Циклотрон

Преимущества и ограничения [ править ]

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 (генерируемые клистронами).). Таким образом, для частиц более высоких энергий требовались непрактично длинные конструкции линейного ускорителя. Компактность циклотрона снижает также другие затраты, такие как фундамент, радиационная защита и ограждающее здание. Циклотроны имеют один электрический драйвер, что позволяет экономить деньги и электроэнергию. Кроме того, циклотроны способны производить непрерывный поток частиц на мишени, поэтому средняя мощность, передаваемая от пучка частиц к мишени, относительно высока. необходима цитата

М. Стэнли Ливингстон и Эрнест О. Лоуренс (справа) перед 69-сантиметровым циклотроном Лоуренса в Радиационной лаборатории Лоуренса. Изогнутый металлический каркас — это сердечник магнита, в больших цилиндрических коробках находятся 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 от скорости света. Чтобы приспособиться к увеличенной массе, магнитное поле можно модифицировать, придавая полюсным наконечникам соответствующую форму, как в изохронных циклотронах , работая в импульсном режиме и изменяя частоту, прикладываемую к деформациям, как всинхроциклотронов , любой из которых ограничен уменьшающейся экономической эффективностью создания более крупных машин. Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротронных или современных линейных ускорителей с приводом от клистрона , оба из которых имеют преимущество масштабируемости, предлагая большую мощность при улучшенной структуре затрат по мере увеличения размеров машин. необходима цитата

Использование [ править ]

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. необходима цитата

Циклотроны можно использовать в терапии частицами для лечения рака . Ионные пучки 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, дефицитный из-за трудностей на канадской реке Чок.средство. необходима цитата

История

Принцип ускорения ионов повторяющимися электрическими импульсами (линейное резонансное ускорение) был предложен шведским исследователем Густавом Изингом в 1928 году. Принцип был реализован Рольфом Видеро , норвежским исследователем, который готовил диссертацию в Университете Экса. Ла-Шапель в 1927 году. Его диссертация была опубликована в 1928 году. Видероэ не разрабатывал круговой ускоритель, идея которого, однако, была предложена ему одним из его товарищей. В то же время Макс Стенбек разработал концепцию циклотрона в компании Siemens , но у него не было средств опубликовать свое открытие или построить устройство. Первый патент на циклотрон был подан венгерским физиком Лео Сцилардом в 1929 году, когда он работал в Университете Гумбольдта в Берлине .

Во Франции Жан Тибо , тогда еще молодой исследователь в лаборатории Мориса де Бройля , узнал о диссертации Видеро в 1929 году. Он, в свою очередь, создал работающий линейный ускоритель. Но он отмечает, что для получения значительных ускорений необходимо иметь возможность построить устройство, выходящее за пределы лаборатории. Затем он спроектировал и построил в ноябре 1930 года круговой ускоритель. Он выступил с докладом на эту тему на Международном электроэнергетическом конгрессе, проходившем в Париже в 1932 году. После создания нескольких прототипов Жан Тибо отказался от этого направления исследований. Он опубликовал несколько фотографий своих циклотронов в своей книге « Сила атома» . Он никогда не пытался отстоять свои права на это открытие.

Мистер Стэнли Ливингстон и Эрнест О. Лоуренс перед своим 69- сантиметровым циклотроном в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли в 1934 году.

Эрнест Орландо Лоуренс , профессор Калифорнийского университета в Беркли , читает статью Видероэ о линейном ускорителе и воображает, что тот же принцип можно применить к круговому ускорителю. Он поручил эту реализацию своему студенту Стэнли Ливингстону, который построил первый циклотрон, введенный в эксплуатацию в 1932 году. Затем в радиационной лаборатории в Беркли Лоуренс построил серию циклотронов все большей мощности: от 69 см до 4,8 МэВ в 1932 году 94 см , 8 МэВ в 1937 г., 152 см , 19 МэВ в 1939 г. и синхроциклотрон 465 см в 1945 г. Он получил Нобелевскую премию по физике в 1939 г.

Первый европейский циклотрон построен на физическом факультете Радиевого института в Ленинграде , которым руководит Виталий Хлопин. Этот прибор, впервые предложенный Георгием Гамовым и Львом Мисовски, был изготовлен Игорем Курчатовым и введен в эксплуатацию в 1937 году. В Германии циклотрон был построен в Гейдельберге под руководством Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера и начал работать в 1943 году.

Во Франции Фредерик Жолио хотел иметь циклотрон, когда он был назначен профессором Коллеж де Франс в 1937 году. Он обратился к Лоуренсу, который прислал ему планы. Циклотрон был построен в Цюрихе и установлен в подвале нового здания College de France в 1939 году. Разработка машины была впервые приостановлена, когда немцы оккупировали Париж. Немецкий офицер, отвечающий за наблюдение за установками, оказался физиком, коллегой Фредерика Жолио. Он помогает сделать последние штрихи и ввести машину в эксплуатацию. Циклотрон производит протоны с энергией 7 МэВ . Он работал в Коллеж де Франс до 1958 года, затем в Орсе до 1966 года. Затем он был демонтирован. Магнит используется повторно. Ускорительная камера, содержащая кости, передана в дар Музею искусств и ремесел.

На смену первому циклотрону Ирен Жолио-Кюри заказывает синхроциклотрон Philips на 160 МэВ, который установлен в Институте ядерной физики Орсе . Это устройство работало с 1958 по 1975 год.

20 ноября 1968 г. циклотрон Института ядерных наук установил на научный полигон в Гренобле был введен в эксплуатацию . Он будет усовершенствован с 1978 по 1980 год за счет постускорителя с аббревиатурой SARA и использоваться до 1998 года.

Еще один синхроциклотрон на 200 МэВ спроектирован и построен в Орсе. Он работал для исследований в период с 1978 по 1990 год, затем для протонной терапии с 1990 по 2010 год. В 2010 году циклотрон IBA C230 был установлен в новом центре протонной терапии в Орсе.

В 1963 году под кодовым названием «Проект Дракона» исследователь Анри-Поль Лендерс из Air Liquide разработал первый французский циклотрон.

Циклотрон TRIUMF, самый большой циклотрон в мире, построенный в 1968 году в Ванкувере , Канада , с радиусом 7,9 м , произвел в 2010 году протоны, которые достигают 3/4 скорости света, то есть энергии 520 МэВ . Циклотронное кольцо в Институте Пауля Шеррера в Виллигене , Швейцария , более мощное, потому что оно ускоряет протоны до 590 МэВ , и меньше, потому что оно использует более сильное магнитное поле.

Блокадные будни Курчатова

Часть института во главе с Иоффе эвакуировалась в Казань. Будущий научный руководитель советского атомного проекта Игорь Курчатов остался в блокадном городе, как и многие другие физтеховцы, и сосредоточил свои усилия на текущих задачах обороны. В институте была создана технология размагничивания кораблей, что делало их невидимыми для вражеских мин; созданные в Физтехе радары сделали неэффективными авианалеты на город. «Радары стояли в районе Токсово, они улавливали за 150 километров подлет вражеских самолетов. И немцы сильно удивлялись, почему их встречают наши самолеты, летящие навстречу, рассказывает Рената Федоровна, сама ребенком пережившая блокаду. — Фашисты поняли: бомбежками нас не сломать. Благодаря радарам город был разрушен только со стороны Пулковских высот, откуда била артиллерия».

Работа на физтеховском циклотроне ведется и сейчас. В 2015 году, после очередной модернизации, циклотрону был присвоен статус «Уникальная научная установка». Его загрузка достигает 1400 часов в год

Здание института и циклотрон в блокаду не пострадали. Установка была законсервирована. Ее охраняла специальная военная часть.

