом, будет изгибаться в противоположном направлении — вправо. Однако, если позитрон движется через магнитное поле в направлении, противоположном электрону, его путь все равно будет изгибаться вправо, но по той же кривой, что и электрон, изгибающийся влево.Взятые вместе, эти эффекты означают, что антиэлектрон может перемещаться по кольцу синхротрона, направляемый теми же магнитами и ускоряемый теми же электрическими полями, которые влияют на электрон, движущийся в противоположном направлении. Многие из машин со встречным пучком наивысшей энергии были коллайдерами частицы-античастицы, так как требуется только одно кольцо ускорителя.

Как указано выше, луч в синхротроне не представляет собой непрерывный поток частиц, а сгруппирован в «сгустки». Пучок может составлять несколько сантиметров в длину и одну десятую миллиметра в поперечнике и может содержать около 10 12 частиц — фактическое количество зависит от конкретной машины.Однако это не очень плотно; нормальное вещество аналогичных размеров содержит около 10 23 атомов. Поэтому, когда пучки частиц — или, точнее, сгустки частиц — пересекаются в машине встречных пучков, существует лишь небольшая вероятность того, что две частицы будут взаимодействовать. На практике пучки могут продолжаться по кольцу и снова пересекаться. Чтобы сделать возможным повторное пересечение пучка, вакуум в кольцах машин на встречных пучках должен быть особенно хорошим, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов без потери при столкновении с остаточными молекулами воздуха.Поэтому кольца также называют накопительными кольцами, поскольку пучки частиц фактически хранятся в них в течение нескольких часов.

Обнаружение частиц

В большинстве случаев использование лучей от ускорителей частиц требует некоторого способа обнаружения того, что происходит, когда частицы ударяются о цель или другой пучок частиц, движущийся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны, выстреливаемые из электронной пушки, ударяют в специальные люминофоры на внутренней поверхности экрана, и они излучают свет, который таким образом воссоздает телевизионные изображения.С ускорителями частиц аналогично специализированные детекторы реагируют на рассеянные частицы, но эти детекторы обычно предназначены для создания электрических сигналов, которые могут быть преобразованы в компьютерные данные и проанализированы компьютерными программами. Только электрически заряженные частицы создают электрические сигналы при движении через материал — например, путем возбуждения или ионизации атомов — и могут быть обнаружены напрямую. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или фотоны, должны обнаруживаться косвенно по поведению заряженных частиц, которые они сами приводят в движение.

Существует множество детекторов частиц, многие из которых наиболее полезны в определенных обстоятельствах. Некоторые, такие как знакомый счетчик Гейгера, просто подсчитывают частицы, тогда как другие используются, например, для записи треков заряженных частиц или для измерения скорости частицы или количества переносимой ею энергии. Современные детекторы различаются по размеру и технологии: от небольших устройств с зарядовой связью (ПЗС) до больших наполненных газом камер, пронизанных проводами, которые обнаруживают ионизированные следы, созданные заряженными частицами.

История

Большая часть разработки ускорителей частиц была мотивирована исследованиями свойств атомных ядер и субатомных частиц. Начиная с открытия британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1919 году реакции между ядром азота и альфа-частицей, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с альфа-частицами, выделяемыми при распаде естественных радиоактивных элементов. Природные альфа-частицы имеют кинетическую энергию до 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада более тяжелых ядер альфа-частицами необходимо будет искусственно ускорить ионы альфа-частиц до еще более высоких энергий.В то время казалось мало надежды на создание лабораторных напряжений, достаточных для ускорения ионов до желаемых энергий. Однако расчет, сделанный в 1928 году Джорджем Гамовым (тогда он работал в Геттингенском университете, Германия), показал, что могут быть полезны ионы значительно меньшей энергии, и это стимулировало попытки построить ускоритель, который мог бы обеспечить пучок частиц, пригодный для ядерной энергетики. исследовать.

Другие разработки того периода продемонстрировали принципы, которые до сих пор используются при проектировании ускорителей элементарных частиц.Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были выполнены в Англии в Кембриджском университете Джоном Дугласом Кокрофтом и Э. Уолтоном в 1932 году. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до энергии 710 кэВ и показали, что они реагируют с ядром лития с образованием двух энергичных альфа-частиц. К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Дж. Ван де Грааф сконструировал первый электростатический высоковольтный генератор с ленточным зарядом.Умножители напряжения типа Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван-де-Граа по-прежнему используются в качестве источников питания для ускорителей.

Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928 году. В Рейнско-Вестфальском техническом университете в Аахене, Германия, Видероэ использовал переменное высокое напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, вдвое превышающих получаемые. одним приложением пикового напряжения. В 1931 году в США Эрнест О.Лоуренс и его помощник Дэвид Х. Слоан из Калифорнийского университета в Беркли использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до уровня более 1,2 МэВ. Эта работа расширила достижения Видероэ в ускорении тяжелых ионов, но ионные пучки не были полезны в ядерных исследованиях.

Магнитно-резонансный ускоритель, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация линейного резонансного ускорителя Видероэ. Ученик Лоуренса М.С. Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, производя ионы с энергией 80 кэВ; в 1932 году Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов до более чем 1 МэВ.Позже, в 1930-х годах, энергии циклотронов достигли около 25 МэВ, а генераторы Ван де Граафа — около 4 МэВ. В 1940 году Дональд В. Керст, применив результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, построил первый бетатрон, ускоритель электронов с магнитной индукцией, в Университете Иллинойса.

После Второй мировой войны в науке о ускорении частиц до высоких энергий произошло стремительное развитие. Инициаторами прогресса выступили Эдвин Мэттисон Макмиллан в Беркли и Владимир Иосифович Векслер в Москве.В 1945 году оба человека независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предложила средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе и, таким образом, сняла очевидное ограничение на энергию резонансных ускорителей для протонов (см. Ниже Циклотроны: классические циклотроны) и сделала возможным создание магнитно-резонансных ускорителей (называемых синхротронами) для электроны. Фазовая фокусировка, реализация принципа фазовой стабильности, была незамедлительно продемонстрирована созданием небольшого синхроциклотрона в Калифорнийском университете и электронного синхротрона в Англии.Вскоре после этого был построен первый протонный линейный резонансный ускоритель. Все большие протонные синхротроны, построенные с тех пор, зависят от этого принципа.

В 1947 году Уильям У. Хансен из Стэнфордского университета в Калифорнии построил первый линейный ускоритель электронов на бегущей волне, используя микроволновую технологию, которая была разработана для радаров во время Второй мировой войны.

Прогресс в исследованиях, ставший возможным благодаря увеличению энергии протонов, привел к созданию все более крупных ускорителей; Тенденция была остановлена ​​только затратами на изготовление необходимых огромных магнитных колец — самое большое из них весит примерно 40 000 тонн.Способ увеличения энергии без увеличения масштаба машин был предоставлен демонстрацией в 1952 году Ливингстоном, Эрнестом Д. Курантом и Х.С. Снайдера техники переменно-градиентной фокусировки (иногда называемой сильной фокусировкой). Синхротроны, использующие этот принцип, нуждались в магнитах только 1 / 100 размера, который потребовался бы в противном случае. Все недавно построенные синхротроны используют переменно-градиентную фокусировку.

В 1956 году Керст понял, что, если два набора частиц могут поддерживаться на пересекающихся орбитах, должна быть возможность наблюдать взаимодействия, при которых одна частица сталкивается с другой, движущейся в противоположном направлении.Применение этой идеи требует накопления ускоренных частиц в контурах, называемых накопительными кольцами (см. Ниже накопительные кольца на встречных пучках). Наивысшая энергия реакции, достижимая в настоящее время, была получена с использованием этого метода.

Циклотрон — Энциклопедия Нового Света

Современный циклотрон для лучевой терапии.

Циклотрон — это ускоритель частиц. Циклотроны ускоряют заряженные частицы с помощью высокочастотного переменного напряжения (разности потенциалов).Перпендикулярное магнитное поле заставляет частицы вращаться по спирали почти по кругу, так что они повторно сталкиваются с ускоряющим напряжением много раз. Эрнесту Лоуренсу из Калифорнийского университета в Беркли приписывают разработку циклотрона в 1929 году, хотя в то время в этом направлении работали и другие.

Поскольку циклотрон ускоряет частицы по спиральной траектории, он позволяет частицам ускоряться на большее расстояние, чем линейный ускоритель. Циклотроны обеспечивают пучки высоких энергий для ядерно-физических экспериментов и пучки ионов для лечения раковых тканей.Их также можно использовать для бомбардировки других атомов с целью получения короткоживущих изотопов, излучающих позитроны, подходящих для получения изображений методом ПЭТ.

Как работает циклотрон

Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года.
Пучок электронов, движущихся по кругу. Освещение вызывается возбуждением атомов газа в лампочке.

Электроды, показанные справа, должны находиться в вакуумной камере, которая является плоской, в узком зазоре между двумя полюсами большого магнита.

В циклотроне высокочастотное переменное напряжение, приложенное к электродам «D» (также называемым «деээ»), попеременно притягивает и отталкивает заряженные частицы.Частицы, инжектируемые около центра магнитного поля, ускоряются только при прохождении через зазор между электродами. Перпендикулярное магнитное поле (проходящее вертикально через электроды «D») в сочетании с возрастающей энергией частиц вынуждает частицы двигаться по спирали.

Без изменения энергии заряженные частицы в магнитном поле будут двигаться по круговой траектории. В циклотроне энергия применяется к частицам, когда они пересекают зазор между деформациями, и поэтому они ускоряются (с типичными используемыми субрелятивистскими скоростями) и будут увеличиваться в массе по мере приближения к скорости света.Любой из этих эффектов (увеличенная скорость или увеличенная масса) увеличит радиус круга, и поэтому путь будет спиральным.

(Частицы движутся по спирали, потому что ток электронов или ионов, текущий перпендикулярно магнитному полю, испытывает перпендикулярную силу. Заряженные частицы свободно движутся в вакууме, поэтому частицы движутся по спирали.)

Радиус будет увеличиваться, пока частицы не попадут в цель по периметру вакуумной камеры. Для мишени могут использоваться различные материалы, и столкновения будут создавать вторичные частицы, которые можно направлять за пределы циклотрона в инструменты для анализа.Результаты позволят вычислить различные свойства, такие как среднее расстояние между атомами и создание различных продуктов столкновения. Последующий химический анализ и анализ частиц материала мишени может дать представление о ядерной трансмутации элементов, используемых в мишени.

Преимущества циклотрона

  • Циклотроны имеют один электрический драйвер, который экономит деньги и электроэнергию, позволяя выделить больше средств на повышение эффективности
  • Циклотроны производят непрерывный поток частиц к цели, поэтому средняя мощность относительно высока
  • Компактность устройства снижает другие затраты, такие как его фундамент, радиационная защита и ограждающее здание.

Ограничения циклотрона

Спиральный путь циклотронного луча может «синхронизироваться» с источниками напряжения клистронного типа (постоянной частоты), только если ускоренные частицы приблизительно подчиняются законам движения Ньютона.Если частицы становятся настолько быстрыми, что релятивистские эффекты становятся важными, луч выходит в фазе с осциллирующим электрическим полем и не может получить дополнительное ускорение. Таким образом, циклотрон способен ускорять частицы только до нескольких процентов скорости света. Чтобы приспособиться к увеличенной массе, магнитное поле может быть изменено путем соответствующей формы полюсных наконечников, как в изохронных циклотронах, работы в импульсном режиме и изменения частоты, подаваемой на диафрагмы, как в синхроциклотронах, любой из которых ограничивается уменьшающейся экономической эффективностью. создания более крупных машин.Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложного синхротрона или линейного ускорителя, оба из которых обладают преимуществом масштабируемости, предлагая большую мощность при улучшенной структуре затрат по мере увеличения размеров машин.

Задачи, решаемые циклотроном

60-дюймовый циклотрон, c. 1939, показывает пучок ускоренных ионов (вероятно, протонов или дейтронов), покидающих ускоритель и ионизирующих окружающий воздух, вызывая синее свечение. Это явление ионизации воздуха аналогично явлению, вызывающему «синюю вспышку», печально отмеченную свидетелями аварий, связанных с критичностью.Хотя этот эффект часто принимают за черенковское излучение, это не так.

