Что такое циклотрон в физике
Циклотрон
В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.
Принцип действия
В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещённых в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой). При не слишком больших (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же момент времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения образует плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. Поскольку задающее орбиту пучка магнитное поле неизменно, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения частиц также не меняет параметров, циклотрон может работать в непрерывном режиме: все витки спирали заполнены частицами пучка ионов.
Фокусировка пучка
В горизонтальной плоскости частицы автоматически фокусируются в однородном магнитном поле. В вертикальном направлении фокусировка происходит за счёт неоднородности электрического поля в ускоряющем зазоре. Действительно, если частица смещена по вертикали из медианной плоскости, то на входе в ускоряющий зазор она испытает толчок в сторону медианной плоскости вертикальной компонентой краевого электрического поля. На выходе толчок будет обратного знака, но меньшей силы, за счёт конечного смещения частицы. На внешнем радиусе циклотрона, где магнитное поле спадает, происходит дополнительная фокусировка по обеим координатам за счёт линейного градиента поля.
Модификации циклотрона
Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как для релятивистской частицы частота обращения начинает зависеть от энергии.
С нарушением условия синхронизма частицы приходят в ускоряющий зазор не в правильной фазе и перестают ускоряться. Таким образом, циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20—25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку, изохронный циклотрон. В изохронных циклотронах для сохранения неизменной частоты обращения создаётся неоднородное, нарастающее по радиусу магнитное поле. Другая модификация циклотрона — синхроциклотрон (фазотрон), в котором частота ускоряющего электрического поля не остаётся постоянной, а уменьшается синхронно с частотой обращения частиц. Однако понятно, что в отличие от классического циклотрона, который может работать в непрерывном режиме, синхроциклотрон может ускорять пучок только импульсно. Наконец, самый дальний родственник циклотрона — ускоритель FFAG (Fixed Field Alternate Gradient accelerator). В таком ускорителе магнитное поле не имеет азимутальной симметрии, но в процессе ускорения пучка остаётся постоянным, а частота ускоряющего электрического поля — варьируется. Таким образом, семейство ускорителей, происходящих от циклотрона, выглядит так:
| Магнитное поле | Частота ускоряющего поля | |
|---|---|---|
| Фиксированная частота (непрерывный пучок) | Изменяемая частота (импульсный пучок) | |
| Однородное поле | циклотрон | синхроциклотрон |
| Периодическое поле | изохронный циклотрон | FFAG |
Некоторые циклотроны
Первый циклотрон был создан в 1930 году американскими физиками Э. Лоуренсом и С. Ливингстоном. Это был маленький ускоритель 4-дюймового диаметра на энергию 80 кэВ, для проверки принципов резонансного ускорения. В 1931—32 году была создана более серьёзная машина, диаметр циклотрона составил 25 см («11-дюймовый циклотрон»); достигнутая кинетическая энергия протонов в их экспериментах составила 1,2 МэВ.
В 1932 году этими же учёными была создана ещё более крупная машина, размером 69 см (27 дюймов), на энергию протонов 5 МэВ. Эта установка активно использовалась в экспериментах по исследованию ядерных реакций и искусственной радиоактивности.
Строительство первого в Европе циклотрона (циклотрон Радиевого института) проходило в Радиевом институте (Ленинград) в период 1932—1937 годов. Начинали работу над проектом учёные Г. А. Гамов (в дальнейшем эмигрировавший в США) и Л. В. Мысовский, в дальнейшем участвовали и другие сотрудники физического отдела института под руководством В. Г. Хлопина. Работы вели Г. А. Гамов, И. В. Курчатов и Л. В. Мысовский, установка создана и запущена в 1937 году.
Крупнейший в мире циклотрон — циклотрон лаборатории TRIUMF в Университете Британской Колумбии, в Ванкувере, Канада. Магнит этого циклотрона, ускоряющего ионы H- до энергии 500 МэВ, весит 4000 тонн и создаёт поле 4,6 кгс. Ускоряющее электрическое ВЧ-поле имеет частоту 23 МГц и амплитуду напряжения 96 кВ. Выпускаемый ток составляет 300 мкА. Выпуск осуществляется с помощью обдирки электронов при прохождении через графитовую фольгу.
Что такое циклотрон в физике
Циклотрон – циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.
 Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона |
Схема устройства циклотрона показана на рис.3. Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном магнитном поле напряженностью B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой
 , | (1) |
 | (2) |
В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений. При этом частицы приобретают скорость v = ZeBR/m и соответствующую ей энергию:
На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.
Недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения γ от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.
Для ускорения тяжёлых частиц в режиме раскручивающейся спирали до энергий в десятки раз больших (вплоть до 1000 МэВ) используют модификацию циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном, а также фазотрон. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля.
ЦИКЛОТРОН
— резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магн. поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрич. поля. Следует различать обычные Ц., в к-рых индукция магн. поля не зависит от азимута, и Ц. с азимутальной вариацией магн. поля, иначе называемые изохронными циклотронами.
Первая конструкция Ц. была предложена Э. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, и тогда же ему удалось получить поток дейтронов с энергией до 6 МэВ и силой тока до 25 мкА.
Рассмотрим движение частиц в вакуумной камере Ц. в отсутствие ускоряющего напряжения. Траектории частиц, движущихся по азимуту, в пост. вертикальном магн. поле имеют вид, близкий к горизонтально расположенным окружностям. Необходимое для такого движения центро-стремит. ускорение создаёт сила Лоренца.
Для частицы, движущейся в Ц., справедливы следующие соотношения:
Ф-лы (1) и (2) показывают, что при пост. индукции В частота обращения нерелятивистских частиц в Ц. не зависит от их энергии, а радиус траектории пропорционален импульсу. Поэтому траектории ускоряемых частиц представляют собой не окружности, а раскручивающиеся спирали. Частота ускоряющего поля постоянна и равна (или кратна) частоте обращения частиц в вакуумной камере.
Неизменность магн. поля и частоты ускоряющего напряжения делают возможным непрерывный режим ускорения: в то время как одни частицы движутся по внеш. виткам спирали, другие находятся на середине пути, а третьи только начинают движение (частицы инжектируются в вакуумную камеру Ц. вблизи её центра); радиус инжекции зависит от импульса, к-рый приобретают частицы в ионном источнике или на пути от источника к дуанту.
Ускоряемые частицы заполняют спиральную траекторию не сплошь. Занятыми оказываются только те её участки, к-рые соответствуют частицам, приходящим в зазор при ускоряющем направлении электрич. ВЧ-поля. Поэтому пучок ускоряемых частиц распадается на цепочку следующих друг за другом групп частиц (банчей, см. Банчировка).
При значит. ускорении частиц, когда происходит релятивистское увеличение массы (g> 1). частота обращения частиц начинает падать, и они выходят из синхронизма с ускоряющим полем. В таком случае режим ускорения частиц сменяется их за. 2 в плане и 4,5 м по высоте.
Рис. 2. Внешний вид циклотрона Института ядерных исследований на 35 МэВ по протонам.
Лит. см. при ст. Ускорители заряженных частиц.
ЦИКЛОТРОН
— резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магн. поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрич. поля. Следует различать обычные Ц., в к-рых индукция магн. поля не зависит от азимута, и Ц. с азимутальной вариацией магн. поля, иначе называемые изохронными циклотронами.
Первая конструкция Ц.была предложена Э. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, и тогда же ему удалось получить поток дейтронов с энергией до 6 МэВ и силой тока до 25 мкА.
Рассмотрим движение частиц в вакуумной камере Ц. в отсутствие ускоряющего напряжения. Траектории частиц, движущихся по азимуту, в пост. вертикальном магн. поле имеют вид, близкий к горизонтально расположенным окружностям. Необходимое для такого движения центро-стремит. ускорение создаёт сила Лоренца.
Для частицы, движущейся в Ц., справедливы следующие соотношения:
Ф-лы (1) и (2) показывают, что при пост. индукции В частота обращения нерелятивистских частиц в Ц. не зависит от их энергии, а радиус траектории пропорционален импульсу. Поэтому траектории ускоряемых частиц представляют собой не окружности, а раскручивающиеся спирали. Частота ускоряющего поля постоянна и равна (или кратна) частоте обращения частиц в вакуумной камере.
Неизменность магн. поля и частоты ускоряющего напряжения делают возможным непрерывный режим ускорения: в то время как одни частицы движутся по внеш. виткам спирали, другие находятся на середине пути, а третьи только начинают движение (частицы инжектируются в вакуумную камеру Ц. вблизи её центра); радиус инжекции зависит от импульса, к-рый приобретают частицы в ионном источнике или на пути от источника к дуанту.
Ускоряемые частицы заполняют спиральную траекторию не сплошь. Занятыми оказываются только те её участки, к-рые соответствуют частицам, приходящим в зазор при ускоряющем направлении электрич. ВЧ-поля. Поэтому пучок ускоряемых частиц распадается на цепочку следующих друг за другом групп частиц (банчей, см. Банчировка).
При значит. ускорении частиц, когда происходит релятивистское увеличение массы (g> 1). частота обращения частиц начинает падать, и они выходят из синхронизма с ускоряющим полем. В таком случае режим ускорения частиц сменяется их за. В. Однако для Ц. с азимутально-симметричным полем это ведёт к появлению неустойчивости вертикального движения ускоряемых частиц.
При устойчивом движении всякое отклонение параметров движения частиц от равновесных значений должно сопровождаться возникновением эффектов, стремящихся вернуть эти параметры к равновесным, так что частицы совершают колебания около равновесных значений. Принято различать устойчивость поперечных колебаний (колебаний по высоте и по радиусу) и устойчивость продольного движения (радиально-фазовые колебания).
Можно показать, что в азимутально-симметричном поле вертикальное движение оказывается устойчивым лишь в том случае, если индукция магн. поля не растёт, а убывает с радиусом. Обычно такое поле и создаётся. Складываясь с релятивистским увеличением массы, этот эффект накладывает дополнит. ограничение на макс. энергию ускоряемых частиц. У Ц., используемых для ускорения протонов, максимально достижимая энергия лежит в области 30 МэВ.
