WikiDer > Синхроциклотрон

Эскиз синхроциклотрона из патента Макмиллана.^[1]

А синхроциклотрон это особый вид циклотрон, запатентовано Эдвин Макмиллан, в котором частота движения РФ электрическое поле изменяется, чтобы компенсировать релятивистские эффекты, поскольку скорость частиц начинает приближаться к скорость света. В этом отличие от классического циклотрона, где эта частота постоянна.^[1]

Есть два основных различия между синхроциклотроном и классическим циклотроном. В синхроциклотроне только один ди (полый электрод из листового металла в форме буквы «D») сохраняет свою классическую форму, в то время как другой полюс остается открытым (см. патентный рисунок). Кроме того, частота колеблющегося электрического поля в синхроциклотроне непрерывно уменьшается, а не остается постоянной, чтобы поддерживать циклотронный резонанс для релятивистских скоростей. Одна клемма колеблющегося электрического потенциала, периодически меняющегося, прикладывается к dee, а другая клемма - к потенциалу земли. Протоны или дейтроны для ускорения заставляют двигаться по кругам увеличивающегося радиуса. Ускорение частиц происходит, когда они входят или покидают ди. На внешнем крае ионный пучок может быть удален с помощью электростатического дефлектора. Первый синхроциклотрон произвел дейтроны 195 МэВ и 390 МэВ. α-частицы.^[2]

Отличия от классического циклотрона

В классическом циклотроне угловая частота электрического поля определяется выражением

${ displaystyle omega = { frac {qB} {m}}}$,

Где ${ displaystyle omega}$ - угловая частота электрического поля, ${ displaystyle q}$ - заряд частицы, ${ displaystyle B}$ - магнитное поле, а ${ displaystyle m}$ - масса частицы. Это делает предположение, что частица является классической и не испытывает релятивистских явлений, таких как сокращение длины. Эти эффекты начинают становиться значительными, когда ${ displaystyle v}$, скорость частицы больше ${ Displaystyle приблизительно { гидроразрыва {c} {3}}}$. Чтобы исправить это, вместо массы покоя используется релятивистская масса; таким образом, фактор ${ displaystyle gamma}$ умножает массу, так что

${ displaystyle omega = { frac {qB} {m gamma}}}$,

куда

${ displaystyle gamma = { frac {1} { sqrt {1 - { frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}$.

Это угловая частота поля, приложенного к частицам, когда они ускоряются вокруг синхроциклотрона.

Преимущества

Часть бывшего Орсе синхроциклотрон

Главное преимущество синхроциклотрона состоит в том, что нет необходимости ограничивать количество оборотов, совершаемых ионом перед его выходом. Таким образом, разность потенциалов между деэлементами может быть намного меньше.

Меньший разность потенциалов Необходимый через разрыв имеет следующие применения:

1. Нет необходимости в узком зазоре между деформациями, как в случае обычного циклотрона, потому что не требуются сильные электрические поля для создания большого ускорения. Таким образом, вместо двух можно использовать только один разъем, а другой конец источника колебательного напряжения подключен к земле.
2. Магнитные полюсные наконечники можно приблизить, что позволяет значительно увеличить плотность магнитного потока.
3. Генератор с частотным вентилем может работать с гораздо большей эффективностью.

Недостатки

Основным недостатком этого устройства является то, что в результате изменения частоты источника колебательного напряжения только очень небольшая часть ионов, покидающих источник, захватывается на фазостабильных орбитах с максимальным радиусом и энергией, в результате чего что выходной ток пучка имеет низкий рабочий цикл, а средний ток пучка составляет лишь небольшую часть мгновенного тока пучка. Таким образом, машина производит ионы высокой энергии, хотя и со сравнительно низкой интенсивностью.

Следующий этап развития концепции циклотрона - изохронный циклотрон, поддерживает постоянную частоту ВЧ-возбуждения и компенсирует релятивистские эффекты за счет увеличения магнитного поля с радиусом. Изохронные циклотроны способны производить намного больший ток пучка, чем синхроциклотроны. В результате изохронные циклотроны стали более популярными в области исследований.

История

Синхроциклотрон (SC) в ЦЕРНе

В 1945 г. Роберт Листер Торнтон в Эрнест Лоуренсс Радиационная лаборатория возглавил строительство 184-дюймового (470 см) циклотрона на 730 МэВ. В 1946 году он руководил преобразованием циклотрона в новую конструкцию, разработанную Макмилланом, который стал первым синхроциклотроном, способным производить дейтроны с энергией 195 МэВ и 390 МэВ. α-частицы.

После ввода в эксплуатацию первого синхроциклотрона Управление военно-морских исследований (ONR) профинансировал две инициативы по созданию синхроциклотрона. Первое финансирование было в 1946 г. Технологический институт Карнеги построить синхроциклотрон на 435 МэВ под руководством Эдвард Кройц и начать свою программу исследований в области ядерной физики. Вторая инициатива была в 1947 г. Чикагский университет построить синхроциклотрон на 450 МэВ под руководством Энрико Ферми.

В 1948 г. Университет Рочестера завершила строительство своего синхроциклотрона на 240 МэВ, а затем завершила строительство синхроциклотрона на 380 МэВ на Колумбийский университет в 1950 г.

В 1950 г. начал работать синхроциклотрон на 435 МэВ в Технологическом институте Карнеги, а в 1951 г. - на синхроциклотрон на 450 МэВ Чикагского университета.^[2]

На ЮНЕСКО на встрече в Париже в декабре 1951 г. обсуждалась возможность решения проблемы создания ускорителя средней энергии для формирующейся в ближайшее время Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Синхроциклотрон был предложен как решение для преодоления разрыва до 28 ГэВ. Протонный синхротрон было выполнено. В 1952 г. Корнелис Баккер привел группу к разработке и созданию синхроциклотрона под названием Синхро-циклотрон (SC) в ЦЕРН. Разработка синхроциклотрона с окружностью 15,7 метра (52 фута) началась в 1953 году. Строительство началось в 1954 году, и в августе 1957 года было достигнуто ускорение протонов 600 МэВ, а экспериментальная программа началась в апреле 1958 года.^[3]

Текущие события

Синхроциклотроны привлекательны для использования в протонная терапия из-за возможности создавать компактные системы с использованием сильных магнитных полей. Компании, занимающиеся медицинской физикой, Ion Beam Applications и Mevion Medical Systems разработали сверхпроводящие синхроциклотроны, которые могут удобно разместиться в больницах.^[4][5]

Рекомендации