Ciklotron

A ciklotron egyfajta részecskegyorsító, amelyet Ernest Orlando Lawrence és Milton Stanley Livingston , a kaliforniai University of Berkeley talált ki az 1930-as évek elején .

A ciklotronban az állandó mágneses mezőbe helyezett részecskék egy spirál alakú pályát követnek, amelyek egymást követő, növekvő sugarú félkörökből állnak, mindegyik impulzushoz egy állandó frekvenciájú váltakozó elektromos mezővel . A szinkrotronban a részecskék kör alakú sugarú utat követnek, amelyet a részecskék energiájával növekvő mágneses mező állandóan tart. A gyorsuló elektromos tér frekvenciája növekszik.

Egy ciklotronban a részecskéket néhány MeV- ról 70 MeV-ra gyorsítják fel . Egy újabb találmány szerinti körgyorsító más típusai lehetővé teszik a magasabb energiák elérését: szinkrociklotron (több száz MeV) és szinkrotron (millió MeV vagy TeV).

A nukleáris orvostudományban csaknem 1500 ciklotront használnak világszerte radionuklidok előállítására .

Művelet

Az eszköz felépítése

A ciklotron egy olyan eszköz, amely három fő elemből áll:

egy hengeres vákuumkamra (egyfajta kördiagram), amelynek átmérője sokkal nagyobb, mint a magassága, vízszintesen elrendezve, ahol a töltött részecskék kör alakú utakon keringenek.
elektródák félhengerek vagy D néven, úgynevezett kocka (vagy angolul Dees), a vákuumkamrában helyezkednek el, és nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás elektromos oszcillátorral látják el őket.
erőteljes elektromágnes, amely állandó mágneses teret bocsát ki, merőleges a töltött részecskék pályájának síkjára, és egyenletes a vákuumkamra teljes felületén.

Ehhez az eszközhöz hozzá kell adnunk:

egy vagy több töltött részecske forrása, amelyet alacsony energiával vezetnek be a vákuumkamra közepébe.
egy vagy több kimenet sugárvonalakban, amelyek a felgyorsult részecskéket a céljukhoz irányítják.
egy központi vákuum, amely az összes cirkulációs teret magas vákuum alatt tartja.
hűtőrendszerek, amelyek hűtik a mágnest, valamint a kockákat.

Működés elve

A ciklotron működését animációban mutatjuk be a referenciában.

A ciklotronokat arra tervezték, hogy a részecskéket nem relativisztikus sebességgel , vagyis sokkal alacsonyabb sebességgel gyorsítsák, mint a fénysebesség . Ilyen körülmények között a sugár körpályáján keringő tömeg- , töltés- és sebességrészecskék két antagonista erőnek vannak kitéve, a centrifugális erőnek . $m \;$ $q \,$ $v \;$ $r \,$ ${\ displaystyle F_ {C} \;}$

{\ displaystyle F_ {C} = {mv ^ {2} \ over r} \;}

és a mágneses mező Lorentz-erő által létrehozott centripetális erő . $B \,$

{\ displaystyle F_ {B} = qvB \;}

Az alapelv a dinamika , = ezért: ${\ displaystyle F_ {C} \;}$ ${\ displaystyle F_ {B} \,}$

{\ displaystyle mv = qBr \;}

Ebből az egyenletből az következik, hogy:

A részecske pályájának sugara ( gyroradius ):

{\ displaystyle r = {mv \ felett qB} \;}

A részecskék lüktetése és forgási gyakorisága független a pálya sugarától és a részecskék lineáris sebességétől: ${\ displaystyle {\ omega _ {c}} = {\ frac {v} {r}} \;}$ ${\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {\ omega _ {c}} {2 \ pi}} \;}$

{\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {v} {2 \ pi r}} = {\ frac {qB} {2 \ pi m}} \;}

A frekvenciát ciklotron frekvenciának nevezzük . Csak a mágneses mezőtől és a felgyorsult részecske típusától függ. A frekvencia a váltakozó elektromos tér alkalmazható a kocka van rögzítve a ciklotron jelentése: . Ily módon minden egyes fordulaton a részecskék gyorsulási impulzust kapnak, amikor áthaladnak a kocka között, növekszik a sebességük és növekszik a pályájuk sugara, de egy pálya utazási ideje állandó és egyenlő marad a forgási periódus alatt. . Ezért mondják, hogy a ciklotron izokrón .

{\ displaystyle f_ {c} \;}

{\ displaystyle f_ {e} \;}

{\ displaystyle f_ {e} = f_ {c} \;}

{\ displaystyle T_ {c} = {\ frac {1} {f_ {c}}} \;}

A maximális sebesség akkor érhető el, amikor a részecskék keringenek a kocka kerületén, vagyis amikor : ${\ displaystyle v_ {max},}$ ${\ displaystyle r \; = \; R}$

{\ displaystyle v_ {max} = {qBR \ felett m} \,}

A részecskék mozgási energiája a ciklotron kijáratánál:

{\ displaystyle E_ {C} = {1 \ over 2} mv_ {max} ^ {2} = {\ frac {q ^ {2} B ^ {2} R ^ {2}} {2m}} \;}

Adott tömegű részecske esetében az energia függ a mágneses mező intenzitásától és a mágnes pólusainak átmérőjétől, amelyek határolják a mágneses mező által keresztezett felületet. Ferromágneses elektromágnes esetén a tér 2 T-ra korlátozódik. A nagy energiák eléréséhez ezért nagy átmérőjű mágneseket kell létrehozni. Így Lawrence 1942-ben egyre nagyobb ciklotron sorozatokat épített, amelyek átmérője elérte a 4,40 m-t.

Relativisztikus szempontok

Amikor a részecskék sebessége megközelíti a fénysebességet, a ciklotron frekvenciát és a pulzációt át kell írni:

{\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {qB} {2 \ pi \ gamma m_ {0}}} = {\ frac {f_ {0}} {\ gamma}}}

, és

{\ displaystyle \ omega _ {c} = {2 \ pi f_ {c}} = {\ frac {qB} {\ gamma m_ {0}}} = {\ frac {\ omega _ {0}} {\ gamma }}}

vagy

f_0

a ciklotron frekvencia klasszikus nem relativisztikus körülmények között,

\ omega_0

a pulzálás nem relativisztikus körülmények között,

\ beta = \ frac {v} {c}

a relatív sebesség, és

{\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ beta ^ {2}}}} = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ balra ({\ frac {v} { c}} \ right) ^ {2}}}}}

a Lorentz-faktor .

A statikus mágneses térben mozgó részecske gyrációs sugarát a

{\ displaystyle r = {\ frac {v} {\ omega _ {c}}} = {\ frac {v} {\ omega _ {0}}} \ gamma}

Összegzésképpen elmondhatom , hogy relativisztikus körülmények között a ciklotron frekvenciája csökken és a pálya sugara növekszik. Az izokronizmus elvész. Eltérés jelenik meg a és között , ami a sugár elvesztéséhez vezet. Visszaállításához vagy alkalmazkodnunk kell, vagy növelnünk kell a mágneses teret, hogy a részecskék visszatérjenek a helyes útra, és visszanyerjük a és közötti szinkronizációt . ${\ displaystyle \ gamma> 1}$ $f_ {c}$ $f_ {e}$ $f_ {e}$ $f_ {c}$ $f_ {e}$ $f_ {c}$

Szinkrociklotron

A szinkrociklotronban az elektromos tér frekvenciája az idő függvényében változóvá válik , hogy egyenlő maradjon, ami csökken, amikor a lineáris sebesség megközelíti a fénysebességet. $f_ {e}$ ${\ displaystyle f_ {e} (t)}$ $f_ {c}$

{\ displaystyle f_ {e} = f_ {c} = {\ frac {f_ {0}} {\ gamma}} = {f_ {0}} {\ sqrt {1- \ beta ^ {2}}}}

Ezért a szinkrociklotron szekvenciákban működik. Például az Orsay SC200 szinkrociklotron 2,2 ezredmásodpercenként 20 mikroszekundumig tartó protoncsomagokat szállít.

Izokron ciklotron vagy AVF

Alternatív megoldásként az izokronizmus fenntartása érdekében meg kell növelni a mágneses tér intenzitását . De a gerenda függőleges stabilitásának fenntartásához éppen ellenkezőleg, a mező csökkenése szükséges . 1938-ban Llewellyn Thomas javasolta ennek a dilemmának a megoldását a mágneses tér térbeli variációinak bevezetésével, miközben az elektromos tér frekvenciája állandó relációval gyorsult és rögzült a ciklotron frekvenciáján nem relativisztikus körülmények között. Thomas által bevezetett mágneses mező módosítások kétféle típusúak: $r \,$ $r \,$ ${\ displaystyle f_ {e} \,}$ ${\ displaystyle f_ {0} \,}$

radiális variáció : a mágneses mező növekedése a ciklotron középpontjától a perifériájáig kompenzálja a növekvő tömeg relativisztikus hatását.

Tekintettel a gyroradius és a relativisztikus ciklotron frekvenciára , egy mezőt úgy hajtunk végre , hogy a ciklotron perifériájának középpontja a Lorentz-faktorral arányosan változzon . Ilyen körülmények között

{\ displaystyle r = {\ frac {\ gamma m_ {0} v} {qB}}}

{\ displaystyle f_ {c} = {\ frac {f_ {0}} {\ gamma}}}

B

{\ displaystyle B = \ gamma B_ {0}}

{\ displaystyle r = {\ frac {m_ {0} v} {qB_ {0}}}}

A pálya sugara csak a lineáris sebességtől függ , mint a nem relativisztikus körülmények között.

v

azimutális moduláció : az erős mező és a gyenge mező szektorok váltakozása fenntartja a részecskék keresztirányú stabilitását spirális pályájukon. Ezért nevezik ezeket az izokron ciklotronokat AVF (azimutális változó térű) ciklotronoknak is.

Meg kell jegyezni, hogy a mágneses mező ezen módosításai tisztán térbeliak, és nem függenek az időtől. A B mező statikus marad. A ciklotron frekvenciáját állandó értéken tartjuk. Ez lehetővé teszi a részecskék folyamatos gyorsulását az elektromos mező rádiófrekvenciájának minden periódusában, nem pedig csomókban, mint a szinkrociklotronban és a legtöbb más gyorsítóban. A mágneses tér variációjának elve, dombok és völgyek szektoronként váltakozva, erős fókuszáló hatással bír. Az AVF ciklotronok sokkal intenzívebb sugáráramot szolgáltatnak, mint a szinkrociklotronok. Ezért minden modern ciklotron azimutális mezőváltozatot használ, még azok a ciklotronok is, amelyek részecske energiája a nem relativisztikus tartományban marad.

A Nantes-i Egyetemen 2007-2008- ban telepített és 2010-ben üzembe helyezett ARRONAX ciklotron egy izokron ciklotron, amelyet kutatásra és radioaktív izotópok gyártására szántak az orvostudomány számára. Az ARRONAX-ot 70 MeV protonok és alfa-részecskék előállítására tervezték. Ez egy elektromágnesből áll, amelyet úgy számítottak és állítottak elő, hogy statikus mágneses teret képezzen a protonok számára, és négy póluságazatot, amelyek biztosítják a pályák keresztirányú stabilitását. Ezenkívül ezek a szektorok olyan tekercsekkel is fel vannak szerelve, amelyek sugárirányban korrigálják a fő mágneses teret annak érdekében, hogy az izokronizmus fenntartása mellett a protonok gyorsulásáról az alfa részecskék gyorsulására válthassanak. ${\ displaystyle B = \ gamma B_ {0}}$

Hasznosság

A ciklotron a legkisebb méretű részecskék gyorsítója : 6 m 3 nagyságrendű . Ez lehetővé teszi radioaktív izotópok , különösen oxigén 15 ( 15 O), 11 szén ( 11 C), nitrogén 13 ( 13 N) és 18 fluor ( 18 F) előállítását, különösen az orvostudományban. Az izotópokat úgy kapjuk meg, hogy a célt a ciklotron által felgyorsított protonokkal besugározzuk .

A fluor-18 (rövid felezési idejű izotóp: 109 perc) lehetővé teszi a sejt által nem használható radioaktív cukor, a fluorodeoxi-glükóz (FDG) előállítását, amely elsősorban a rákos területeken halmozódik fel, amelyek sok glükózt fogyasztanak. A pozitronemissziós tomográfia (PET) lehetővé teszi bizonyos rákok kimutatását különösen finom módon, majd nagyon korai szakaszban történő kezelésüket.

Történelem

Az ionok ismételt elektromos impulzusokkal történő gyorsításának (lineáris rezonancia-gyorsulás) elvét Gustav Ising svéd kutató javasolta 1928-ban. Az elvet Rolf Widerøe , norvég kutató hajtotta végre, aki az Aix- i Egyetemen dolgozott dolgozatát. la-Chapelle 1927 - ben. Szakdolgozatát 1928-ban tették közzé. Widerøe nem fejlesztette ki a körgyorsítót, amelynek ötletét azonban egyik bajtársa javasolta neki. Ugyanakkor Max Steenbeck egyidejűleg kifejlesztette a ciklotron koncepcióját a Siemensnél , de nem volt módja felfedezésének közzétételére vagy az eszköz megépítésére. Az első ciklotron szabadalmat Leo Szilard magyar fizikus nyújtotta be 1929-ben, miközben a berlini Humboldt Egyetemen dolgozott .

Franciaországban Jean Thibaud , aki akkor Maurice de Broglie laboratóriumának fiatal kutatója volt , 1929-ben értesült Widerøe téziséről. Viszont gyártott egy lineáris gyorsítót, amely működött. De megjegyzi, hogy a jelentős gyorsulások eléréséhez olyan készüléket kell tudni építeni, amely meghaladja a laboratórium határait. Ezután 1930 novemberében körgyorsítót tervezett és épített. 1932-ben Párizsban tartott Nemzetközi Villamosenergia-kongresszuson előadást tartott erről a témáról. Néhány prototípus elkészítése után Jean Thibaud felhagyott ezzel a kutatási sorral. Ciklotronjairól készített néhány fényképet az Atom hatalma című könyvében . Soha nem próbálta érvényesíteni a felfedezéshez fűződő jogait.

Ernest Orlando Lawrence , a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem professzora elolvassa Widerøe cikkét a lineáris gyorsítóról, és azt képzeli, hogy ugyanez az elv alkalmazható egy kör alakú gyorsítóra is. A megvalósítást egy hallgatóra, Stanley Livingston úrra bízta, aki megépítette az első 1932-ben megrendelt ciklotront. A berkeley -i sugárlaboratóriumban Lawrence ezután egyre erősebb ciklotronok sorozatát építette: 1932-ben 69 cm- től 4, 8 MeV -ig. 94 cm , 8 MeV 1937-ben, 152 cm , 19 MeV 1939-ben és 465 cm szinkrociklotron 1945 -ben. 1939- ben megkapta a fizikai Nobel-díjat .

Az első európai ciklotron a leningrádi Rádium Intézet fizika osztályán épül, Vitali Khlopin vezetésével. Ezt az először George Gamow és Lev Misowski által javasolt műszert Igor Kourtchatov gyártotta és 1937- ben állították üzembe. