циклотрон

Циклотрон на протоны с энергией 70 МэВ, построенный в 2008 г., Нантский университет (Франция)
Магнит первого бельгийского циклотрона (1947 г.).

Циклотронного (от греческого κύκλος, Kyklos , латинский cyclus «дуга», «круг») представляет собой ускоритель частиц , точнее кругового ускорителя . Магнитное поле направляет ионы ускоряться в спираль-подобный путь , на котором ускорение путь повторяется снова и снова; они ускоряются электрическим полем .

В циклотронах ионы ускоряются до энергии примерно от 10 до 500  МэВ . Циклотроны не очень подходят для энергий, больших по сравнению с энергией покоя частиц. Поэтому они не используются для электронов . Самый большой в мире циклотрон находится на установке TRIUMF в Канаде.

история

27-дюймовый циклотрон Радиационной лаборатории в Беркли с М. Стэнли Ливингстоном (слева) и Эрнестом О. Лоуренсом (фото 1935 г.)
Внутреннее устройство вакуумной камеры 27-дюймового циклотрона Лоуренса с двумя Дуантенами. Два соединения для напряжения ускорения можно увидеть справа; отклоняющий электрод находится на нижнем крае нижнего дуантена, мишень все еще находится в вакуумной камере слева.

Соображения относительно циклотрона были представлены в 1920-х годах несколькими инженерами-электриками и физиками независимо друг от друга, например, в 1924 году Деннисом Габором в Берлине, в 1926 году Ойгеном Флеглером в Аахене, в 1927 году Максом Стенбеком в Киле и в 1929 году Лео Сцилардом в Берлин, у которого был зарегистрирован патент на это. « Все эти соображения не получили практического воплощения. Циклотрон впервые была реализована в 1930 году в Беркли по Эрнест О. Лоуренс и его докторант М. Стэнли Ливингстон . В том же 1930 году Жан Тибо построил в Париже циклотрон, но он не получил особого внимания.

В начале 1929 года Лоуренс наткнулся на публикацию Рольфа Видероэ , в которой он описал линейный ускоритель с двумя уровнями ускорения и которая побудила его построить циклотрон. , Но только в феврале 1930 г. началось внедрение, сначала на короткое время его помощником Эдлефсеном, а с лета - через Ливингстон. В сентябре Лоуренс впервые представил свой план на конференции, а в декабре преуспел в Ливингстоне, с ускоряющим напряжением 300 В иона молекулы водорода при энергии ускорения 6  кэВ . Этот первый циклотрон имел максимальный радиус орбиты и номинальную плотность магнитного потока до 0,55   Тл . С помощью магнита, предоставленного на короткий срок в январе 1931 года, можно было достичь 1,27 Тл и, таким образом, энергии ионов 80 кэВ.

Сразу после этого начались работы над вторым, более крупным циклотроном, 10-дюймовым циклотроном, с и , с помощью которого протоны также могли быть ускорены в достаточном количестве. В январе 1932 г. с помощью этого устройства после 150 оборотов протоны удалось ускорить до 1,2 МэВ, чего раньше никогда не было; сила тока пучка составляла около 1 нА. Таким образом была доказана техническая осуществимость этого типа ускорителя, который в первые несколько лет назывался «ускорителем магнитного резонанса». Термин «циклотрон» происходит от лабораторного жаргона и официально не использовался до 1936 года. ,

Циклотрон с большей энергией ионов должен был иметь больший диаметр. Это было реализовано, потому что Исследовательская корпорация понесла значительно возросшие расходы, и Лоуренс смог взять на себя магнит от выброшенного передатчика Поулсена от Федеральной телеграфной компании. Это сотрудничество привело к созданию Радиационной лаборатории еще в 1931 году . В результате к 1939 году были построены три станции: 27-дюймовый циклотрон ( дейтроны с энергией до 6 МэВ), 37-дюймовый циклотрон (дейтроны с энергией до 8 МэВ) и 60-дюймовый циклотрон (дейтроны с энергией до 20 МэВ). МэВ, ядра гелия с энергией до 40 МэВ). Сила тока пучка также может быть значительно увеличена с 1 нА для 10-дюймового циклотрона до 150 мкА для 37-дюймового циклотрона. , Этот новый циклотрон также продуктивная ядерная физика возможно впервые. Например, группа вокруг Сиборга в 1940/1941 годах впервые синтезировала плутоний , бомбардируя уран дейтронами из 37-дюймового и 60-дюймового циклотрона. Еще одним применением в те ранние годы было лечение рака нейтронами. 60-дюймовый циклотрон был прототипом для ряда заводов за пределами Беркли. Такие компании, как General Electric , Philips и BBC, теперь также производят циклотроны. В 1945 году в США было как минимум 15 заводов, а в остальном мире - 10.

В Советском Союзе в 1932 году по предложению Георгия Гамова и Льва Мысовского было решено построить циклотрон в Ленинграде . Окончательно он был завершен в 1937 году им и Игорем Курчатовым . Если не считать циклотрона Тибо, который не пошел дальше первой ступени, это был первый европейский ускоритель такого типа. В Париже Фредерик Жолио-Кюри начал строительство циклотрона, но это было отложено из-за Второй мировой войны. Только после перемирия между Германией и Францией его удалось завершить в 1942 году с помощью Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера . В 1943 г. в институте Бота в Гейдельберге был установлен и пущен в эксплуатацию циклотрон; Гентнер получил информацию и чертежи от Лоуренса и его коллег в Беркли в 1938/39 году. Этот циклотрон создан в сотрудничестве с Siemens. С 1941 года Манфред фон Арденн построил циклотрон в Мерсдорфе недалеко от Берлина независимо от рейхсского министерства почты , но из-за различных задержек - магнит был доставлен только в начале 1943 года, а бомбовая атака в 1944 году привела к разрушению Арденнского Лихтерфельда. лаборатория - не использовалась до конца войны. Общий вес циклотрона составлял около 60 тонн, диаметр камеры 1 м.

Первым ускорителем элементарных частиц, построенным в ЦЕРНе в 1950 году, был циклотрон.

Классический циклотрон

Классический циклотрон

Классический циклотрон по Лоуренсу состоит из большого электромагнита с однородным и постоянным во времени полем и плоской круглой вакуумной камеры между полюсами. Внутри камеры находятся Дуантэн , два полых полукруглых металлических электрода, открытых с их прямой стороны (на английском они называются Dees из-за их D-формы ), и источник ионов в центре . Дуанты являются частью высокочастотного колебательного контура. В промежутке между ними образуется переменное электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю. Это поочередно ускоряет ионный «пакет» в один из двух квантов.

Внутри Дуантэна нет электрического поля; Ионы описывают дуги под действием силы Лоренца магнитного поля, кривизна которой всегда имеет одинаковое направление (против часовой стрелки на соседнем рисунке). При правильно выбранной частоте переменного напряжения в соответствии с приведенным ниже уравнением ионы снова достигают зазора после полного периода переменного напряжения, так что они там ускоряются еще больше. Из-за увеличения скорости в ускоряющем промежутке радиус следующей дуги окружности немного больше; это дает весь спиралевидный путь.

На внешнем крае камеры обычно имеется отклоняющий электрод, называемый перегородкой. Их поле относительно заземляющего электрода направлено в направлении, противоположном магнитному отклонению, и, таким образом, направляет пучок частиц на внешнюю цель, цель .

Радиус дуги окружности, проход через ион в Duanten, в результате центробежной силы, и в этом случае сила Лоренца, скорость частиц и их массу к , в котором ионный заряд и плотность потока магнитного поле. Радиус увеличивается пропорционально скорости. Из этого следует, что время пробежать дуэт не зависит от . Это означает, что время между двумя сменами полярности ускоряющего напряжения всегда должно быть одинаковым, т.е. переменное напряжение фиксированной частоты.

,

так называемая « циклотронная частота », к которой должен применяться Дуантен. Это значительно упрощает техническую реализацию. После нескольких витков ионы покидают циклотрон, как только расстояние между перегородкой и центральной точкой становится равным. Тогда у вас есть скорость . Ваша последняя энергия с ней

.

Удивительно, но величина ускоряющего напряжения не играет роли в этом анализе: она определяет только количество требуемых оборотов и время, в течение которого ионы остаются в циклотроне.

Плотность магнитного потока железных магнитов ограничена примерно 1-2 тесла из-за насыщения железа . При = 1.0 Тл циклотронная частота равна z. Б. для протонов 15 МГц, для дейтронов и ядер гелия примерно вдвое меньше. В классических циклотронах конечная энергия около 10 МэВ (протоны), 20 МэВ (дейтроны) и 40 МэВ (ядра гелия) достигаются примерно после 50 циклов.

Более высокие скорости частиц

Классический циклотрон работает только при нерелятивистских скоростях частиц; на более высоких скоростях период вращения ионов уже не остается постоянным, а заметно увеличивается; Это соответствует тому факту, что приведенное выше уравнение для циклотронной частоты применимо только приблизительно. Точное уравнение, справедливое для всех скоростей частиц , получается, когда масса ионов заменяется на

.

Здесь

фактор Лоренца и скорость света. Ибо становится очевидным, и снова получается более простое выражение.

Есть два дальнейших развития классического циклотрона, которые обеспечивают более высокие скорости частиц: синхроциклотрон и изохронный циклотрон. Другое решение, также для чрезвычайно релятивистских скоростей, - это синхротрон .

Синхроциклотрон

Чтобы циклотрон можно было использовать для более высоких скоростей частиц, можно модулировать высокую частоту, т.е. ЧАС. уменьшать в процессе ускорения в соответствии с постепенно уменьшающейся циклотронной частотой частиц, например, посредством вращающегося конденсатора в резонансном контуре. Такие синхроциклотроны были построены в 1950-х годах и достигли энергии до 800 МэВ с легкими ионами. Их недостаток в том, что одновременно может быть ускорена только небольшая группа сгустков частиц. Следующая группа может «стартовать» только тогда, когда цикл закончился и высокая частота вернулась к начальному значению. В результате луч неизбежно является импульсным с низким коэффициентом заполнения порядка 1%. Обычно это невыгодно для физических экспериментов, но не имеет значения для некоторых приложений.

Изохронный циклотрон

Синхроциклотрон технически обогнал изохронный циклотрон . В этом случае вместо модуляции высокой частоты орбитальная частота также поддерживается постоянной для релятивистских ионов за счет использования неоднородного магнитного поля, а именно магнитного поля, увеличивающегося наружу. Однако такое поле оказывает на пучок дефокусирующее, т. Е. Рассеивающее действие. Следовательно, изохронные циклотроны могли быть построены только после того, как Ливингстон и другие обнаружили сильный фокус . Для этого магнит выполнен в виде секторов, так что его поле имеет чередующиеся положительные и отрицательные градиенты в радиальном направлении . Это дает фокус; это явно соответствует расположению собирающих и расходящихся линз для света с фокусировкой как чистым эффектом. Если магнит соответственно разделен на отдельные секторные, то есть секторные отдельные магниты, каждый со своей обмоткой, то говорят о секторном циклотроне . С другой стороны, в компактном циклотроне секторы реализованы на общем магнитном ярме за счет формы полюсного башмака.

Некоторые новые изохронные циклотроны имеют обмотки сверхпроводящего магнита для экономии энергии . Часто используют не два, а три и более ускоряющих электрода; их также называют Duanten или Dees на лабораторном жаргоне, хотя они не имеют D-образной формы.

Сила тока изохронного циклотронного луча обычно составляет от 10 до 100 микроампер.

H - циклотрон

Циклотроны для протонов, наиболее широко используемых ионов, работы в некоторых случаях , как Н - циклотрон . В них ускоряются отрицательные ионы водорода, так называемые гидрид-ионы (H - , «H минус»). После ускорения они проходят через графитовую фольгу («стриппер»), прикрепленную к зазору , которая «снимает» два электрона. Ион теперь является протоном и отклоняется в другую сторону, то есть из циклотрона, из-за его обратного заряда в магнитном поле циклотрона. По сравнению с методом отклоняющей пластины, этот тип вывода луча позволяет лучу иметь большую силу тока.

Приложения

Лечебный кабинет лучевой терапии нейтронами, которые вырабатываются на циклотроне.

Циклотроны служат z. Б. в физических исследованиях, чтобы вызвать ядерные реакции . Но они также используются в медицине, например, для производства радионуклидов для диагностических целей, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) . Многие из используемых таким образом радионуклидов имеют очень короткий период полураспада , от минут до нескольких часов; поэтому их нельзя транспортировать далеко, и они должны производиться близко к месту использования. Для этого подходит протонный циклотрон с энергией от 15 до 30 МэВ. В Германии существует около 25 циклотронных систем, производящих эти радионуклиды.

Циклотроны также используются для терапии частицами . Протоны ускоряются до 250 МэВ и используются либо непосредственно для облучения пациента, либо для генерации нейтронного излучения . Таких систем в Германии шесть (по состоянию на январь 2017 года). Если должны использоваться более тяжелые ионы, такие как ионы углерода, необходимо использовать синхротрон для достаточной глубины проникновения .

Смотри тоже

литература

веб ссылки

Commons : Cyclotrons  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

Замечания

  1. a b c Размеры циклотрона «10 дюймов » относятся к диаметру полюсных наконечников.
  2. Энергия иона зависит от и . но вряд ли можно было увеличить. С одной стороны, это потребовало бы разработки совершенно новых магнитов; с другой стороны, он тоже вырос бы, что в то время тоже было невозможно. Это второе ограничение было также причиной того, что новые циклотроны 1930-х годов ускоряли не протоны, а дейтроны или ядра гелия.

