Tsüklotron: osakeste kiirendi — põhimõte ja kasutusalad

Avasta tsüklotron: kuidas osakeste kiirendi töötab, ajalugu, tehnoloogia ning praktilised kasutusalad meditsiinis, teaduses ja tööstuses.

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.

Kaasaegne tsüklotron kiiritusravi jaoks

Tsüklotroni sagedus

Tsüklotronis liikuv laeng liigub konstantse magnetvälja mõjul ringikujulisel teel. Kui arvutatakse ühe orbiidi läbimise aeg:

T = π2 r v = π 2m v q B v = π 2m q B {\displaystyle T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}} $T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}$ .

Leitakse, et periood ei sõltu raadiusest. Seega, kui rakendatakse ruutlaine nurksagedusega qB/m, siis laeng pöörleb spiraalselt väljapoole, suurendades kiirust.

Kui magnetpooluste kahe külje vahele rakendatakse ruudulaine nurksagedusega ω=qB/m, siis kiirendatakse laengut just õigel ajal uuesti, et kiirendada seda üle lõhe. Seega võib konstantne tsüklotronsagedus jätkata laengu kiirendamist (seni, kuni see ei ole relativistlik).

Küsimused ja vastused

K: Mis on tsüklotron?

V: Tsüklotron on teatud tüüpi osakeste kiirendi, mis kiirendab laetud osakesi, keerutades neid ringiratast.

K: Kes leiutas tsüklotroni?

V: Ernest Lawrence California Ülikoolist Berkeley's leiutas tsüklotroni 1930. aastal.

K: Kuidas töötab tsüklotron?

V: Tsüklotronid kasutavad risti magnetvälja, et painutada elektrivälja abil elektrone ja osakesi poolringikujulisele teele. Rakendatud elektriväli kiirendab elektrone magnetvälja piirkonna D-elektroodide (mida nimetatakse ka "deeks") vahel. Kiirendav elektriväli pöördub just siis, kui elektronid lõpetavad oma poolringi, nii et see kiirendab neid üle lõhe. Suurema kiirusega liiguvad nad suurema poolringi ulatuses. Pärast selle protsessi kordamist mitu korda tulevad nad suure kiirusega väljumisava välja.

K: Milline on varajase tsüklotroni suurus?

V: Varased tsüklotronid olid käe suurused.

K: Kui suured on tänapäeva ringkiirendid?

V: Mõned kaasaegsed ringkiirendid kasutavad linna laiust ringi.

K: Millist välja kasutatakse tsüklotronites?

V: Tsüklotronid kasutavad risti magnetvälja, et painutada elektrivälja abil elektrone ja osakesi poolringikujulisele teele.

K: Kuidas kiirendatakse elektrone tsüklotronis?

V: Elektronid kiirendatakse magnetvälja piirkonna D-elektroodide (mida nimetatakse ka "deeks") vahel rakendatud elektrivälja abil.