Циклотрон – це прискорювач важких частинок (іонів і протонів). Він розганяє їх по спіральній траєкторії. Частинки утримуються спіральної траєкторією статичним магнітним полем і прискорюються швидко мінливих (радіочастотним) електричним полем. Ернест О. Лоуренс був удостоєний Нобелівської премії 1939 року з фізики за цей винахід.
Переваги
Циклотроны були самою потужною технологією прискорювачів частинок до 1950-х років, коли вони були замінені синхротроном. Вони до цих пір використовуються для створення пучків частинок у фізиці та ядерній медицині. Найбільшим одномоторным циклотроном був синхроциклотрон висотою 4,67 м (184 дюйма), побудований в 1940-1946 роках Лоуренсом в Каліфорнійському університеті в Берклі. Апарат міг прискорити протони до 730 мільйонів електрон-вольт (Мев). Найбільший циклотрон – це мультимагнетический прискорювач TRIUMF 17,1 м (56 футів) в Університеті Британської Колумбії у Ванкувері, який може виробляти протони 500 Мев.
Більше 1200 циклотронів використовуються в ядерній медицині в усьому світі для виробництва радіонуклідів.
Історія
Перший циклотрон був розроблений і запатентований Ернестом Лоуренсом в 1932 році в Каліфорнійському університеті в Берклі. Він використовував великі електромагніти, перероблені з застарілих радіопередавачів Poulsen arc, наданих Федеральної телеграфної компанією. Студент-випускник, М. Стенлі Лівінгстон, зробив велику частину роботи по перетворенню відірваного від реальності концепту в реально працюючий механізм. Лоуренс читав статтю про концепції дрейфової трубки linac від Rolf Widerøe, яка також працювала аналогічним чином з концепцією бетатрона.
В Лабораторії радіації Каліфорнійського університету в Берклі Лоуренс побудував ряд циклотронів, які в той час були найбільш потужними прискорювачами в світі: машина 69 см (27 дюймів) 4,8 Мев (1932), машина діаметром 94 см (37 дюймів) 8 Мев (1937 р.) і машина шириною 16 см (16 дюймів) (1939). Він також розробив синхронізатор 467 см (184 дюйма) (1945). Лоуренс за цю роботу отримав Нобелівську премію в області фізики в 1939 році. Циклотрон – це один з самих перших прискорювачів заряджених частинок.
Перший європейський циклотрон був зібраний в Ленінграді на фізичному факультеті Радієвого інституту на чолі з Віталієм Хлопиным. Цей ленінградський апарат був вперше представлений в 1932 році Джорджем Гамовим і Левом Мисовська, в експлуатацію його ввели в 1937 році. В циклотроні електричне і магнітне прискорення завжди використовували рівномірно, тому при будівництві цього прискорювача частинок завжди використовували наелектризований магніт. У нацистській Німеччині, в Гейдельберзі, був побудований циклотрон під наглядом Вальтер Боте і Вольфганга Гентнер за підтримки Хересваффенхамта. Він функціонував з 1943 року.
Принцип роботи
Цей апарат прискорює пучки фотонів і заряджених частинок аж до швидкості світла, обертаючи їх за спиралевидному простору усередині прискорювача. Завдяки йому було відкрито, що при обертанні з величезною швидкістю маса частинок змінюється, як правило, у бік збільшення. Циклотрон – це справжнє джерело подібних відкриттів. Релятивістський збільшення маси частинок в пучку фотонів вимагає, як правило, або зміни магнітного поля усередині прискорювача (так званий ізохронний циклотрон), або до модифікації його частоти (синхронний циклотрон). Завдяки своєму унікальному принципом роботи, цей механізм став прототипом інших схожих прискорювачів таких, як Великий адронний коллайдер.
Застосування і методи досліджень
Справа в тому, що завдяки своїй здатності до прискорення заряджених частинок, цей механізм використовують для отримання різних ізотопів. Ізотопи – річ потрібна в сучасних технічних засобах, тому використання циклотрона не обмежується тільки експериментальною фізикою. Наприклад, його використовують у медицині для отримання радіоізотопів, таких як технецій-99.
Модифікація
Циклотрон був поліпшений у порівнянні з лінійними прискорювачами, які були доступні, коли він був винайдений, будучи більш економічним і просторовим, завдяки повторному взаємодії частинок з прискорюючою полем. У 1920-х роках неможливо було створити високопотужні високочастотні радіохвилі, які використовують у сучасних лінійних прискорювачах (генеруються клистронами). Таким чином, для частинок з більш високою енергією потрібні були несуттєві довгі лінійні структури. Компактність циклотрона також знижує інші витрати, такі як фундаменти, радіаційний захист і закриває будівлю. Циклотроны мають один електричний драйвер, який економить як гроші, так і потужність. Крім того, циклотроны здатні утворювати неперервний потік частинок на мішені, тому середня потужність, що пройшла від пучка частинок в мішень, відносно велика.
Яка траєкторія руху в циклотроні
Спіральний шлях циклотронного пучка може тільки «синхронізувати» з джерелами напруги типу клистрон (постійна частота), якщо прискорені частинки приблизно підкоряються законам руху Ньютона. Якщо частинки стають досить швидкими, що релятивістські ефекти стають важливими, промінь стає поза фазою з коливальним електричним полем і не може отримати ніякого додаткового прискорення. Тому класичний циклотрон здатний тільки прискорювати частинки до декількох відсотків від швидкості світла. Це і є період обертання зарядженої частинки в циклотроні. Для розміщення збільшеної маси магнітне поле може бути змінено шляхом правильного формування полюсних наконечників, як в ізохронних циклотронах, що працюють в імпульсному режимі і змінюють частоту, яка застосовується до справ, як у синхроциклотронах. Або з яких обмежено зниженням економічної ефективності створення великих машин.
Обмеження щодо вартості були подолані за рахунок використання більш складних синхротронных або сучасних лінійних прискорювачів, заснованих на клістроні, які мають перевагу масштабованості, пропонуючи більше потужності в покращеній структурі витрат, оскільки машини стають більше. Самі розрахунки ж виробляються шляхом зіставлення потужності зіткнення частинок один з одним, яка в свою чергу залежить від того, яка траєкторія руху зарядженої частинки в циклотроні.
