Циклотрон - это ускоритель тяжелых частиц (ионов и протонов). Он разгоняет их по спиральной траектории. Частицы удерживаются спиральной траекторией статическим магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся (радиочастотным) электрическим полем. Эрнест О. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии 1939 года по физике за это изобретение.
Преимущества
Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда они были заменены синхротроном. Они до сих пор используются для создания пучков частиц в физике и ядерной медицине. Крупнейшим одномоторным циклотроном был синхроциклотрон высотой 4,67 м (184 дюйма), построенный в 1940-1946 годах Лоуренсом в Калифорнийском университете в Беркли. Аппарат мог ускорить протоны до 730 миллионов электрон-вольт (МэВ). Крупнейший циклотрон - это мультимагнетический ускоритель TRIUMF 17,1 м (56 футов) в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, который может производить протоны 500 МэВ.
Более 1200 циклотронов используются в ядерной медицине во всем мире для производства радионуклидов.
История
Первый циклотрон был разработан и запатентован Эрнестом Лоуренсом в 1932 году в Калифорнийском университете в Беркли. Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших радиопередатчиков Poulsen arc, предоставленных Федеральной телеграфной компанией. Студент-выпускник, М. Стэнли Ливингстон, сделал большую часть работы по превращению оторванного от реальности концепта в реально работающий механизм. Лоуренс читал статью о концепции дрейфовой трубки linac от Rolf Widerøe, которая также работала аналогичным образом с концепцией бетатрона.
В Лаборатории радиации Калифорнийского университета в Беркли Лоуренс построил ряд циклотронов, которые в то время были самыми мощными ускорителями в мире: машина 69 см (27 дюймов) 4,8 МэВ (1932 г.), машина диаметром 94 см (37 дюймов) 8 МэВ (1937 г.) и машина шириной 16 см (16 дюймов) (1939). Он также разработал синхронизатор 467 см (184 дюйма) (1945). Лоуренс за эту работу получил Нобелевскую премию в области физики в 1939 году. Циклотрон - это один из самых первых ускорителей заряженных частиц.
Первый европейский циклотрон был собран в Ленинграде на физическом факультете Радиевого института во главе с Виталием Хлопиным. Этот ленинградский аппарат был впервые представлен в 1932 году Джорджем Гамовым и Львом Мысовским, в эксплуатацию его ввели в 1937 году. В циклотроне электрическое и магнитное ускорение всегда использовали равномерно, потому при строительстве этого ускорителя частиц всегда использовали наэлектризованный магнит. В нацистской Германии, в Гейдельберге, был построен циклотрон под наблюдением Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера при поддержке Хересваффенхамта. Он функционировал с 1943 года.
Принцип работы
Этот аппарат ускоряет пучки фотонов и заряженных частиц вплоть до скорости света, вращая их по спиралевидному пространству внутри ускорителя. Благодаря нему было открыто, что при вращении с огромной скоростью масса частиц меняется, как правило, в сторону увеличения. Циклотрон - это настоящий кладезь подобных открытий. Релятивистское увеличение массы частиц в пучке фотонов требует, как правило, либо изменения магнитного поля внутри ускорителя (так называемый изохронный циклотрон), либо к модификации его частоты (синхронный циклотрон). Благодаря своему уникальному принципу работы, этот механизм стал прототипом других похожих ускорителей таких, как Большой адронный коллайдер.
Применение и методы исследований
Дело в том, что благодаря своей способности к ускорению заряженных частиц, этот механизм используют для получения различных изотопов. Изотопы - вещь нужная в современных технических средствах, потому использование циклотрона не ограничивается только экспериментальной физикой. К примеру, его используют в медицине для получения радиоизотопов, таких как технеций-99.
Модификация
Циклотрон был улучшен по сравнению с линейными ускорителями, которые были доступны, когда он был изобретен, будучи более экономичным и пространственным, благодаря повторному взаимодействию частиц с ускоряющим полем. В 1920-х годах невозможно было создать высокомощные высокочастотные радиоволны, которые используют в современных линейных ускорителях (генерируемых клистронами). Таким образом, для частиц с более высокой энергией требовались несущественные длинные линейные структуры. Компактность циклотрона также снижает другие затраты, такие как фундаменты, радиационная защита и закрывающее здание. Циклотроны имеют один электрический драйвер, который экономит как деньги, так и мощность. Кроме того, циклотроны способны образовывать непрерывный поток частиц на мишени, поэтому средняя мощность, прошедшая от пучка частиц в мишень, относительно велика.
Какова траектория движения в циклотроне
Спиральный путь циклотронного пучка может только «синхронизировать» с источниками напряжения типа клистрон (постоянная частота), если ускоренные частицы приблизительно подчиняются законам движения Ньютона. Если частицы становятся достаточно быстрыми, что релятивистские эффекты становятся важными, луч становится вне фазы с колебательным электрическим полем и не может получить никакого дополнительного ускорения. Поэтому классический циклотрон способен только ускорять частицы до нескольких процентов от скорости света. Это и есть период обращения заряженной частицы в циклотроне. Для размещения увеличенной массы магнитное поле может быть изменено путем правильного формирования полюсных наконечников, как в изохронных циклотронах, работающих в импульсном режиме и изменяющих частоту, применяемую к делам, как в синхроциклотронах. Либо из которых ограничено снижением экономической эффективности создания больших машин.
Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротронных или современных линейных ускорителей, основанных на клистроне, которые имеют преимущество масштабируемости, предлагая больше мощности в улучшенной структуре затрат, поскольку машины становятся больше. Сами расчеты же производятся путем сопоставления мощности столкновения частиц друг с другом, которая в свою очередь зависит от того, какова траектория движения заряженной частицы в циклотроне.
