Tsüklotron on osakeste kiirendi tüüp, mille leiutas 1930. aastal Ernest Lawrence California Ülikoolist Berkeley's. See kiirendab laetud osakesi, keerutades neid ringikujuliselt, et nad korduvate kiirendussammude kaudu saavutaksid suure kineetilise energia. Esimesed tsüklotronid olid käe suurused; kaasaegsed seadmed võivad olla mitu meetrit kuni kümneid meetreid läbimõõduga ning suurte ringkiirendite puhul võivad ringid ulatuda terve hoone või linnaosasuuruseni.

Põhimõte

Tsüklotronid kasutavad risti paiknevat magnetvälja, et sundida laetud osakesed liikuma kõverdatud poolringikujudega. Osakesi paigutatakse vaakumkambrisse ja nad liiguvad kahe poolringikujulise elektroodi — nn D-elektroodide või lühidalt "deede" — vahel. Deede vahele manustatud vahelduv elektriväli (RF) kiirendab osakesi iga kord, kui need läbivad nende elektroodide vahelist lõhet.

Oluline iseloomustaja on tsüklotroni sagedus, mis mitte-relativistliku lähenemise korral sõltub magnetväljatugevusest B, osakese laengust q ja massist m vastavalt lihtsale seosele f = qB / (2πm). See tähendab, et õigel sagedusel kiirendudes liiguvad osakesed samas faasis RF-väljaga ja iga poolringi järel saavad nad lisakiirendust. Kiiruse kasvades suureneb ringi raadius, seega osakesed läbivad järjest suuremaid poolringe kuni neid suunatakse väljapääsu kaudu välja.

Peamised komponendid

  • Magnet — tekitab ühtlase risti magnetvälja, mis hoiab osakesed ringikujulisel trajektooril.
  • D-elektroodid (deed) — poolringikujulised elektroodid, mille vahel rakendatakse RF-välja; osakesed kiirenevad, kui nad lõhet läbivad.
  • RF-oscillaator — genereerib vahelduva pinge, mille faas tuleb sünkroniseerida osakeste liikumisega.
  • Sissepritse (injector) — toob alglaengu ja esialgse kiiruse tsüklotroni vaakumkambrisse.
  • Väljutusmehhanism — deflektorid, tühjendusfooliumid (stripping foil) või magnetilised väljutajad, mis suunavad kiirendatud osakesed väljundi suunas.
  • Vaakumkamber ja kaitse — tagab minimaalse kokkupõrke osakeste ja gaasimolekulidega ning valmistab ette nõutava kiirguskaitse.

Piirangud ja tehnilised arengud

Tsüklotronil on piirangud, mis tulenevad relatiivsuslikust massi kasvust: kui osakese kiirus läheneb valgusele, suureneb tema efektiivne mass ja seos f = qB/(2πm) hakkab kehtima halvasti. Tulemuseks on faasist väljavõlvumine RF-signaaliga (osakesed ei jõua õigel ajal lõhet läbida). Selle probleemi lahendamiseks on välja töötatud mitu varianti:

  • Synchrocyclotron — RF-sagedust muudetakse jooksvalt, et kompenseerida relatiivset massi ning säilitada faas.
  • Isochrooniline (avaldtud) tsüklotron — magnetvälja tugevust varieeritakse radiaalse asukoha suhtes nii, et kiirenduse faas jääks võimalikult konstantseks ka kõrgematel energiatel.
  • Negatiivsete ioonide kasutamine — negatiivseid ioone kiirendatakse ja väljutamisel läbivad need tühjendusfooliumi, mis eemaldab elektronid; see võimaldab tõhusat ja puhtamat ekstraktsiooni.

Kasutusalad

Tsüklotronid on laialdaselt kasutusel nii teadusuuringutes kui rakendustes:

  • Meditsiin — radioisotoopide tootmine (nt PET-skännerite isotoopid), samuti mõned tüüpi kiiritusravi ja protonteraapia (suuremad prootonikiirendid teraapias võivad olla spetsiaalsed tsüklotronid, tavaliselt ~70–250 MeV vahemikus).
  • Uurimisfüüsika — tuuma- ja osakestefüüsika eksperimentide allikas kõrge energiaga osakeste jaoks.
  • Industriaalsed rakendused — materjalitöötlus, kiirituslik steriliseerimine ja materjalide analüüs.
  • Neutroni- ja radioisotoopide tootmine — allikad meditsiiniliste ja tööstuslike isotopide tootmiseks.

Energia- ja suurusvahemikud

Väikesed laualabori tsüklotronid annavad mõne MeV kuni paari kümne MeV energiaid (sobivad isotoopide tootmiseks), suuremad uurimuskiirendid võivad saavutada sadu MeV. Protonteraapias kasutatakse tavaliselt ~70–250 MeV prootoneid, mis võimaldavad ravida erineva sügavusega kasvajakohti.

Ohutus ja infrastruktuur

Tsüklotronid nõuavad tugevat kiirguskaitset, korralikku vaakum- ja jahutussüsteemi ning spetsiaalset elektrivarustust. Kiirguse tõttu on tavaliselt vajalik paks betoonist või terasest varjestus ning rangelt reguleeritud tööohutus- ja radiokaitseprotseduurid.

Kokkuvõte

Tsüklotron on tõhus ja suhteliselt lihtsa põhimõttega osakeste kiirendi, mis on olnud aluseks paljudele hilisematele kiirenditüüpidele. Selle tugevuseks on võime toota stabiilselt keskmise energiaga osakesi paljude teadus- ja meditsiinirakenduste jaoks; piirangud relatiivsusliku käitumise tõttu on suunanud tehnoloogia arengut sünkhro- ja isohrooniliste lahenduste poole.