Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Циклотрон



План:


Введення

Сучасний циклотрон, який використовується для радіаційної терапії.
Французький циклотрон, зроблений у Швейцарії в 1937 році

Циклотрон - циклічний резонансний прискорювач нерелятивістських важких заряджених частинок ( протонів, іонів), в якому частки рухаються в постійному і однорідному магнітному полі, а для їх прискорення використовується високочастотне електричне поле незмінної частоти.


1. Принцип дії

У циклотроні важкі прискорювані частинки инжектируются в камеру поблизу її центру. Після цього вони рухаються всередині порожнини двох трохи розсунутих напівциліндрів ( дуантов), поміщених у вакуумну камеру між полюсами сильного електромагніту. Однорідне магнітне поле цього електромагніту викривляє траєкторію частинок. Прискорення рухомих частинок відбувається в той момент, коли вони опиняються в зазорі між дуантамі. У цьому місці на них діє електричне поле, створюване електричним генератором високої частоти, яка збігається з частотою звернення частинок усередині циклотрона ( циклотронной частотою). При не занадто великих (нерелятивістських) швидкостях ця частота не залежить від енергії частинок,

\ Omega_c = \ frac {eH} {mc} (В системі СГС),

так що в зазор між дуантамі частинки потрапляють завжди через один і той же момент часу. Отримуючи щоразу при цьому деяке збільшення швидкості, вони продовжують свій рух далі по колу все більшого радіуса, і траєкторія їх руху утворює плоску розкручується спіраль. На останньому витку цієї спіралі включається додатково отклоняющее поле, і пучок прискорених частинок виводиться назовні. [1] Оскільки задає орбіту пучка магнітне поле незмінно, і прискорює високочастотне електричне поле в процесі прискорення частинок також не змінює параметрів, циклотрон може працювати в безперервному режимі: всі витки спіралі заповнені частинками пучка іонів.


1.1. Фокусування пучка

У горизонтальній площині частки автоматично фокусуються в однорідному магнітному полі. У вертикальному напрямку фокусування відбувається за рахунок неоднорідності електричного поля в ускоряющем зазорі [2]. Дійсно, якщо частка зміщена по вертикалі з медіанної площині, то на вході в прискорює зазор вона зазнає поштовх у бік медіанної площині вертикальної компонентою крайового електричного поля. На виході поштовх буде зворотного знаку, але меншої сили, за рахунок кінцевого зміщення частинки. На зовнішньому радіусі циклотрона, де магнітне поле спадає, відбувається додаткова фокусування по обох координатах за рахунок лінійного градієнта поля.


2. Модифікації циклотрона

Схема циклотрона з патенту Е. Лоуренса 1934

Недоліком циклотрона є те, що заряджені частинки в ньому не можуть бути прискорені до великих енергій, так як для релятивістської частки частота звернення починає залежати від енергії:

\ Omega_c = \ frac {eH} {mc} \ frac {1} {\ gamma} .

З порушенням умови синхронізму частинки приходять в прискорює зазор не в правильній фазі і перестають прискорюватися. Таким чином, циклотрон істотно обмежений нерелятивістських енергіями частинок, у звичайних циклотронах протони можна прискорювати до 20-25 МеВ. Для прискорення важких частинок до значно більших значень енергії (до 1000 МеВ) використовують модифіковану установку, ізохронний циклотрон. У ізохронних циклотронах для збереження незмінної частоти звернення створюється неоднорідне, наростаюче по радіусу магнітне поле. Інша модифікація циклотрона - сінхроціклотроном ( Фазотрон) [1], в якому частота ускоряющего електричного поля не залишається постійною, а зменшується синхронно з частотою звернення частинок. Однак, зрозуміло, що на відміну від класичного циклотрона, який може працювати в безперервному режимі, сінхроціклотроном може прискорювати пучок тільки імпульсно [3]. Нарешті, самий далекий родич циклотрона - прискорювач FFAG (Fixed Field Alternate Gradient accelerator). У такому прискорювачі магнітне поле не має азимутальной симетрії, але в процесі прискорення пучка залишається постійним, а частота ускоряющего електричного поля - варіюється [4]. Таким чином, сімейство прискорювачів, що походять від циклотрона виглядає так:

Частота прискорюючого поля \
Магнітне поле
Фіксована частота
(Безперервний пучок)
Змінна частота
(Імпульсний пучок)
Однорідне поле Циклотрон Сінхроціклотроном
Періодичне поле Ізохронний циклотрон FFAG

3. Деякі циклотрони

27 "циклотрон.

