Циклотрон

Тип ускорителя частиц

60-дюймовый (152 см) циклотрон Лоуренса, ок.  1939 год : луч ускоренных ионов (вероятно, протонов или дейтронов ), выходящий из машины и ионизирующий окружающий воздух, вызывающий голубое свечение.

Циклотрон — это тип ускорителя частиц , изобретенный Эрнестом Лоуренсом в 1929–1930 годах в Калифорнийском университете в Беркли ^{[1] [2]} и запатентованный в 1932 году. ^{[3] [4]} Циклотрон ускоряет заряженные частицы наружу от центра . плоской цилиндрической вакуумной камеры по спиральной траектории. ^{[5] [6]} Частицы удерживаются на спиральной траектории статическим магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся электрическим полем . За это изобретение Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 года . ^{[6] [7]}

Циклотрон был первым «циклическим» ускорителем. ^[8] Основными ускорителями до разработки циклотрона были электростатические ускорители , такие как генератор Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа . В этих ускорителях частицы пересекали ускоряющее электрическое поле только один раз. Таким образом, энергия, полученная частицами, была ограничена максимальным электрическим потенциалом , который мог быть достигнут в ускоряющей области. Этот потенциал, в свою очередь, был ограничен электростатическим пробоем до нескольких миллионов вольт. В циклотроне, напротив, частицы сталкиваются с областью ускорения много раз, следуя по спиральной траектории, поэтому выходная энергия может во много раз превышать энергию, полученную за один этап ускорения. ^[4]

Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда их превзошёл синхротрон . ^[9] Тем не менее, они по-прежнему широко используются для производства пучков частиц для ядерной медицины и фундаментальных исследований. По состоянию на 2020 год во всем мире для производства радионуклидов для ядерной медицины использовалось около 1500 циклотронов . ^[10] Кроме того, циклотроны можно использовать для терапии частицами , когда пучки частиц воздействуют непосредственно на пациентов. ^[10]

История

Оригинальный циклотрон Лоуренса диаметром 4,5 дюйма (11 см).

Магнитное ярмо для 37-дюймового (94 см) циклотрона на территории Зала науки Лоуренса, Беркли, Калифорния.

В 1927 году, будучи студентом Киля, немецкий физик Макс Штеенбек первым сформулировал концепцию циклотрона, но ему не хотелось развивать эту идею дальше. ^[11] В конце 1928 и начале 1929 года венгерский физик Лео Сцилард подал в Германии патентные заявки на линейный ускоритель , циклотрон и бетатрон . ^[12] В этих приложениях Сцилард стал первым человеком, который обсудил условие резонанса (то, что сейчас называется циклотронной частотой) для кругового ускорительного устройства. Однако ни идеи Стенбека, ни патентные заявки Сциларда никогда не были опубликованы и, следовательно, не способствовали развитию циклотрона. ^[13] Несколько месяцев спустя, в начале лета 1929 года, Эрнест Лоуренс независимо придумал концепцию циклотрона после прочтения статьи Рольфа Видероэ, описывающей ускоритель с дрейфовой трубкой. ^{[14] [15] [16]} Он опубликовал статью в журнале Science в 1930 году (первое опубликованное описание концепции циклотрона) после того, как его студент построил грубую модель в апреле того же года. ^[17] Он запатентовал устройство в 1932 году. ^{[4] [18]}

Чтобы сконструировать первое такое устройство, Лоуренс использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших дуговых преобразователей, предоставленных Федеральной телеграфной компанией . ^[19] Ему помогал аспирант М. Стэнли Ливингстон . Их первый рабочий циклотрон вступил в строй в январе 1931 года. Эта машина имела радиус 4,5 дюйма (11 см) и ускоряла протоны до энергии до 80  кэВ . ^[20]

В радиационной лаборатории на территории Калифорнийского университета в Беркли (ныне Национальная лаборатория Лоуренса Беркли ) Лоуренс и его сотрудники построили серию циклотронов, которые в то время были самыми мощными ускорителями в мире; машина 27 дюймов (69 см) на 4,8 МэВ (1932 г.), машина 37 дюймов (94 см) на 8 МэВ (1937 г.) и машина 60 дюймов (152 см) на 16 МэВ (1939 г.). Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике 1939 года за изобретение и разработку циклотрона, а также за результаты, полученные с его помощью. ^[21]

Первый европейский циклотрон был построен в Советском Союзе на физическом факультете Радиевого института имени В. Г. Хлопина в Ленинграде , которым руководил  Виталий Хлопин . Этот ленинградский инструмент был впервые предложен в 1932 году Георгием Гамовым и Львом Мысовским  [ru] и был установлен и вступил в строй к 1937 году. ^{[22] [23] [24]}

Два циклотрона были построены в нацистской Германии . ^[25] Первый был построен в 1937 году в лаборатории Отто Хана в Институте кайзера Вильгельма в Берлине и также использовался Рудольфом Флейшманом . Это был первый циклотрон с умножителем Грейнахера , позволяющий повышать напряжение до 2,8 МВ и ток 3 мА. Второй циклотрон был построен в Гейдельберге под руководством Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера при поддержке Heereswaffenamt и вступил в строй в 1943 году ^.