Но несмотря на всю тяжесть начального этапа войны, об атомном проекте не забыли. Двадцать восьмого сентября вышло постановление Государственного комитета обороны об организации работ по урану. А как только 19 января 1943 года блокада Ленинграда была прорвана, Игоря Курчатова немедленно вывезли в Москву, где он создал и возглавил Лабораторию номер 2 — именно там были осуществлены важнейшие разработки по созданию советской атомной бомбы.

Одновременно в 1943 году 11 сотрудников Физтеха были переведены из Казани в Москву под руководство Курчатова. В столицу были также переправлены детали ленинградского циклотрона, для чего по льду Ладоги была проложена железная дорога.

Физик-экспериментатор Леонид Неменов и инженер-электрик Петр Глазунов были премированы одной тысячей рублей за перевозку из блокадного Ленинграда в Москву основных узлов физтеховского циклотрона, так как это значительно ускорило работы в Москве: в условиях войны не было возможности заново изготовить детали циклотрона для развертывания экспериментов в столице.

«Циклотрон ФТИ им. А.Ф. Иоффе» запущен в 1946 г. и после неоднократных серьезных модернизаций в 2015 г. получил статус Уникальной Научной Установки (УНУ)

ioffe.ru

«Почти» растянулось на пятилетку

Вот как увидел корреспондент «Правды» грандиозный научный объект: «На территории Физико-технического института Академии наук СССР недавно построено здание, похожее на планетарий. Продолговатый корпус здания увенчан куполом. Это — первая в Советском Союзе мощная циклотронная лаборатория для расщепления атомного ядра».

Здесь с коллегой можно поспорить. В расположенном по соседству Радиевом институте им. В. Г. Хлопина циклотрон был пущен в 1937 году. Он стал первым подобным сооружением в Европе, но масштаб был действительно скромнее. А самый первый циклотрон был создан в 1930 году американскими физиками Эрнестом Лоуренсом, обладателем Нобелевской премии по физике 1939 года как раз за создание циклотрона, и участником проекта по созданию атомной бомбы и его коллегой Милтоном Ливингстоном. Созданный ими первый ускоритель был миниатюрным, диаметром всего десять сантиметров и энергией 80 кэВ. Затем размеры и мощности циклотронов росли.

Магнит так не был установлен, и циклотрон не был запущен ни в июне, ни в июле. Это произошло только в ноябре 1946 года. Война приостановила фундаментальные исследования, для которых создавался циклотрон, и переориентировала научные умы на решение задач обороны

Возвращаясь к публикации «Правды», мы видим, что заведующий лабораторией Леонид Неменов рассказал репортеру о назначении циклотрона. «Изучение строения атомного ядра представляет собой одну из наиболее интересных задач современной физики. При исследовании атомного ядра в течение последних лет был сделан ряд крупных открытий, которые пролили свет на строение матери… изучение атомного ядра требует применения частиц с очень большой скоростью, достигающей нескольких десятков тысяч километров в секунду. Наиболее эффективным прибором, позволяющим получать частицы с очень большой скоростью, является циклотрон. Кроме чисто научного значения, излучения циклотрона могут быть использованы в области физиологии и медицины».

Далее репортер «Правды» описывает происходящее на научной стройплощадке: «Сейчас в новом здании устанавливаются электрические агрегаты, монтируется оборудование. В машинном зале уже стоит генератор мощностью 120 киловатт. Через люк в потолке на бетонный фундамент спускаются детали второго генератора. В соседнем помещении смонтирован огромный распределительный щит, внушительное впечатление производит круглый зал, построенный целиком из железа и стекла. Он покоится на восьми массивных колоннах. В ближайшее время здесь будет установлен 75-тонный электромагнит высотой около 4 метров, диаметр его полюсов 1200 миллиметров. Под куполом зала две мощные подкрановые балки. Скоро на них лягут рельсы и придут в движение крановые тележки грузоподъемностью в 25 тонн. В глубокой нише смонтирован коротковолновый высокочастотный генератор».

Магнит так и не был установлен, и циклотрон не был запущен ни в июне, ни в июле. Это произошло только в ноябре 1946 года. Война приостановила фундаментальные исследования, для которых создавался циклотрон, и переориентировала научные умы на решение задач обороны.