Увеличить энергию, к-рую могут достичь частицы, ускоряемые в Ц., возможно двумя способами. Можно отказаться от постоянства частоты ускоряющего напряжения, снижая её, по мере того как падает частота обращения частиц. Такие ускорители наз. фазотронами. При изменяющейся во времени частоте становится невозможным описанный выше режим ускорения, когда в ускорителе сосуществуют частицы, находящиеся на разных стадиях процесса ускорения. Частота ускоряющего поля при этом соответствует ускорению одного или группы близко расположенных банчей. T. о., увеличение максимально достижимой энергии частиц в фазотроне происходит за счёт существенного снижения интенсивности.
Другой путь достижения макс. энергии заключается в отказе от азимутальной симметрии магн. поля. В таких ускорителях частицы попеременно пересекают области, в к-рых поле с увеличением радиуса растёт и уменьшается. При правильном выборе параметров в результате такого движения появляется вертикальная устойчивость даже при увеличивающейся с радиусом ср. индукции магн. поля. Ускорители, построенные по этому принципу, наз. изохронным и Ц. Изохронные Ц. работают при пост. частоте ускоряющего поля и поэтому способны выдавать большие токи ускоренных частиц. Азимутальное изменение магн. поля, совмещённое с радиальным, требует магн. полюсов сложной формы. Полюса изохронных Ц. обычно составляются из неск. секторов или снабжаются спиралевидными гребнями.
Внеш. вид одного из современных Ц., работающего в Институте ядерных исследований, представлен на рис. 2. Он может ускорять как протоны, так и ионы (до неона включительно). На внеш. витке спирали энергия протонов составляет 35 МэВ. Cp. ток ускоренных протонов 30 ткА. Мощность ускоренного пучка составляет
1 кВт. Магн. ярмо Ц. весит 300 т, вес катушек возбуждения
70 т, диаметр магн. полюсов 150 см, потребляемая от сети мощность
180 кВт. Габаритные размеры Ц. 8 13 м 2 в плане и 4,5 м по высоте.
Рис. 2. Внешний вид циклотрона Института ядерных исследований на 35 МэВ по протонам.
Лит. см. при ст. Ускорители заряженных частиц.
Циклотрон
_-_01.jpg/280px-Belgique_-_Louvain-la-Neuve_-_C%C5%93ur_du_premier_cyclotron_belge_(1947)_-_01.jpg "Что такое циклотрон в физике. Смотреть фото Что такое циклотрон в физике. Смотреть картинку Что такое циклотрон в физике. Картинка про Что такое циклотрон в физике. Фото Что такое циклотрон в физике")
В циклотроне частицы, помещенные в постоянное магнитное поле, движутся по спиралевидной траектории, состоящей из последовательных полукругов увеличивающегося радиуса с каждым импульсом переменного электрического поля постоянной частоты. В синхротроне частицы движутся по круговой траектории радиуса, поддерживаемого постоянным магнитным полем, увеличивающимся с энергией частиц. Частота ускоряющего электрического поля увеличивается.
В циклотроне частицы ускоряются до энергий от нескольких МэВ до 70 МэВ. Другие типы круговых ускорителей, появившихся недавно, позволяют достичь более высоких энергий: синхроциклотрон (сотни МэВ) и синхротрон (миллионы МэВ или ТэВ).
Резюме
Операция
Структура устройства
К этому устройству мы должны добавить:
Принцип действия
Работа циклотрона анимирована в справочнике.
Из этого уравнения следует, что:
Релятивистские соображения
Когда скорость частиц приближается к скорости света, циклотронная частота и пульсации должны быть переписаны:
Радиус вращения для перемещения частиц в статическом магнитном поле задается
Синхроциклотрон
Следовательно, синхроциклотрон работает последовательно. Например, синхроциклотрон Orsay SC200 доставляет протонные пакеты длительностью 20 микросекунд каждые 2,2 миллисекунды.
Изохронный циклотрон или AVF
Следует отметить, что эти модификации магнитного поля носят чисто пространственный характер и не зависят от времени. Поле B остается статичным. Циклотронная частота поддерживается постоянной. Это позволяет частицам ускоряться непрерывно с каждым периодом радиочастоты электрического поля, а не сгустками, как в синхроциклотроне и в большинстве других ускорителей. Принцип изменения магнитного поля, при котором холмы и долины чередуются по секторам, имеет сильный фокусирующий эффект. Циклотроны AVF обеспечивают гораздо более интенсивные токи пучка, чем синхроциклотроны. Поэтому все современные циклотроны используют вариации азимутального поля, даже циклотроны, энергия частиц которых остается в нерелятивистской области.
Полезность
История
Еще один синхроциклотрон на 200 МэВ спроектирован и построен в Орсе. Он работал для исследований в период с 1978 по 1990 год, затем для протонной терапии с 1990 по 2010 год. В 2010 году циклотрон IBA C230 был установлен в новом центре протонной терапии в Орсе.
В 1963 году под кодовым названием «Проект Дракона» исследователь Анри-Поль Лендерс из Air Liquide разработал первый французский циклотрон.