Циклотрон был усовершенствованием линейных ускорителей, которые были доступны на момент его изобретения. Линейный ускоритель (также называемый линейным ускорителем) ускоряет частицы по прямой линии через откачанную трубку (или ряд таких трубок, расположенных встык). Набор электродов в форме плоских пончиков расположен внутри длины трубки (ей). Они управляются мощными радиоволнами, которые постоянно переключаются между положительным и отрицательным напряжением, заставляя частицы, перемещающиеся по центру трубки, ускоряться.В 1920-х годах было невозможно получить высокочастотные радиоволны с высокой мощностью, поэтому либо ускоряющие электроды должны были быть далеко друг от друга, чтобы приспособиться к низкой частоте, либо требовалось больше ступеней для компенсации низкой мощности на каждой ступени. В любом случае для частиц с более высокой энергией требовались более длинные ускорители, чем могли себе позволить ученые.

В современных линейных ускорителях используются клистроны высокой мощности и другие устройства, способные передавать гораздо большую мощность на более высоких частотах. Но до того, как появились эти устройства, циклотроны были дешевле линейных ускорителей.

Циклотроны ускоряют частицы по спирали. Следовательно, компактный ускоритель может содержать гораздо большее расстояние, чем линейный ускоритель, с большими возможностями для ускорения частиц.

Использование циклотрона

В течение нескольких десятилетий циклотроны были лучшим источником пучков высоких энергий для ядерно-физических экспериментов. Несколько циклотронов все еще используются для этого типа исследований.

Циклотроны можно использовать для лечения рака. Пучки ионов от циклотронов могут использоваться, как и в протонной терапии, для проникновения в организм и уничтожения опухолей за счет радиационного поражения, сводя к минимуму повреждение здоровых тканей на их пути.{2}} {r}} = Bqv}

(где m — масса частицы, q — ее заряд, v — ее скорость, а r — радиус ее пути.)

Скорость, с которой частицы входят в циклотрон из-за разности потенциалов, В.

v = 2Vqm {\ displaystyle v = {\ sqrt {\ frac {2Vq} {m}}}}

Следовательно,

vr = Bqm {\ displaystyle {\ frac {v} {r}} = {\ frac {Bq} {m}}}

v / r равно угловой скорости ω, поэтому

ω = Bqm {\ displaystyle \ omega = {\ frac {Bq} {m}}}

И поскольку угловая частота равна

ω = 2πfc {\ displaystyle \ omega = {2 \ pi} f_ {c}}

Следовательно,

fc = Bq2πm {\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {Bq} {2 \ pi m}}} ​​

Это показывает, что для частицы постоянной массы частота не зависит от радиуса орбита частицы.По мере того, как луч выходит по спирали, его частота не уменьшается, и он должен продолжать ускоряться, поскольку за то же время проходит большее расстояние. {2}}}} } Фактор Лоренца

Обратите внимание, что в экспериментах с высокими энергиями используются энергия E и импульс p, а не скорость, и оба измеряются в единицах энергии.{2}}}},

где
fc {\ displaystyle f_ {c}} — приведенная выше классическая частота заряженной частицы со скоростью
v {\ displaystyle v} кружит в магнитном поле.

Масса покоя электрона составляет 511 кэВ, поэтому частотная поправка составляет 1 процент для магнитной вакуумной трубки с ускоряющим напряжением постоянного тока 5,11 кВ. Масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона, поэтому 1-процентная поправочная энергия составляет около 9 МэВ, что достаточно, чтобы вызвать ядерные реакции.

Альтернативой синхроциклотрону является изохронный циклотрон, у которого магнитное поле увеличивается с радиусом, а не со временем. Эффект расфокусировки этого радиального градиента поля компенсируется выступами на поверхностях магнита, которые также изменяют поле по азимуту. Это позволяет частицам ускоряться непрерывно, на каждом периоде радиочастоты, а не всплесками, как в большинстве других типов ускорителей. Принцип, согласно которому переменные градиенты поля имеют чистый фокусирующий эффект, называется сильной фокусировкой.Теоретически это было малоизвестно задолго до того, как оно стало применяться на практике.

Связанные технологии

  • Магнетрон: Спиральное движение электронов в цилиндрической вакуумной камере в поперечном магнитном поле также используется в магнетроне, устройстве для генерации высокочастотных радиоволн (микроволн).
  • Синхротрон: Синхротрон перемещает частицы по пути постоянного радиуса, что позволяет изготавливать его в виде трубы.Таким образом, он может иметь гораздо больший радиус, чем это возможно для циклотрона и синхроциклотрона. Больший радиус позволяет использовать множество магнитов, каждый из которых передает угловой момент, и, таким образом, позволяет частицам с более высокой скоростью (массой) удерживаться в пределах откачиваемой трубы. Напряженность магнитного поля каждого из поворотных магнитов увеличивается по мере того, как частицы набирают энергию, чтобы поддерживать постоянный угол изгиба.

См. Также

Список литературы

  • Геллер Р.1996. Источники ионов электронного циклотронного резонанса и плазма ЭЦР. Филадельфия, Пенсильвания: Институт физики Pub. ISBN 0750301074.
  • Видеманн, Гельмут. 2007. Физика ускорителей частиц. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 35404

    .

  • Вилле, Клаус и Джейсон Макфолл. 2001. Физика ускорителей частиц: Введение. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0198505493.
  • Wilson, E.J.N. 2001. Введение в ускорители частиц. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.ISBN 0198508298.
  • Уилсон, Ричард. 2004. Краткая история циклотронов Гарвардского университета. Кембридж, Массачусетс: ISBN издательства Гарвардского университета 067401460X.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 21 ноября 2017 г.

Кредиты

Авторы и редакторы New World Encyclopedia переписали и дополнили статью в Википедии.
в соответствии со стандартами New World Encyclopedia. Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства.Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света:

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Циклотрон

Самые большие ускорители элементарных частиц имеют размеры в милях. Циклотрон — это ускоритель частиц, который настолько компактен, что даже маленький может поместиться в вашем кармане. Он умело использует электрические и магнитные поля для ускорения заряда в небольшом пространстве.

Циклотрон состоит из двух D-образных областей, известных как dees.В каждом ди есть магнитное поле, перпендикулярное плоскости страницы. В промежутке, разделяющем диафрагмы, есть однородное электрическое поле, направленное от одного ди к другому. Когда заряд выходит из состояния покоя в зазоре, он ускоряется электрическим полем и переносится в один из зарядов. Магнитное поле в диафрагме заставляет заряд двигаться по полукругу, который уносит его обратно в зазор.

Пока заряд находится в зазоре, электрическое поле в зазоре меняется на противоположное, так что заряд снова ускоряется через зазор.Цикл продолжается с магнитным полем в деэ, непрерывно возвращающим заряд обратно в зазор. Каждый раз, когда заряд пересекает зазор, он набирает скорость. Это приводит к увеличению радиуса полукругов в деформациях, и в конечном итоге заряд выходит из циклотрона с высокой скоростью.

Как вы можете рассчитать время, чтобы электрическое поле меняло направление в нужное время для правильного ускорения заряда? Напомним, что для заряда, движущегося по круговой траектории в однородном магнитном поле, период не зависит от скорости заряда.Каждый полукруг в круге занимает одинаковое количество времени. В отличие от циклотрона в моделировании, настоящий циклотрон настроен с небольшим зазором, так что время прохождения зазора намного меньше, чем время, проведенное в ди. Подсоединить деи к источнику переменного напряжения, который меняет направление через равные промежутки времени (соответствует времени, которое требуется заряду, чтобы сделать полукруг в ди), — это все, что требуется для создания электрического поля, которое меняет направление в нужное время. .

Рассмотрим эти вопросы, касающиеся конструкции циклотрона.

1. Когда заряд впервые пересекает зазор, его кинетическая энергия увеличивается на величину ΔK. Какое изменение кинетической энергии связано с каждым полукругом в ди.

  1. больше ΔK
  2. равно ΔK
  3. меньше ΔK

В действительности сила, действующая на заряд, исходит из магнитного поля, поэтому сила перпендикулярна скорости. Скорость и, следовательно, кинетическая энергия остаются постоянными, поэтому изменение равно нулю.

2. Когда заряд впервые пересекает зазор, его кинетическая энергия увеличивается на величину ΔK. Если предположить, что электрическое поле в зазоре всегда имеет одинаковую величину, каково изменение кинетической энергии во второй раз, когда заряд пересекает зазор?

  1. больше ΔK
  2. равно ΔK
  3. меньше ΔK

Если электрическое поле имеет одинаковую величину, разность потенциалов в зазоре всегда одинакова.
ΔK = q ΔV, поэтому кинетическая энергия увеличивается на ту же величину каждый раз, когда заряд пересекает зазор.

3. Допустим, вы хотите увеличить скорость частиц, когда они выходят из циклотрона. Что более эффективно: увеличение разности потенциалов в зазоре или усиление магнитного поля в диафрагмах?

  1. увеличение разности потенциалов в зазоре
  2. увеличение магнитного поля в деэ
  3. любой, они одинаково эффективны

Конечная кинетическая энергия практически не зависит от разности потенциалов в зазоре, но кинетическая энергия пропорциональна квадрату магнитного поля, поэтому увеличение магнитного поля является способом увеличения кинетической энергии.

Обратите внимание, что независимо от величины полей конечный полукруг, через который проходит заряд в диафрагме, имеет радиус, приблизительно равный R, радиусу полукруга. Радиус кругового пути заряженной частицы в магнитном поле равен:

r = mv / qB.

В этом случае скорость частицы v = RqB / m.

Следовательно, конечная кинетическая энергия равна:

K = 1/2 мв 2 = R 2 q 2 B 2 /2 м

Cyclotron for A-level Physics — компактный ускоритель частиц

Циклотрон

Эренст О Лоуренс был блестящим американским физиком-ядерщиком, которому приписывают изобретение циклотрона , компактного ускорителя частиц, который до сих пор используется в лабораториях ядерной физики.Циклотрон, несмотря на то, что его затмевают его более крупные и громоздкие собратья, линейные ускорители, может довольно легко возбуждать субатомные частицы, экономя пространство, обычно занимаемое последними. Эрнест Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике в 1939 году за замечательное изобретение.

Циклотрон — это устройство, которое может ускорять субатомные частицы до очень высокой скорости для экспериментов с частицами и клинических нужд. Он возбуждает частицы, посылая их через переменное электрическое поле, одновременно отправляя частицы по круговым орбитам с помощью магнитного поля.

Когда электрон проходит через электрическое поле под прямым углом, его скорость увеличивается, как и его кинетическая энергия. С другой стороны, если рассматриваемый электрон проходит через магнитное поле, первый следует по кривой траектории без изменения его энергии, подчиняясь правилу левой руки Флеминга .
Следовательно, электрическое поле можно объединить с магнитным полем, чтобы возбудить электрон и соответственно изменить его путь.

Это то, что происходит внутри циклотрона .

D-образные полукруглые дуги , известные как Dees , объединены с небольшим зазором между ними. Магнитное поле действует под прямым углом к ​​каждому ди.

Когда электрон образуется в центре пути между двумя ди, он притягивается к ди, который в этот момент поддерживается как положительный .

Электрон, оказавшись внутри ди, выбирает изогнутый путь из-за действующего через него магнитного поля — в соответствии с моторным эффектом.Когда электрон снова достигает зазора, полярность dees меняется на противоположную, так что электрон притягивается ко второму dee.

Процесс продолжается до тех пор, пока электрон не наберет достаточно энергии для последующего ядерного эксперимента, запланированного профессионалом, который его использует. Находящийся под напряжением электрон с очень большой скоростью выходит из розетки, прикрепленной к электронам.

Затем заряженный электрон может быть откачан для любых экспериментов с частицами.

В линейных ускорителях, таких как LHC в CERN в Швейцарии, круговые траектории специально сконструированы для возбуждения электронов, отправляя их через электрические поля для получения большей энергии.Дорожки часто бывают очень длинными — до 20 км.

Внутри линейных ускорителей скорость частиц достигает 99,9% скорости света — без превышения скорости света. На такой высокой скорости проявляются релятивистские эффекты: увеличение энергии частиц приводит к увеличению массы, что, в свою очередь, задерживает прибытие заряженных частиц туда, где они первоначально возникли. В результате циклотрон может возбуждать заряженную частицу только до 1 Гэв. Это ограничение, однако, было устранено в синхротроне , который использует фиксированную орбиту при увеличении частоты переменного напряжения.

В циклотроне скорость частиц может не достигать этой скорости. Однако его компактный размер компенсирует потерю скорости.

Ускорители частиц используются для возбуждения субатомных частиц, чтобы их можно было использовать в экспериментах с частицами высоких энергий. Их тоже используют в медицинских экспериментах.

Если заряд частицы внутри циклотрона, ее скорость и плотность магнитного потока равны q, v и B соответственно,
Радиальная сила, действующая на заряд =
Bqv.
Если радиус кругового пути, пройденного заряженной частицей, равен r, масса частицы равна m, а центростремительная сила — F c — тогда
F c = mv 2 / r
Сила, действующая на заряженную частицу, равна центростремительной силе
Итак, Bqv = mv 2 / r
v = Бкр / м
Если период времени частицы равен T,
T = 2πr / v
T = 2πm / Бк
Если частота равна f, поскольку f = 1 / T
f = Bq / 2πm

Итак, частота заряженной частицы не зависит от радиуса кругового пути; это просто зависит от плотности потока, заряда и массы частицы.

Циклотрон

| Исследовательский центр Гленна

Инженеры Льюиса управляют циклотроном удаленно из диспетчерской (1957 г.).

Циклотроны ускоряют заряженные частицы и стреляют ими через луч в цель, что приводит к вторичному делению, которое можно использовать для различных целей. Циклотроны используют как электрическое, так и магнитное поля для ускорения частиц. Серия небольших магнитов и фокусирующего оборудования улучшает луч по мере его продвижения к цели.

Документы

Компоненты

Основными компонентами циклотрона являются магнитная система, герметичные ди-камеры, колебательная система питания, ионный инжектор и фокусирующее оборудование. Два больших магнита Циклотрона Льюиса поддерживались большой прямоугольной рамой или ярмом. Кованые стальные плиты ярма были 72 дюйма в глубину, 32 дюйма в ширину и 84 (по вертикали) на 204 (по горизонтали) в длину.

Этот каркас поддерживает два цилиндрических диаметра 72 дюйма и 30 дюймов.Магнитные полюса высотой 5 дюймов. Эти полюса были окружены двумя большими круглыми катушками, содержащими слои намотанной медной проволоки и трубки для охлаждающей воды. Магнитная система питалась от двигателя-генератора на 250 вольт и возбудителя поля с регулируемым электрическим током.

Два медных D-образных электрода, называемые «деэ», были расположены перпендикулярно между двумя большими магнитами. Деи стояли напротив друг друга, образуя круг, разделенный пополам узкой щелью. Две пары триодов подавали в промежуток колеблющуюся радиочастотную (ВЧ) мощность.

Деэ содержались внутри вакуумной камеры, поддерживаемой несколькими насосами и системой охлаждения, и имели подвижные панели, которые позволяли настраивать систему.

Над верхним ярмом находилась дуговая камера, производившая ускоряемые заряженные частицы или ионы. Желаемый газ с незаряженными частицами — обычно альфа-частицами, протонами или дейтронами — содержался в дуговой камере вместе с электрической нитью накала.

Активация нити накала вызывает электрическую дугу, заряжающую частицы.Дугу и нить накала можно было регулировать из диспетчерской, чтобы улучшить качество пучка частиц.

Схема циклотрона Льюиса.

Установка большого магнитного кольца вокруг полюса магнита для циклотрона.

Техник проверяет настройку диафрагмы циклотрона в феврале 1961 года.

Чертеж ярма и магнитов циклотрона Льюиса.

Ускорение частиц

Затем поток заряженных частиц был введен в диафрагмы через отверстие, просверленное в ярме и магните.Вертикальное магнитное поле регулировали так, чтобы частица направлялась по полукруглому маршруту. Между диафрагмами подавался высокочастотный электрический ток, который быстро менялся генератором. Когда частица достигла зазора, осциллятор изменил направление тока, чтобы ускорить частицу в другой ди.

Каждый проход через промежуток увеличивал скорость частицы, что увеличивало ее орбиту, сохраняя время, необходимое для завершения цикла. Операторы могли увеличивать скорость, регулируя полярность электрического поля между деями непосредственно перед тем, как частица появлялась в зазоре.

Как только частица достигла внешнего края диафрагмы, она вылетела в отражатель луча и вылетела из выходного окна с большой скоростью. Дефлектор состоял из двух частей дугообразной формы, параллельных друг другу, чтобы направлять пучок частиц наружу. Операторы в диспетчерской могли регулировать угол наклона дефлектора, чтобы улучшить качество луча.