Игорь Васильевич Курчатов в Ленинграде

mipt-museum.ru

ТПУ

Для развития исследований в области ядерной физики крупнейшие вузы страны оснащались новыми ядерно-физическими установками, в том числе циклотронами. Одним из таких вузов являлся и Томский политехнический институт с его физико-техническим факультетом. Циклотронная лаборатория была создана в 1957 г. на физико-техническом факультете, а в 1958 г., когда был организован НИИ ядерной физики, она была включена сектор нейтронной физики института.

Циклотронная установка Р-7 с диаметром полюсов 120 см. и фазотронной приставкой Р-7А, позволяющая ускорять протоны до энергии 33 МэВ, разработана НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург) и изготовлена на одном из заводов объединения «Электросила» в 1956 г. В начале 1959 г. она была запущена в фазотроном режиме, а в ноябре 1959 г. был осуществлен физический запуск в циклотронном варианте с фиксированной энергией дейтронов и ионов водорода 13,6 МэВ, двухзарядных ионов гелия – 27,2 МэВ.

Физические исследования на циклотроне начались в 1961 г. Основными направлениями на начальном этапе были:

-взаимодействие и рассеяние заряженных частиц на легких и средних ядрах;

-радиационная физика;

-прохождение заряженных частиц через вещество;

-активационный анализ на заряженных частицах.

Последнее направление исследовательских работ диктовалось и региональными задачами проведения большого количества анализов поисковых геологических изысканий в районах Сибири и Дальнего Востока.

Начиная с 1969 г., поэтапно был проведен комплекс работ по модернизации самого ускорителя и реконструкции отдельных его узлов. В результате удалось в 10-20 раз увеличить ток пучка на внутренней мишени, в 8-10 раз поднять плоскость пучка на удаленной мишени и значительно улучшить энергетической разрешение. Все это обеспечило надежную и непрерывную работу с пучком свыше 6000 часов в год. Введенная «веерная» система разводки пучка по пяти каналам позволила экспериментаторам наиболее эффективно использовать пучковое время.
В 1971 г. циклотрон был переведен в режим работы с плавным регулированием энергии ускоренных ионов, и появилась возможность ускорять многозарядные ионы тяжелых газов, например, углерода, азота, кислорода. Циклотрон имел характеристики, лучшие среди подобных циклотронов в других центрах.
Результаты работы института по модернизации циклотрона были использованы в других центрах страны, таких, как НИИ ЯФ МГУ, УПИ.

Проводившиеся в конце 60-х гг. на циклотроне работы по нейтронной тематике позволили в начале 80-х гг. в короткие сроки организовать на базе циклотрона совместно с НИИ онкологии ТНЦ АМ РФ второй в России медико-биологический комплекс для проведения дистанционной терапии злокачественных опухолей. Начиная с 1983 г., было проведено лечение свыше 200 больных, получен первый отечественный опыт применения быстрых нейтронов при регулярном лечении онкологических больных с различными формами опухолей.
В 1987 г. на циклотроне были проведены работы по получению короткоживущего радионуклида таллия-199 и нового отечественного препарата таллий-хлорида для радионуклидной перфузионной сцинтиграфии миокарда.

Электростатический генератор на энергию 2,5 МэВ может ускорять или электроны, или ионы. Первый ионный пучок на нем был получен в 1964 г. До 1978 г. ускоритель работал в электронном варианте, и на нем проводились исследования по радиационной физике. В связи с развитием ядерно-физических методов элементного и структурного анализа ускоритель снова переведен в режим ускорения ионов. Для пучков с одинаковой энергией 2,3 МэВ ток пучка составляет для электронов – 150, гелия-4 – 15, водорода – 20 мкА.

С 1968 г. на базе электростатического ускорителя работает единственная в стране установка для получения ионного микрозонда. Фокусирующая система на основе магнитного квадруплета обеспечивает возможность получения пучков протонов и альфа-частиц с диаметром до 10 мкм. В сочетании с ядерно-физическими методами элементного и структурного анализа ионный микрозонд существенно расширяет пространственное разрешение, элементную чувствительность и позволяет разрабатывать принципиально новые методы локального анализа и модификации материалов.

Операция

Вакуумная камера снята с магнита первого французского циклотрона, установленного в Коллеж де Франс в 1937 году Фредериком Жолио-Кюри . Угадываем кости через стекло.
Музей искусств и ремесел — Cnam , Париж.

Структура устройства

Циклотрон — это устройство, состоящее из трех основных элементов:

цилиндрическая вакуумная камера (своего рода коробка для пирога), диаметр которой намного больше высоты, расположенная горизонтально, где заряженные частицы циркулируют по круговым путям.
электроды в форме полуцилиндров или D, называемые Dices (или Dees по-английски), помещенные внутри вакуумной камеры и питаемые высоким напряжением от высокочастотного электрического генератора.
мощный электромагнит, создающий постоянное магнитное поле, перпендикулярное плоскости траектории заряженных частиц и однородное по всей поверхности вакуумной камеры.

К этому устройству мы должны добавить:

один или несколько источников заряженных частиц, которые вводятся с низкой энергией в центр вакуумной камеры.
один или несколько выходов в каналах пучка, которые направляют ускоренные частицы к своим целям.
вакуумный блок, который поддерживает все пространства для циркуляции ионов под высоким вакуумом.
системы охлаждения, которые охлаждают как магнит, так и игральные кости.

Принцип действия

Работа циклотрона анимирована в справочнике.

Циклотроны были разработаны для ускорения частиц с нерелятивистскими скоростями , то есть намного ниже скорости света . В этих условиях частицы массы , заряда и скорости , циркулирующие по круговой траектории радиуса , подвергаются действию двух антагонистических сил — центробежной силы .
м{\ Displaystyle м \;}q{\ displaystyle q \,}v{\ Displaystyle v \;}р{\ Displaystyle г \,}FПРОТИВ{\ Displaystyle F_ {C} \;}

Принципиальная схема циклотрона.

FПРОТИВзнак равномv2р{\ displaystyle F_ {C} = {mv ^ {2} \ over r} \;}

и центростремительная сила, создаваемая силой Лоренца магнитного поля .
B{\ Displaystyle B \,}

FBзнак равноqvB{\ Displaystyle F_ {B} = qvB \;}

Согласно основному принципу динамики , = поэтому:
FПРОТИВ{\ Displaystyle F_ {C} \;}FB{\ Displaystyle F_ {B} \,}

мvзнак равноqBр{\ Displaystyle mv = qBr \;}

Из этого уравнения следует, что:

Радиус ( гирорадиус ) траектории частицы равен:

рзнак равномvqB{\ displaystyle r = {mv \ over qB} \;}

Пульсация и частота вращения частиц не зависят от радиуса траектории и линейной скорости частиц:ωпротивзнак равноvр{\ displaystyle {\ omega _ {c}} = {\ frac {v} {r}} \;}жпротивзнак равноωпротив2π{\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {\ omega _ {c}} {2 \ pi}} \;}

жпротивзнак равноv2πрзнак равноqB2πм{\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {v} {2 \ pi r}} = {\ frac {qB} {2 \ pi m}} \;}

Частота называется циклотронной частотой . Это зависит только от магнитного поля и типа ускоряемой частицы. Частота электрического переменного поля , приложенного к кости прикреплена к циклотронной частоте: . Таким образом, с каждым разворотом частицы получают импульс ускорения при прохождении между кубиками, их скорость увеличивается, а радиус их траектории увеличивается, но время прохождения по орбите остается постоянным и равным. В течение периода вращения . Вот почему циклотрон называется изохронным .жпротив{\ displaystyle f_ {c} \;}же{\ displaystyle f_ {e} \;}жезнак равножпротив{\ displaystyle f_ {e} = f_ {c} \;}Тпротивзнак равно1жпротив{\ displaystyle T_ {c} = {\ frac {1} {f_ {c}}} \;}

Максимальная скорость достигается, когда частицы циркулируют по периферии игральной кости, то есть когда :vмвИкс,{\ displaystyle v_ {max},}рзнак равнор{\ Displaystyle г \; = \; R}

vмвИксзнак равноqBрм{\ displaystyle v_ {max} = {qBR \ over m} \,}

Кинетическая энергия частиц на выходе из циклотрона равна:

EПРОТИВзнак равно12мvмвИкс2знак равноq2B2р22м{\ displaystyle E_ {C} = {1 \ over 2} mv_ {max} ^ {2} = {\ frac {q ^ {2} B ^ {2} R ^ {2}} {2m}} \;}

Для частицы данной массы энергия зависит от напряженности магнитного поля и диаметра полюсов магнита, ограничивающих поверхность, пересекаемую магнитным полем. Для ферромагнитного электромагнита поле ограничено до 2 Тл. Поэтому для получения высоких энергий необходимо создавать магниты большого диаметра. Таким образом, в 1942 году Лоуренс построил серию все более крупных циклотронов, достигнув 4,40 м в диаметре.

Предыстория

Ядерная группа была создана в Физтехе в 1932 году. В институте регулярно проходили семинары ядерщиков и крупные международные конференции. Однако, как только ученые всего мира подошли к пониманию, какую мощную энергию таит в себе расщепление атомного ядра, международное общение было моментально свернуто, публикационная активность по этой теме упала до нуля — наработки в области исследования атомной энергии были засекречены. Исследования продолжили три изолированные друг от друга группы — американо-британская, немецкая и советская (о японском атомном проекте, остановившемся в самом начале дистанции, мы расскажем отдельно)

Академик Георгий Флеров, бывший физтеховец, впоследствии не раз обращал внимание советского правительства на свертывание международного общения по проблеме изучения атомной энергии.

Циклотрон начали строить в 1937 году. Седьмого июля этого года заведующие ядерными лабораториями Физтеха Игорь Курчатов и Абрам Алиханов написали письмо начальнику главного управления наркомата оборонной промышленности Николаю Синявскому, в котором подчеркнули, что «за последние четыре-пять лет проблема атомного ядра заняла центральное место в современной физике. Почти все наиболее крупные научно-исследовательские институты Европы и Америки включили в программы своих работ исследовании по атомному ядру, а некоторые из них целиком посвятили свою деятельность этой проблеме».

В письме Курчатова и Алиханова в наркомат оборонной промышленности 1937 года ученые сообщали о достигнутых в Физтехе результатах и своих потребностях для продолжения исследований: «ЛФТИ в 1932 году Наркомтяжпромом было выделено 100 000 рублей на создание первоначальной небольшой материальной базы для этих работ. За истекшее пятилетие ядерная группа ЛФТИ по ряду вопросов выдвинулась на передовые места в мировой науке. Сюда следует отнести в первую очередь работы по образованию позитронов в процессах внутренней конверсии и исследования бета-спектров радиоактивных элементов. Однако уже в 1934 году сказалась на работе весьма примитивная техническая база, которой располагала ядерная группа ЛФТИ. Эта база должна быть расширена». С этого обращения началась история строительства циклотрона. Пятого марта 1938 года в правительство, к Вячеславу Молотову, обращаются уже академики Абрам Иоффе и Яков Френкель с просьбой «выделись 2 грамма радия во временное пользование и создать все условия для окончания строительства циклотрона к 1 января 1939 года».

Циклотронная лаборатория ФТИ

wikimapia.org

Известные примеры [ править ]

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, а магнитопровод 23 МГц 94 кВ.электрическое поле используется для ускорения пучка 300 мкА. Поле TRIUMF имеет радиус от 0 до 813 см (от 0 до 320 дюймов) с максимальным радиусом луча 790 см (310 дюймов). Его большой размер частично является результатом использования отрицательных ионов водорода, а не протонов; для этого требуется более низкое магнитное поле, чтобы уменьшить электромагнитное срывание слабосвязанных электронов. Преимущество состоит в том, что извлечение проще; Многоэнергетические, многолучевые лучи можно извлечь, вставив тонкую углеродную пленку с соответствующими радиусами. TRIUMF управляется консорциумом восемнадцати канадских университетов и находится в Университете Британской Колумбии. необходима цитата

Принцип работы [ править ]

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 помещены в плоскую вакуумную камеру , которая установлена в узком зазоре между двумя большого магнита.

Циклотрон ускоряет пучок заряженных частиц с помощью высокочастотного переменного напряжения, которое прикладывают между двумя полыми электродами из листового металла в форме буквы «D», называемыми «деэ», внутри вакуумной камеры. Деи 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 постоянное магнитное поле B, перпендикулярное плоскости электрода. Магнитное поле заставляет частицы изгибаться по окружности из-за силы Лоренца.перпендикулярно направлению их движения. необходима цитата

Если бы скорости частиц были постоянными, они бы двигались по круговой траектории внутри деэ под действием магнитного поля. Однако между диодами подается 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.

жзнак равноqB2πм{\ 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 оборотом, поэтому частицы движутся по спирали.путь наружу от центра к краю дуги. Когда они достигают обода, небольшое напряжение на металлической пластине отклоняет луч, так что он выходит из диафрагм через небольшой промежуток между ними и поражает цель, расположенную в точке выхода на ободе камеры, или покидает циклотрон через откачанный лучевая трубка для поражения удаленной цели. Для мишени могут использоваться различные материалы, и ядерные реакции из-за столкновений будут создавать вторичные частицы, которые можно направлять за пределы циклотрона в инструменты для анализа. необходима цитата

Циклотрон был первым «циклическим» ускорителем. Преимущество циклотронной конструкции перед существующими электростатическими ускорителями того времени, такими как ускоритель Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа , заключалось 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 во время своего спирального пути и поэтому многократно ускоряются поэтому выходная энергия может во много раз превышать ускоряющее напряжение. необходима цитата

Циклотрон: принцип действия

Циклотрон — резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещённых в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой). При не слишком больших (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же момент времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения образует плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. Поскольку задающее орбиту пучка магнитное поле неизменно, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения частиц также не меняет параметров, циклотрон может работать в непрерывном режиме: все витки спирали заполнены частицами пучка ионов. В горизонтальной плоскости частицы автоматически фокусируются в однородном магнитном поле. В вертикальном направлении фокусировка происходит за счёт неоднородности электрического поля в ускоряющем зазоре. Действительно, если частица смещена по вертикали из медианной плоскости, то на входе в ускоряющий зазор она испытает толчок в сторону медианной плоскости вертикальной компонентой краевого электрического поля. На выходе толчок будет обратного знака, но меньшей силы, за счёт конечного смещения частицы. На внешнем радиусе циклотрона, где магнитное поле спадает, происходит дополнительная фокусировка по обеим координатам за счёт линейного градиента поля.

Полезность

Циклотрон — это ускоритель частиц минимального размера: порядка 6 м 3 . Он позволяет производить радиоактивные изотопы , в частности кислород 15 ( 15 O), углерод 11 ( 11 C), азот 13 ( 13 N) и фтор 18 ( 18 F), которые используются, в частности, в медицине. Изотопы получают путем облучения мишени протонами, ускоренными циклотроном.

Фтор 18 (изотоп с коротким периодом полураспада: 109 минут) позволяет производить фтордезоксиглюкозу (ФДГ), радиоактивный сахар, который не может быть использован клеткой, который будет накапливаться преимущественно в раковых областях, которые потребляют много глюкозы. Позитронно — эмиссионной томографии (ПЭТ) позволит обнаружить некоторые виды рака в особо тонкой пути , а затем обработать их на очень ранних стадиях.