К концу 1930-х годов стало ясно, что существует практический предел энергии пучка, которого можно было достичь с помощью традиционной конструкции циклотрона, из-за эффектов специальной теории относительности . ^[27] Когда частицы достигают релятивистских скоростей, их эффективная масса увеличивается, что приводит к изменению резонансной частоты для данного магнитного поля. Чтобы решить эту проблему и достичь более высоких энергий пучка с помощью циклотронов, были приняты два основных подхода: синхроциклотроны (которые поддерживают постоянное магнитное поле, но уменьшают ускоряющую частоту) и изохронные циклотроны (которые поддерживают постоянную ускоряющую частоту, но изменяют магнитное поле). . ^[28]

Команда Лоуренса построила один из первых синхроциклотронов в 1946 году. Эта машина размером 184 дюйма (4,7 м) в конечном итоге достигла максимальной энергии пучка протонов 350 МэВ. Однако синхроциклотроны страдают от низкой интенсивности луча (< 1 мкА) и должны работать в «импульсном» режиме, что еще больше уменьшает доступный общий луч. Таким образом, по популярности их быстро обогнали изохронные циклотроны. ^[28]

Первый изохронный циклотрон (кроме засекреченных прототипов) был построен Ф. Хейном и К. Т. Хое в Делфте, Нидерланды, в 1956 году ^. методы постепенно совершенствовались, конструкция циклотронов «спираль-сектор» позволила ускорять и управлять более мощными пучками. Более поздние разработки включали использование более мощных сверхпроводящих магнитов и разделение магнитов на отдельные сектора, а не на один большой магнит. ^[28]

Принцип действия

Схема циклотрона. Полюсные наконечники магнита показаны меньшими, чем на самом деле; на самом деле они должны быть по крайней мере такой же ширины, как ускоряющие электроды («ди»), чтобы создать однородное поле.

Циклотронный принцип

Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года. D-образные электроды (слева) заключены в плоскую вакуумную камеру , которая установлена ​​в узком зазоре между двумя полюсами большого магнита (справа).

Вакуумная камера циклотрона Лоуренса 69 см (27 дюймов) 1932 года со снятой крышкой, на которой видны Ди. ВЧ-ускоряющий потенциал напряжением 13 000 В на частоте около 27 МГц подается на электроды с помощью двух линий питания, видимых вверху справа. Луч выходит из стволов и поражает цель в камере внизу.

В ускорителе частиц заряженные частицы ускоряются путем приложения электрического поля через зазор. Сила, действующая на частицу, пересекающую этот зазор, определяется законом силы Лоренца :

$${\displaystyle \mathbf {F} =q[\mathbf {E} +(\mathbf {v} \times \mathbf {B} )]}$$

где q — заряд частицы, E — электрическое поле , v — скорость частицы , а B — плотность магнитного потока . Невозможно ускорить частицы, используя только статическое магнитное поле, так как магнитная сила всегда действует перпендикулярно направлению движения и, следовательно, может изменить только направление частицы, но не скорость. ^[30]

На практике величина неизменного электрического поля, которое можно приложить к зазору, ограничена необходимостью избежать электростатического пробоя . ^{[31] : 21} Таким образом, современные ускорители частиц используют переменные ( радиочастотные ) электрические поля для ускорения. Поскольку переменное поле через зазор обеспечивает ускорение только в прямом направлении в течение части цикла, частицы в радиочастотных ускорителях движутся группами, а не непрерывным потоком. В линейном ускорителе частиц , чтобы пучок «видел» прямое напряжение каждый раз, когда он пересекает зазор, зазоры должны располагаться все дальше и дальше друг от друга, чтобы компенсировать возрастающую скорость частицы. ^[32]

Циклотрон, напротив, использует магнитное поле, чтобы сгибать траектории частиц в спираль, что позволяет использовать один и тот же зазор много раз для ускорения одного сгустка. По мере того, как сгусток движется по спирали наружу, увеличивающееся расстояние между прохождениями промежутка точно уравновешивается увеличением скорости, поэтому сгусток каждый раз достигает промежутка в одной и той же точке радиочастотного цикла. ^[32]

Частота, с которой частица движется по орбите в перпендикулярном магнитном поле, известна как циклотронная частота и в нерелятивистском случае зависит исключительно от заряда и массы частицы, а также силы магнитного поля:

$${\displaystyle f={\frac {qB}{2\pi m}}}$$

где f — (линейная) частота, q — заряд частицы, B — величина магнитного поля, перпендикулярного плоскости, в которой движется частица, а m — масса частицы. Свойство независимости частоты от скорости частицы позволяет использовать один фиксированный зазор для ускорения частицы, движущейся по спирали. ^[32]

Энергия частиц

Каждый раз, когда частица пересекает ускоряющий зазор в циклотроне, электрическое поле, пересекающее зазор, придает ей ускоряющую силу, а общий прирост энергии частицы можно рассчитать, умножив прирост за пересечение на количество раз, когда частица пересекает зазор. зазор. ^[33]

Однако, учитывая обычно большое количество оборотов, обычно проще оценить энергию, объединив уравнение для частоты кругового движения :

$${\displaystyle f={\frac {v}{2\pi r}}}$$

с уравнением циклотронной частоты, чтобы получить:

$${\displaystyle v={\frac {qBr}{m}}}$$

Таким образом, кинетическая энергия частиц со скоростью v определяется выражением:

$${\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {q^{2}B^{2}r^{2}}{2m}}}$$

где r — радиус, на котором необходимо определить энергию. Таким образом, предел энергии пучка, который может быть произведен данным циклотроном, зависит от максимального радиуса, которого может достичь магнитное поле и ускоряющие структуры, а также от максимальной напряженности магнитного поля, которая может быть достигнута. ^[8]

К-фактор

В нерелятивистском приближении максимальная кинетическая энергия на атомную массу для данного циклотрона определяется выражением:

$${\displaystyle {\frac {T}{A}}={\frac {(eBr_{\max })^{2}}{2m_{a}}}\left({\frac {Q}{A}}\right)^{2}=K\left({\frac {Q}{A}}\right)^{2}}$$

где – элементарный заряд, – сила магнита, – максимальный радиус пучка, – атомная единица массы , – заряд частиц пучка, – атомная масса частиц пучка. Значение К ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle r_{\max }}$ ${\displaystyle m_{a}}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle A}$

$${\displaystyle K={\frac {(eBr_{\max })^{2}}{2m_{a}}}}$$

известен как «К-фактор» и используется для характеристики максимальной энергии пучка циклотрона. Она представляет собой теоретическую максимальную энергию протонов (с Q и A , равными 1), ускоренных в данной машине. ^[34]

Траектория частицы

Траектория, по которой движется частица в циклотроне, аппроксимированная спиралью Ферма

Хотя траекторию, по которой движется частица в циклотроне, условно называют «спиралью», точнее ее можно описать как серию дуг постоянного радиуса. Скорость частицы и, следовательно, радиус орбиты увеличивается только в ускоряющихся промежутках. Вдали от этих областей частица будет вращаться (в первом приближении) по фиксированному радиусу. ^[35]

Тем не менее, простая спираль может быть полезным приближением. Учитывая, что частица за каждый оборот набирает энергию ΔE, ее энергия после n оборотов будет равна:

$${\displaystyle E(n)=n\Delta E}$$

$${\displaystyle r(n)={{\sqrt {2m\Delta E}} \over qB}{\sqrt {n}}}$$

спирали Ферма

Стабильность и фокусировка

Когда сгусток частиц движется вокруг циклотрона, два эффекта приводят к его рассредоточению. Первый — это просто частицы, инжектируемые из источника ионов, имеющие некоторый начальный разброс положений и скоростей. Это распространение имеет тенденцию со временем усиливаться, заставляя частицы удаляться от центра сгустка. Второй — взаимное отталкивание частиц пучка из-за их электростатических зарядов. ^[36] Для удержания частиц в фокусе для ускорения необходимо удерживать частицы в плоскости ускорения (в плоскости или «вертикальной» ^[a] фокусировки), предотвращая их движение внутрь или наружу от их правильной орбиты («горизонтальной» ^[a] фокусировка) и поддержание их синхронизации с циклом ускоряющегося радиочастотного поля (продольная фокусировка). ^[35]

Поперечная стабильность и фокусировка

Плоская или «вертикальная» ^[a] фокусировка обычно достигается за счет изменения магнитного поля вокруг орбиты, т.е. по азимуту . Таким образом, циклотрон, использующий этот метод фокусировки, называется циклотроном с изменяющимся по азимуту полем (AVF). ^[37] Изменение напряженности поля обеспечивается за счет формирования секторов стального сердечника магнита. ^[35] Это решение для фокусировки пучка частиц было предложено Л. Х. Томасом в 1938 году ^[37] , и почти все современные циклотроны используют поля, изменяющиеся по азимуту. ^[38]

«Горизонтальная» ^[a] фокусировка происходит как естественный результат циклотронного движения. Поскольку для одинаковых частиц, движущихся перпендикулярно постоянному магнитному полю, радиус кривизны траектории является лишь функцией их скорости, все частицы с одинаковой скоростью будут двигаться по круговым орбитам одного и того же радиуса, а частица с немного неправильной траекторией будет просто путешествовать в круге со слегка смещенным центром. По отношению к частице с центрированной орбитой такая частица будет испытывать горизонтальные колебания относительно центрированной частицы. Это колебание устойчиво для частиц с небольшим отклонением от эталонной энергии. ^[35]

Продольная устойчивость

Мгновенный уровень синхронизации между частицей и радиочастотным полем выражается разностью фаз между радиочастотным полем и частицей. В режиме первой гармоники (т.е. частицы совершают один оборот за РЧ-цикл) это разница между мгновенной фазой РЧ-поля и мгновенным азимутом частицы. Наибольшее ускорение достигается, когда разность фаз равна 90° ( по модулю 360°). ^{[35] : гл.2.1.3} Плохая синхронизация, т.е. разность фаз, далекая от этого значения, приводит к медленному ускорению частицы или даже ее торможению (за пределами диапазона 0–180°).

Поскольку время, необходимое частице для прохождения орбиты, зависит только от типа частицы, магнитного поля (которое может меняться в зависимости от радиуса) и фактора Лоренца (см. § Релятивистские соображения), циклотроны не имеют механизма продольной фокусировки, который бы поддерживал синхронизацию частиц. в радиочастотное поле. Разность фаз, которую имела частица в момент инжекции в циклотрон, сохраняется на протяжении всего процесса ускорения, но поверх нее накапливаются ошибки из-за несовершенного согласования частоты ВЧ-поля с частотой циклотрона на заданном радиусе. ^{[35] : гл.2.1.3} Неспособность инжектировать частицу с разностью фаз в пределах примерно ±20° от оптимальной может сделать ее ускорение слишком медленным, а ее пребывание в циклотроне - слишком длительным. Как следствие, на полпути процесса разность фаз выходит за пределы диапазона 0–180°, ускорение переходит в замедление, и частица не может достичь целевой энергии. Таким образом, группировка частиц в правильно синхронизированные сгустки перед их инжекцией в циклотрон значительно повышает эффективность инжекции. ^{[35] : гл.7}

Релятивистские соображения

В нерелятивистском приближении циклотронная частота не зависит от скорости частицы и радиуса орбиты частицы. По мере того как луч движется по спирали наружу, частота вращения остается постоянной, и луч продолжает ускоряться, проходя большее расстояние за тот же период времени. В отличие от этого приближения, по мере приближения частиц к скорости света циклотронная частота уменьшается из-за изменения релятивистской массы . Это изменение пропорционально фактору Лоренца частицы . ^{[30] : 6–9}

Релятивистскую массу можно записать как:

$${\displaystyle m={\frac {m_{0}}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}={\frac {m_{0}}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}=\gamma {m_{0}},}$$

где:

• ${\displaystyle m_{0}}$– масса покоя частицы ,
• ${\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}}}$- относительная скорость, а
• ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}}$является фактором Лоренца . ^{[30] : 6–9}

Подстановка этого в уравнения для циклотронной частоты и угловой частоты дает:

$${\displaystyle {\begin{aligned}f&={\frac {qB}{2\pi \gamma m_{0}}}\\[6pt]\omega &={\frac {qB}{\gamma m_{0}}}\end{aligned}}}$$

Тогда гирорадиус частицы, движущейся в статическом магнитном поле, определяется выражением: [ ^{30] : 6–9.}

$${\displaystyle r={\frac {\gamma \beta m_{0}c}{qB}}={\frac {\gamma m_{0}v}{qB}}={\frac {m_{0}}{qB{\sqrt {v^{-2}-c^{-2}}}}}}$$