Иллюстрация компонентов циклотрона.

Детали и внутренние компоненты одного из циклотронов Эрнеста Лоуренса.Схема системы генерации заряженных частиц для циклотрона.

Оборудование, используемое для обеспечения дудтерием, водородом и гелием для циклотрона Льюиса (1970).

Система управления лучом

Изначально оборудование для внешнего луча состояло из четырех компонентов — защитной трубки, фокусирующих магнитов, формирующей луч диафрагмы и магнита-дефлектора. Луч выходил из дефлектора горизонтально примерно в 4 футах от пола. Сначала он прошел через 4-футовую защитную трубку, чтобы электрическое поле циклотрона не влияло на магниты.Камера на конце трубки содержала угольный диск для концентрации луча.

Два регулируемых фокусирующих магнита затем немного отклонили луч. Пучок дополнительно концентрировался при прохождении через герметизированную диафрагму. Магнит-дефлектор изгибал луч горизонтально под углом 45 ° к целевой комнате. Это оборудование часто модифицируется и расширяется на протяжении многих лет.

Мишень с затвором луча представляла собой медный затвор, используемый для точной настройки луча непосредственно перед тем, как он поразит намеченную цель.Из диспетчерской операторы производили окончательную регулировку напряжений или магнитов циклотрона. Как только желаемые параметры были достигнуты, заслонка была поднята, и луч упал на материал образца.

Для программы нейтронной терапии в 1970-х годах луч направлялся тремя магнитами на бериллиевую мишень в экранированном аппарате. Вставив еще один магнит, луч можно было согнуть вверх к другому набору магнитов в Магнитном Доме над терапевтическим кабинетом. Затем луч отклонялся вниз в бериллиевую мишень возле потолка, чтобы получить вертикальный пучок нейтронов.

Панели в диспетчерской, используемые для формирования пучка циклотрона.

Схема, показывающая пути луча к двум коллиматорам.

Светоделитель в комнате Циклотронного Убежища (28.05.1957).

Техник работает над рулевыми магнитами и фокусирующей аппаратурой для пучка циклотрона (1961 г.).

Целевые области

Целевая камера с вакуумным уплотнением была установлена ​​в стене Комнаты Убежища, чтобы облегчить настройку целевого оборудования без нарушения окружающей среды в Убежище.Сторона Убежища имела вакуумные поворотные ворота, а сторона Целевой комнаты содержала плоскую алюминиевую заслонку.

Циклотрон изначально имел две пластины сборки мишени. Один поддерживает канал, а другой — окно из фольги. Последний включал в себя три тонких алюминиевых рамы, которые позволяли лучу пройти сквозь намеченную цель.

Комната нейтронной терапии (бывшая целевая комната) содержала горизонтальный и вертикальный коллиматоры, которые очищали быстрые нейтроны перед их применением к пациентам.В обоих случаях бериллий был защищен не менее чем 30-дюймовым пластиковым композитом Benelex.

Бериллиевая мишень толщиной в одну восемнадцатую дюйма была расположена за апертурой, чтобы луч попадал в цель правильно. Затем нейтроны прошли через ионную камеру, которая измеряла поток до того, как он достигнет пациента.

Меры безопасности

Циклотрон генерировал высокий уровень радиации, который мог вызвать проблемы со здоровьем, но в основном длился недолго.Комната Убежища, Люк в крыше, Горячая кладовая и коридор, ведущий в Целевую комнату, регулярно подвергались воздействию радиации. Циклотронная установка использовала радиационные мониторы в Убежище и коридорах для отслеживания уровней. Персоналу также требовалось носить дозиметры и дозиметры для отслеживания своего облучения.

Луч частиц автоматически отключается, если двери в Убежище или Целевую комнату открываются или если датчики обнаруживают движение в коридоре. Также были механизмы в Целевой Комнате и Комнате Убежища для людей, чтобы остановить луч, если он включился, пока они присутствовали.

Работы на Циклотроне строго контролировались задокументированными процедурами и руководствами по безопасности. За ними курировал Комитет радиационной безопасности центра, который состоял из руководителей высшего звена, обладающих обширными техническими знаниями в области физики здоровья и радиационной защиты.

Документы

.