Индивидуальные доказательства

  1. К. Соннабенд, Physik Journal, том 17 (2018), выпуск 12, страница 10
  2. Джон Дж. Ливингуд: Радиоактивность от бомбардировок . В кн . : Электроника . Лента 8 , вып. 11 ноября 1935 г., стр. 6–9 ( онлайн [PDF; по состоянию на 2 апреля 2016 г.]).
  3. б с д е е г ч я J JL Heilbron, Robert W. Сайделом: Лоуренс и его лаборатории. История лаборатории Лоуренса Беркли . т. I. University of California Press, Беркли, 1989 г., ISBN 0-520-06426-7 ( онлайн [доступ 26 марта 2016 г.]).
  4. Педро Валошек (Ред.): Младенчество ускорителей элементарных частиц: жизнь и работа Рольфа Видероэ (=  отчет DESY 94-039 ). 1994, стр.  41 , doi : 10.1007 / 978-3-663-05244-9 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске книг Google - Автобиография Видероэ; также Vieweg, 1994, ISBN 978-3-663-05246-3 ).
  5. ^ Vince Телегди : Szilárd в Inventor . В кн . : Физика сегодня . Октябрь 2000 г., стр.  25-28 .
  6. Рольф Видероэ: О новом принципе создания высокого напряжения . В кн . : Архив электротехники . Лента 21 , нет. 4 , 1928, стр. 387-406 , DOI : 10.1007 / BF01656341 .
  7. Майкл Хилцик: Большая наука: Эрнест Лоуренс и изобретение, положившее начало военно-промышленному комплексу . Simon & Schuster, 2015, ISBN 978-1-4516-7603-7 , часть 1, гл. 3.
  8. Эрнест О. Лоуренс, Н. Э. Эдлефсен: О производстве протонов с высокой скоростью . В кн . : Наука . Лента 72 , нет. 1867 г. , 10 октября 1930 г., стр. 376-377 , DOI : 10.1126 / science.72.1867.372 .
  9. Милтон Стэнли Ливингстон: Производство ионов водорода с высокой скоростью без использования высоких напряжений . Кандидатская диссертация. Калифорнийский университет, Беркли, 1931 г., стр. 9, 19 ( онлайн [PDF; дата обращения 26 марта 2016 г.]).
  10. Эрнест О. Лоуренс, М. Стэнли Ливингстон: Производство высокоскоростных легких ионов без использования высоких напряжений . В: Физическое обозрение . Лента 40 , 1932, стр. 19-37 , DOI : 10.1103 / PhysRev.40.19 .
  11. ^ A b c d e М. Стэнли Ливингстон: Ранняя история ускорителей элементарных частиц . В кн . : Успехи электроники и электронной физики . Лента 50 , 1980, стр. 1–88 , doi : 10.1016 / S0065-2539 (08) 61061-6 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске книг Google).
  12. ^ Гленн Т. Сиборг: История плутония (=  отчет LBL 13492 ). Сентябрь 1981 ( онлайн [доступ к 29 марта, 2016 г.] Osti идентификатор 5808140).
  13. Хронология Радиевого института им. В.Г. Хлопина. (Больше не доступны в Интернете.) Архивировано из оригинала на 4 апреля 2014 года ; Проверено 4 апреля 2014 года .
  14. Д. Хоффманн, У. Шмидт-Рор (Ред.): Вольфганг Гентнер: Праздник к 100-летию со дня рождения . Springer 2007, ISBN 3-540-33699-0 , страницы 17, 19, 22
  15. Томас Штанге, Институт X. Начало ядерной физики и физики высоких энергий в ГДР, Vieweg / Teubner 2001, стр. 21 и далее.
  16. a b c Франк Хинтербергер: Физика ускорителя элементарных частиц и ионная оптика . 2-е издание. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-75281-3 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске книг Google).
  17. Нейтронная терапия Сиэтлского союза по лечению рака. Проверено 29 марта 2016 г. (раздел "За кадром").
  18. Йоханнес Аммер: Химия в сжатые сроки . В: Süddeutsche Zeitung . Нет. 138 , 17 июня 2011 г., стр. 18 ( онлайн [PDF; по состоянию на 29 марта 2016 г.]).
  19. Облучение протонами на циклотроне в РПТК. Проверено 29 марта 2016 года .
  20. Установки для терапии частиц в действии. Проверено 17 января 2017 года .