Выразив скорость в этом уравнении через частоту и радиус

$${\displaystyle v=2\pi fr}$$

$${\displaystyle \left({\frac {1}{2\pi f}}\right)^{2}=\left({\frac {m_{0}}{qB}}\right)^{2}+\left({\frac {r}{c}}\right)^{2}}$$

Подходы к релятивистским циклотронам

Синхроциклотрон

Поскольку ускорение релятивистских частиц увеличивается по мере достижения частицей релятивистских скоростей, требуется модификация циклотрона, чтобы гарантировать, что частица пересекает зазор в одной и той же точке в каждом радиочастотном цикле. Если частота ускоряющего электрического поля меняется, а магнитное поле остается постоянным, это приводит к синхроциклотрону . ^[32] ${\displaystyle \gamma }$

В циклотроне этого типа ускоряющая частота изменяется в зависимости от радиуса орбиты частицы так, что:

$${\displaystyle f(r)={\frac {1}{2\pi {\sqrt {\left({\frac {m_{0}}{qB}}\right)^{2}+\left({\frac {r}{c}}\right)^{2}}}}}}$$

Уменьшение ускоряющей частоты настроено так, чтобы соответствовать увеличению гамма-излучения в постоянном магнитном поле. ^[32]

Изохронный циклотрон

В изохронных циклотронах напряженность магнитного поля B как функция радиуса r имеет тот же вид, что и фактор Лоренца γ как функция скорости v .

Если вместо этого магнитное поле изменяется в зависимости от радиуса, а частота ускоряющего поля остается постоянной, это приводит к изохронному циклотрону . ^[32]

$${\displaystyle B(r)={\frac {m_{0}}{q{\sqrt {\left({\frac {1}{2\pi f}}\right)^{2}-\left({\frac {r}{c}}\right)^{2}}}}}}$$

Сохранение постоянной частоты позволяет изохронным циклотронам работать в непрерывном режиме, что делает их способными производить гораздо больший ток пучка, чем синхроциклотроны. С другой стороны, поскольку за точное соответствие орбитальной частоты частоте ускоряющего поля отвечает изменение магнитного поля в зависимости от радиуса, это изменение должно быть точно настроено.

Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем (FFA)

Подход, который сочетает в себе статические магнитные поля (как в синхроциклотроне) и фокусировку с переменным градиентом (как в синхротроне ) , представляет собой ускоритель с переменным градиентом фиксированного поля (FFA). В изохронном циклотроне магнитное поле формируется с помощью точно обработанных стальных магнитных полюсов. Этот вариант обеспечивает эффект фокусировки, когда частицы пересекают края полюсов. В ФФА для фокусировки луча используются отдельные магниты с чередующимися направлениями по принципу сильной фокусировки . Поле фокусирующих и изгибающих магнитов в FFA не меняется со временем, поэтому камера луча должна быть достаточно широкой, чтобы приспособиться к изменяющемуся радиусу луча в поле фокусирующих магнитов по мере ускорения луча. ^[40]

Классификации

Французский циклотрон, произведенный в Цюрихе , Швейцария, в 1937 году. Вакуумная камера, содержащая дии (слева) , снята с магнита (красный, справа) .

Типы циклотронов

Существует ряд основных типов циклотронов: ^[41]

Классический циклотрон

Самый ранний и простой циклотрон. Классические циклотроны имеют однородные магнитные поля и постоянную ускоряющую частоту. Они ограничены нерелятивистскими скоростями частиц (выходная энергия мала по сравнению с энергией покоя частицы ) и не имеют активной фокусировки, позволяющей удерживать луч в плоскости ускорения. ^[33]

Синхроциклотрон

Синхроциклотрон расширил энергию циклотрона до релятивистского режима за счет уменьшения частоты ускоряющего поля по мере увеличения орбиты частиц, чтобы поддерживать ее синхронизацию с частотой вращения частиц. Поскольку для этого требуется импульсный режим работы, интегральный общий ток пучка был низким по сравнению с классическим циклотроном. По энергии пучка это были самые мощные ускорители в 1950-е годы, до разработки синхротрона . ^{[28] [9]}

Изохронный циклотрон (изоциклотрон)

Эти циклотроны расширяют выходную энергию в релятивистский режим, изменяя магнитное поле, чтобы компенсировать изменение циклотронной частоты, когда частицы достигают релятивистской скорости. Они используют магнитные полюсные наконечники специальной формы для создания неоднородного магнитного поля, более сильного в периферийных областях. Большинство современных циклотронов относятся к этому типу. Полюсным наконечникам также может быть придана такая форма, чтобы луч удерживал частицы в плоскости ускорения, образующей орбиту. Это известно как «секторная фокусировка» или «фокусировка по азимутально изменяющемуся полю» и использует принцип фокусировки с переменным градиентом . ^[28]

Циклотрон с отдельным сектором

Циклотроны с разделенными секторами представляют собой машины, в которых магнит находится в отдельных секциях, разделенных зазорами без поля ^[28] .

Сверхпроводящий циклотрон

«Сверхпроводимость» в контексте циклотрона относится к типу магнита, используемого для сгибания орбит частиц в спираль. Сверхпроводящие магниты могут создавать значительно более сильные поля на той же площади, чем обычные проводящие магниты, что позволяет создавать более компактные и мощные машины. Первым сверхпроводящим циклотроном стал К500 в Университете штата Мичиган , который появился в 1981 году. ^[42]

Типы балок

Частицы для циклотронных пучков производятся в источниках ионов различного типа.

Протонные пучки

Самый простой тип циклотронного луча, протонные пучки, обычно создаются путем ионизации газообразного водорода. ^[43]

Н ^— балки

Ускорение отрицательных ионов водорода упрощает извлечение луча из установки. На радиусе, соответствующем желаемой энергии пучка, используется металлическая фольга, которая отрывает электроны от ионов H ⁻ , превращая их в положительно заряженные ионы H ⁺ . Изменение полярности приводит к отклонению луча в противоположном направлении под действием магнитного поля, что позволяет вывести луч из машины. ^[44]

Пучки тяжелых ионов

Пучки частиц тяжелее водорода называются пучками тяжелых ионов и могут варьироваться от ядер дейтерия (один протон и один нейтрон) до ядер урана. Увеличение энергии, необходимой для ускорения более тяжелых частиц, уравновешивается отрывом большего количества электронов от атома, что увеличивает электрический заряд частиц, тем самым увеличивая эффективность ускорения. ^[43]

Типы целей

Чтобы использовать циклотронный луч, его необходимо направить на цель. ^[45]

Внутренние цели

Самый простой способ поразить цель циклотронным лучом — поместить ее прямо на путь луча в циклотроне. Внутренние мишени имеют тот недостаток, что они должны быть достаточно компактными, чтобы поместиться в камере циклотронного пучка, что делает их непрактичными для многих медицинских и исследовательских целей. ^[46]

Внешние цели

Хотя извлечение луча из циклотрона для воздействия на внешнюю цель сложнее, чем использование внутренней мишени, это позволяет лучше контролировать размещение и фокус луча, а также гораздо большую гибкость в выборе типов целей, к которым может быть направлен луч. быть направленным. ^[46]

Применение

Современный циклотрон, используемый для лучевой терапии . Магнит окрашен в желтый цвет.

Фундаментальные исследования

В течение нескольких десятилетий циклотроны были лучшим источником пучков высоких энергий для экспериментов по ядерной физике . С появлением синхротронов с сильной фокусировкой циклотроны были вытеснены как ускорители, способные генерировать самые высокие энергии. ^{[32] [9]} Однако из-за своей компактности и, следовательно, более низкой стоимости по сравнению с синхротронами высокой энергии, циклотроны по-прежнему используются для создания пучков для исследований, где основной задачей не является достижение максимально возможной энергии. ^[42] Эксперименты по ядерной физике на основе циклотрона используются для измерения основных свойств изотопов (особенно короткоживущих радиоактивных изотопов), включая период полураспада, массу, сечения взаимодействия и схемы распада. ^[47]

Медицинское использование

Производство радиоизотопов

Циклотронные лучи можно использовать для бомбардировки других атомов с целью производства короткоживущих изотопов для различных медицинских целей, включая медицинскую визуализацию и лучевую терапию . ^[48] ​​Позитронные и гамма -излучающие изотопы, такие как фтор-18 , углерод-11 и технеций-99m ^[49], используются для визуализации ПЭТ и ОФЭКТ . Хотя радиоизотопы, полученные с помощью циклотрона, широко используются в диагностических целях, их терапевтическое применение все еще находится в стадии разработки. Предлагаемые изотопы включают, среди прочего, астат -211, палладий -103, рений -186 и бром -77. ^[50]

Лучевая терапия

Первое предположение о том, что энергичные протоны могут быть эффективным методом лечения, было сделано Робертом Р. Уилсоном в статье, опубликованной в 1946 году ^[51] , когда он участвовал в проектировании Гарвардской циклотронной лаборатории . ^[52]

Лучи циклотронов можно использовать в терапии частиц для лечения рака . Ионные пучки циклотронов можно использовать, как и в протонной терапии , для проникновения в организм и уничтожения опухолей путем радиационного повреждения , минимизируя при этом повреждение здоровых тканей на своем пути.

По состоянию на 2020 год во всем мире насчитывалось около 80 учреждений лучевой терапии с использованием пучков протонов и тяжелых ионов, состоящих из циклотронов и синхротронов. Циклотроны в основном используются для протонных пучков, а синхротроны — для производства более тяжелых ионов. ^[53]

Преимущества и ограничения

М. Стэнли Ливингстон и Эрнест О. Лоуренс (справа) перед циклотроном Лоуренса диаметром 69 см (27 дюймов) в Радиационной лаборатории Лоуренса. Изогнутый металлический каркас представляет собой сердечник магнита, а в больших цилиндрических коробках находятся катушки с проволокой, генерирующие магнитное поле. Вакуумная камера, содержащая электроды «Ди», находится в центре между полюсами магнита.

Наиболее очевидным преимуществом циклотрона перед линейным ускорителем является то, что, поскольку один и тот же ускоряющий зазор используется много раз, он более экономичен в пространстве и более экономичен; частицы можно довести до более высоких энергий в меньшем пространстве и с меньшим количеством оборудования. Компактность циклотрона снижает и другие затраты, такие как фундамент, радиационная защита и ограждающее здание. Циклотроны имеют один электрический привод, что позволяет экономить как оборудование, так и затраты на электроэнергию. Кроме того, циклотроны способны создавать непрерывный пучок частиц на мишени, поэтому средняя мощность, передаваемая из пучка частиц в мишень, относительно высока по сравнению с импульсным пучком синхротрона. ^[54]

Однако, как обсуждалось выше, метод ускорения с постоянной частотой возможен только тогда, когда ускоренные частицы приблизительно подчиняются законам движения Ньютона . Если частицы становятся достаточно быстрыми, и релятивистские эффекты становятся важными, луч теряет фазу с колеблющимся электрическим полем и не может получить никакого дополнительного ускорения. Таким образом, классический циклотрон (постоянное поле и частота) способен ускорять частицы только до нескольких процентов скорости света. Синхро-, изохронные и другие типы циклотронов могут преодолеть это ограничение за счет увеличения сложности и стоимости. ^[54]

Дополнительное ограничение циклотронов связано с эффектом пространственного заряда – взаимным отталкиванием частиц в пучке. По мере увеличения количества частиц (тока пучка) в циклотронном пучке эффекты электростатического отталкивания усиливаются, пока не нарушают орбиты соседних частиц. Это накладывает функциональный предел на интенсивность луча или количество частиц, которые можно ускорить одновременно, в отличие от их энергии. ^[55]

Яркие примеры

Связанные технологии

Спираль электронов в цилиндрической вакуумной камере в поперечном магнитном поле также используется в магнетроне — устройстве для получения высокочастотных радиоволн ( микроволн ). В магнетроне электроны изгибаются по круговой траектории под действием магнитного поля, и их движение используется для возбуждения резонансных полостей , производящих электромагнитное излучение. ^[63]

Бетатрон использует изменение магнитного поля для ускорения электронов по круговой траектории . Хотя статические магнитные поля не могут обеспечить ускорение, поскольку сила всегда действует перпендикулярно направлению движения частицы, изменяющиеся поля можно использовать для создания электродвижущей силы таким же образом, как и в трансформаторе . Бетатрон был разработан в 1940 г. ^[64] , хотя идея была предложена существенно раньше. ^[12]

Синхротрон — это еще один тип ускорителя частиц, который использует магниты для изгибания частиц по круговой траектории. В отличие от циклотрона, траектория частицы в синхротроне имеет фиксированный радиус. Частицы в синхротроне проходят через ускоряющие станции с возрастающей частотой по мере их ускорения. Чтобы компенсировать это увеличение частоты, необходимо одновременно увеличивать частоту приложенного ускоряющего электрического поля и магнитного поля, что приводит к «синхронной» части названия. ^[65]

В фантастике

Военное министерство США, как известно, попросило в апреле 1945 года удалить ежедневные комиксы о Супермене из-за бомбардировки Супермена радиацией циклотрона. ^[66]

В фильме 1984 года «Охотники за привидениями» миниатюрный циклотрон является частью протонного пакета , используемого для ловли призраков. ^[67]

Смотрите также

• Физический портал

• Циклотронное излучение - излучение нерелятивистских заряженных частиц, искривленных магнитным полем.
• Терапия быстрыми нейтронами - тип лучевой терапии, в которой могут использоваться пучки, производимые ускорителем.
• Микротрон - концепция ускорителя, аналогичная циклотрону, в которой используется ускоряющая структура линейного ускорительного типа с постоянным магнитным полем.
• Сила радиационной реакции – тормозная сила на балках, изгибающихся в магнитном поле.

Примечания

1. Термины «горизонтальный» и «вертикальный» относятся не к направлениям относительно поверхности Земли, а скорее к плоскости ускорения: параллельно и перпендикулярно ей соответственно.
2. Только ускорители с не зависящей от времени частотой и напряженностью изгибающего поля могут работать в непрерывном режиме, т. е. выводить сгусток частиц в каждом цикле ускоряющего поля. Если какая-либо из этих величин при разгоне смещается, то режим работы должен быть импульсным, т.е. машина будет выдавать кучу частиц только в конце каждой развертки.
3. Умеренное изменение напряженности поля в зависимости от радиуса не имеет значения в синхроциклотронах, поскольку изменение частоты автоматически компенсирует его. ^{[ нужна цитата ]}
4. Зависит от конструкции
5. Неприменимо, поскольку радиус орбиты частицы постоянен.

Рекомендации

1. "Циклотрон Эрнеста Лоуренса". www2.lbl.gov . Проверено 6 апреля 2018 г.
2. «Эрнест Лоуренс - Биографический». nobelprize.org . Проверено 6 апреля 2018 г.
3. Патент США 1948384 Лоуренс, Эрнест О. Метод и устройство для ускорения ионов , подан: 26 января 1932 г., выдан: 20 февраля 1934 г.
4. Лоуренс, Эрнест О.; Ливингстон, М. Стэнли (1 апреля 1932 г.). «Производство высокоскоростных легких ионов без использования высокого напряжения». Физический обзор . Американское физическое общество. 40 (1): 19–35. Бибкод : 1932PhRv...40...19L. дои : 10.1103/PhysRev.40.19 .
5. Неф, Чехия (2012). «Циклотрон». Кафедра физики и астрономии Университета штата Джорджия . Проверено 26 октября 2014 г.
6. Close, FE; Клоуз, Фрэнк; Мартен, Майкл; и другие. (2004). Одиссея частиц: путешествие к сердцу материи. Издательство Оксфордского университета. стр. 84–87. Бибкод : 2002pojh.book.....C. ISBN 978-0-19-860943-8.
7. «Эрнест Лоуренс - Факты». nobelprize.org . Проверено 6 апреля 2018 г.
8. Сервей, Раймонд А.; Джуэтт, Джон В. (2012). Принципы физики: текст, основанный на исчислении, Vol. 2 (5-е изд.). Cengage Обучение. п. 753. ИСБН 9781133712749.
9. Брайант, П.Дж. (сентябрь 1992 г.). «Краткая история и обзор ускорителей» (PDF) . Труды, Vol. 2 . Школа ускорителей CAS-CERN: 5-й курс общей физики ускорителей. Ювяскюля, Финляндия: ЦЕРН . п. 12.
10. «MEDraysintell идентифицирует около 1500 медицинских циклотронов по всему миру». ITN Новости технологий обработки изображений . 10 марта 2020 г.
11. Лоуренс и его лаборатория - II - Миллион вольт или сбой 81-82 в Хейлброне, Дж. Л., и Роберт В. Зейдел Лоуренс и его лаборатория: история лаборатории Лоуренса в Беркли», том I. (Беркли: University of California Press , 2000)
12. Даннен, Джин (март 2001 г.). «Изобретения Сциларда явно остановлены». Физика сегодня . 54 (3): 102–104. Бибкод : 2001PhT....54c.102D. дои : 10.1063/1.1366083 . Проверено 31 января 2022 г.
13. Телегди, Валентин Л. (октябрь 2000 г.). «Сцилард как изобретатель: ускорители и многое другое». Физика сегодня . 53 (10): 25–28. Бибкод : 2000PhT....53j..25T. дои : 10.1063/1.1325189 . Проверено 31 января 2022 г.
14. Видероэ, Р. (1928). «Ueber Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen». Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik (на немецком языке). 21 (4): 387–406. дои : 10.1007/BF01656341. S2CID  109942448.
15. «Прорыв: век физики в Беркли 1886–1968 2. Циклотрон». Библиотека Бэнкрофта , Калифорнийский университет в Беркли . 8 декабря 2008 г. Архивировано из оригинала 27 мая 2012 г.
16. Ливингстон, М. Стэнли (19–22 августа 1975 г.). «История циклотрона» (PDF) . Материалы 7-й Международной конференции по циклотронам и их применениям . Цюрих, Швейцария. стр. 635–638.
17. Э.О. Лоуренс; Н. Е. Эдлефсен (1930). «О производстве высокоскоростных протонов». Наука . 72 (1867): 376–377. дои : 10.1126/science.72.1867.372. PMID  17808988. S2CID  56202243.
18. Алонсо, М.; Финн, Э. (1992). Физика . Эддисон Уэсли . ISBN 978-0-201-56518-8.
19. Манн, Ф.Дж. (декабрь 1946 г.). «Федеральная телефонная и радиокорпорация, исторический обзор: 1909–1946». Электрическая связь . 23 (4): 397–398.
20. «Первые циклотроны». Американский институт физики . Проверено 7 июня 2022 г.
21. «Нобелевская премия по физике 1939 года». Нобелевский фонд. Архивировано из оригинала 24 октября 2008 года . Проверено 9 октября 2008 г.
22. Емельянов, В.С. (1971). «Атомная энергетика в Советском Союзе». Бюллетень ученых-атомщиков . 27 (9): 39. Бибкод :1971БуАтС..27и..38Е. дои : 10.1080/00963402.1971.11455411. Государственный институт радия, основанный в 1922 году, ныне Радиевый институт имени В.Г. Хлопина.
23. «История/Мемориал». Радиевый институт им. В.Г. Хлопина. Архивировано из оригинала 26 апреля 2011 г. Проверено 25 февраля 2012 г.
24. «История/Хронология». Архивировано из оригинала 26 апреля 2011 г. Проверено 25 февраля 2012 г.
25. Болл, Филип (2013). Служение Рейху: борьба за душу физики при Гитлере. Лондон: Голова Бодли. п. 190. ИСБН 978-1-84792-248-9. ОСЛК  855705703.
26. Ульрих Шмидт-Рор. «Вольфганг Гентнер 1906–1980» (на немецком языке). Архивировано из оригинала 6 июля 2007 года.
27. Бете, HA; Роуз, Мэн (15 декабря 1937 г.). «Максимальная энергия, которую можно получить от циклотрона». Физический обзор . 52 (12): 1254–1255. Бибкод : 1937PhRv...52.1254B. дои : 10.1103/PhysRev.52.1254.2.
28. Крэддок, МК (10 сентября 2010 г.). «Восемьдесят лет циклотронов» (PDF) . Труды Циклотронов 2010 . Ланьчжоу, Китай . Проверено 24 января 2022 г.
29. Хейн, Ф.; Кхо, Конг Тат (1958). «Работа радиального секторного протонного циклотрона с фиксированной частотой». Обзор научных инструментов . 29 (7): 662. Бибкод : 1958RScI...29..662H. дои : 10.1063/1.1716293.
30. Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 1. ISBN 9789812779601.
31. Эдвардс, Д.А.; Сайферс, MJ (1993). Введение в физику ускорителей высоких энергий . Нью-Йорк: Уайли. ISBN 9780471551638.
32. Уилсон, EJN (2001). Введение в ускорители частиц . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 6–9. ISBN 9780198508298.
33. Зейдель, Майк (2013). Циклотроны для пучков высокой интенсивности (PDF) (Отчет). ЦЕРН . Проверено 12 июня 2022 г.
34. Барлетта, Уильям. «Циклотроны: старые, но все еще новые» (PDF) . Школа ускорителей элементарных частиц США . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми . Проверено 27 января 2022 г.
35. Шотар, Ф (2006). «Динамика пучка циклотронов» (PDF) . Школа ускорителей частиц ЦЕРН : 209–229. doi : 10.5170/CERN-2006-012.209 . Проверено 4 июля 2022 г.
36. Планш, Т.; Рао, Ю.Н.; Баартман Р. (17 сентября 2012 г.). «Эффекты пространственного заряда в изохронных FFAG и циклотронах» (PDF) . Материалы 52-го семинара ICFA по перспективной динамике адронных пучков высокой интенсивности и яркости . ХБ2012. Пекин, Китай: ЦЕРН. стр. 231–234 . Проверено 19 июля 2022 г.
37. Ли, С.-Ю. (1999). Ускорительная физика. Всемирная научная . п. 14. ISBN 978-981-02-3709-7.
38. Черри, Пэм; Даксбери, Анджела, ред. (2020). Практическая лучевая терапия: физика и оборудование (Третье изд.). Ньюарк: Джон Уайли и сыновья. п. 178. ИСБН 9781119512721.
39. Майк Зайдель (19 сентября 2019 г.). «Циклотроны – II и FFA» (PDF) . ЦЕРН . Школа ускорителей ЦЕРН – вводный курс. Высокие Татры. п. 36.
40. Дэниел Клери (4 января 2010 г.). «Следующий большой луч?». Наука . 327 (5962): 142–143. Бибкод : 2010Sci...327..142C. дои : 10.1126/science.327.5962.142. ПМИД  20056871.
41. Чао, Алекс (1999). Справочник по физике и технике ускорителей. Всемирная научная. стр. 13–15. ISBN 9789810235000.
42. Остин, Сэм М. (2015). Из ничего: Циклотронная лаборатория Мичиганского государственного университета . [Ист-Лансинг, Мичиган]: Университет штата Мичиган. ISBN 978-0-99672-521-7.
43. Кларк, Дэвид (сентябрь 1981 г.). Источники ионов для циклотронов (PDF) . 9-я Международная конференция по циклотронам и их применениям. Кан, Франция. стр. 231–240.
44. Мурамацу, М.; Китагава, А. (февраль 2012 г.). «Обзор источников ионов для медицинских ускорителей (приглашено)». Обзор научных инструментов . 83 (2): 02Б909. Бибкод : 2012RScI...83bB909M. дои : 10.1063/1.3671744 . ПМИД  22380341.
45. Грей-Морган, Т.; Хаббард, Р.Э. (ноябрь 1992 г.). Работа циклотронов, используемых в радиофармацевтическом производстве . 13-я Международная конференция по циклотронам и их применениям. Ванкувер, Канада: World Scientific. стр. 115–118.
46. Гелбарт, WZ; Стивенсон, Северная Каролина (июнь 1998 г.). Твердые мишенные системы: краткая история (PDF) . 15-я Международная конференция по циклотронам и их применениям. Кан, Франция. стр. 90–93.
47. «Об исследованиях редких изотопов | TRIUMF: Канадский центр ускорителей частиц» . www.triumf.ca . Проверено 27 января 2022 г.
48. «Циклотроны - что это такое и где их найти» . www.iaea.org . Международное агентство по атомной энергии. 27 января 2021 г. Проверено 27 января 2022 г.
49. Хьюм, М. (21 февраля 2012 г.). «Канадские исследователи совершили настоящий прорыв и разработали новый способ производства медицинских изотопов». Глобус и почта . Ванкувер.
50. Циклотрон производил радионуклиды: принципы и практика . Вена: Международное агентство по атомной энергии. 2008. ISBN 978-92-0-100208-2.
51. Уилсон, Роберт Р. (1946). «Радиологическое использование быстрых протонов». Радиология . 47 (5): 487–491. дои : 10.1148/47.5.487. ISSN  0033-8419. ПМИД  20274616.
52. Уилсон, Ричард (2004). Краткая история циклотронов Гарвардского университета. Издательство Гарвардского университета. п. 9. ISBN 978-0-674-01460-2.
53. Нормативный контроль безопасности установок ионной лучевой терапии: руководство по передовой практике (PDF) . Вена: Международное агентство по атомной энергии. 2020. ISBN 9789201631190. Проверено 27 января 2022 г.
54. Персик, К; Уилсон, П; Джонс, Б. (декабрь 2011 г.). «Ускорительная наука в медицинской физике». Британский журнал радиологии . 84 (специальный_выпуск_1): S4–S10. дои : 10.1259/bjr/16022594. ПМЦ 3473892 . ПМИД  22374548. 
55. Райзер, Мартин (1966). «Эффекты пространственного заряда и ограничения тока в циклотронах». Транзакции IEEE по ядерной науке . 13 (4): 171–177. Бибкод : 1966ITNS...13..171R. дои : 10.1109/TNS.1966.4324198.
56. «88-дюймовый циклотрон, старейший из существующих больших циклотронов непрерывного действия» . cyclytron.lbl.gov .
57. Грилленбергер, Дж.; и другие. (2021). «Ускоритель протонов высокой интенсивности». SciPost Physics Proceedings, выпуск 5, Обзор физики элементарных частиц в PSI .
58. «Самый большой циклотрон». Guinnessworldrecords.com .
59. Кох, Джефф. «МГУ отремонтирует первый в мире сверхпроводящий циклотрон для тестирования чипов» . МГУСегодня | Мичиганский государственный университет . Проверено 10 января 2024 г.
60. Блоссер, Х. (2004). «30 лет сверхпроводниковой циклотронной технологии» (PDF) . Циклотроны и их применение 2004. Материалы семнадцатой международной конференции . Токио, Япония. стр. 531–534 . Проверено 24 января 2022 г.
61. «МГУ отремонтирует первый в мире сверхпроводящий циклотрон для тестирования чипов» . МГУСегодня | Мичиганский государственный университет . Проверено 19 июня 2023 г.
62. Камигайто, О.; и другие. (2010). «Состояние ускорителей RIBF RIKEN» (PDF) . Материалы 19-й Международной конференции по циклотронам и их применениям .
63. «Операция магнетрона». гиперфизика.phy-astr.gsu.edu . Проверено 31 января 2022 г.
64. "Бетатрон". Physics.illinois.edu . Инженерный колледж Грейнджера, Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн . Проверено 31 января 2022 г.
65. "Синхротрон". Британика Онлайн . Проверено 31 января 2022 г.
66. Лоуренс Маслон ; Михаил Кантор. Супергерои!:Накидки-капюшоны и создание культуры комиксов . п. 91.
67. Эйкройд, Дэн; Рамис, Гарольд (1985). Шей, Дон (ред.). Создание «Охотников за привидениями»: сценарий . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Нью-Йоркский зоотроп. ISBN 0-918432-68-5.

дальнейшее чтение

• Федер, Т. (2004). «Создание циклотрона на шнурке». Физика сегодня . 57 (11): 30–31. Бибкод : 2004PhT....57k..30F. дои : 10.1063/1.1839371 . S2CID  109712952.
• Жарден, X. (12 января 2005 г.). «Циклотрон приходит в «Капюшон». Проводной .О соседнем циклотроне в Анкоридже, Аляска .
• Нилл, FM (2005). «Резонансное картирование и циклотрон». Архивировано из оригинала 5 мая 2009 г. Проверено 27 мая 2005 г.Эксперимент, проведенный Фредом М. Ниллом, учащимся в третьем классе средней школы (1994–95), с помощью которого он выиграл главный приз ISEF .

Внешние ссылки

Текущие возможности

• 88-дюймовый циклотрон в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли
• PSI Proton Accelerator – циклотрон с самым высоким током пучка в мире.
• RIKEN Нишина Центр ускорительной науки. Архивировано 12 ноября 2017 г. в Wayback Machine - доме самого высокоэнергетического циклотрона в мире.
• Циклотрон Рутгерса. Студенты Университета Рутгерса построили циклотрон диаметром 30 см (12 дюймов) и энергией 1 МэВ в качестве проекта бакалавриата, который теперь используется для студентов старших курсов и лабораторных курсов для аспирантов.
• ТРИУМФ – самый большой одномагнитный циклотрон в мире.

Исторические циклотроны

• Циклотрон Эрнеста Лоуренса. История развития циклотрона в Радиационной лаборатории Беркли, ныне Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
• Национальная лаборатория сверхпроводящих циклотронов Мичиганского государственного университета - дом связанных сверхпроводящих циклотронов K500 и K1200; К500, первый сверхпроводящий циклотрон, и К1200, ранее самый мощный в мире.