Перший циклотрон була створена в 1930 американськими фізиками Е. Лоуренсом і С. Лівінгстоном. Це був маленький прискорювач 4-дюймового діаметра на енергію 80 кеВ, для перевірки принципів резонансного прискорення [5]. У 1931-32 році була створена більш серйозна машина, діаметр циклотрона склав 25 см ("11-дюймовий циклотрон"); досягнута кінетична енергія протонів в їх експериментах склала 1.2 МеВ. [2] [1]

У 1932 році цими ж ученими була створена більша машина, розміром 69 см (27 дюймів), на енергію протонів 5 МеВ [6] [7]. Ця установка активно використовувалася в експериментах по дослідженню ядерних реакцій і штучної радіоактивності. [1]

Будівництво першого в Європі циклотрона ( Циклотрон Радієвого інституту) проходило в Радиевом інституті ( Ленінград) у період 1932-1937 років. Починали роботу над проектом учені Г. А. Гамов (надалі емігрував в США) і Л. В. Мисовської, надалі брали участь і інші співробітники фізичного відділу інституту під керівництвом В. Г. Хлопіна. Роботи вели Г. А. Гамов, І. В. Курчатов і Л. В. Мисовська, установка створена й запущена в 1937 році. [8] [9]

Найбільший у світі циклотрон - циклотрон лабораторії TRIUMF в Університеті Британської Колумбії, в Ванкувері, Канада. Магніт цього циклотрона, що прискорює іони H - до енергією 500 МеВ, важить 4000 тонн, створює поле 4.6кГс. Прискорююча електричне ВЧ-поле має частота 23 МГц і амплітуду напруги 96 кв. Випущений струм становить 300 μА. Випуск здійснюється за допомогою обдирання електронів при проходженні через графітову фольгу.


Примітки

  1. 1 2 3 4 Ішханов Б. С., Капітонов І. М., Кебін Е. І. Циклотрон / / Частинки і ядра. Експеримент - nuclphys.sinp.msu.ru / experiment / accelerators / ciclotron.htm - М .: Видавництво МДУ, 2005.
  2. 1 2 The Production of High Speed ​​Light Ions Without the Use of High Voltages - prola.aps.org/pdf/PR/v40/i1/p19_1, Ernest O. Lawrence, M. Stanley Livingston, Phys.Rew., 40, 19, 1932.
  3. Фазотрон ОІЯД - newuc.jinr.ru / section.asp? id = 234
  4. An Introduction to FFAG Accelerators and Storage Rings - www-bd.fnal.gov/icfabd/Newsletter43.pdf, MK Craddock, Beam Dynamics Newsletter, No.43, 2007, p.19
  5. Milton Stanley Livingston - www.nap.edu / html / biomems / mlivingston.pdf, A biographical memoir by Ernest D. Courant
  6. The Multiple Acceleration of Ions to Very High Speeds - prola.aps.org/pdf/PR/v45/i9/p608_1, Ernest O. Lawrence, M. Stanley Livingston, Phys.Rew., 45, 608, 1934.
  7. Циклотрон - ufn.ru/ufn37/ufn37_8/Russian/r378_f.pdf, Є. О. Лоуренс, Д. Кукса, УФН, (8), 1932.
  8. Меморіал Радієвого інституту імені В. Г. Хлопіна - www.khlopin.ru / memorial.php
  9. Радієвий інститут імені В. Г. Хлопіна. Хронологія. - www.khlopin.ru / hronology.php

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас