Cyklotron

Rodzaj przyspieszanych cząstek protony, deuterony, cząstki alfa
Kształt toru kołowy (rosnący promień)
Metoda przyspieszania zmienne pole elektryczne
Maksymalna energia rzędu GeV

 

Cyklotron - najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym.
W akceleratorach cyklicznych, w tym i w cyklotronie, przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych, przebiegając wielokrotnie przez obszar w którym są przyspieszane.

Budowa

Schemat budowy cyklotronu [2]

Cyklotron składa się z elektromagnesu wytwarzającego pole magnetyczne i komory próżniowej, w której umieszczono dwie półkoliste elektrody zwane duantami. Między elektrodami wytwarzane jest za pomocą generatora wysokiej częstotliwości zmienne pole elektryczne. W centrum cyklotronu znajduje się źródło cząstek (cząsteczek) naładowanych elektrycznie lub cząsteczki te są wprowadzane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość generatora jest równa częstotliwości obiegu cząstek, to cząstki są przyspieszane podczas przelotu między duantami. Cząstki o innym czasie przelotu są okresowo przyspieszane i hamowane i w końcu uderzają w duanty. Cząsteczki o większej energii poruszają się po większym promieniu. Gdy promień cząstki jest odpowiednio duży, może ona opuścić akcelerator, pomocna w tym może być dodatkowa elektroda kierująca cząsteczki w odpowiednim kierunku.

Animacja działania cyklotronu [3]

Częstotliwość obiegu wynosi:

Wynika stąd że czas obiegu, a zatem i  prędkość kątowa cząstek o różnych energiach , poruszających się w jednorodnym polu magnetycznym jest stała. Warunek ten jest spełniony tylko dla cząstek o stosunkowo niewielkich energiach. Jak praktyczne kryterium rozsynchronizowania procesu przyspieszania w cyklotronie przyjmuje się taki przyrost energii kinetycznej cząstki, który jest równoważny przyrostowi masy spoczynkowej o 1%. Wynikają stąd maksymalne energie do których można przyspieszać cząstki w cyklotronie klasycznym:

Cyklotron izochroniczny

Cyklotron izochroniczny (akcelerator z azymutalną modulacją pola) — cyklotron skonstruowany tak, aby czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek był stały (stąd nazwa izochroniczny) pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi. Efekty te występują przy rozpędzaniu cząstek do prędkości porównywalnych z prędkością światła.

Nabiegunniki w cyklotronie izochronicznym

Stały czas obiegu uzyskuje się poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu (jak przedstawione na rysunku).

Modyfikacja taka upraszcza układ wytwarzania napięcia przyspieszającego, który w takim akceleratorze jest generatorem o stałej częstotliwości. Konstrukcja ta umożliwia pracę ciągłą akceleratora, a przez to także zwiększa maksymalną energię możliwą do osiągnięcia oraz natężenie wiązki.

Współczesny cyklotron izochroniczny do zastosowań terapeutycznych [4]

Źródła

  1. Waldemar Scharf, Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowania, PWN, Warszawa 1987, strony 99-136
  2. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/cyclot.html
  3. http://wise-obs.tau.ac.il/~barkana/electric.html
  4. http://www.pennhealth.com/perelman/proton/renderings/cyclotron.html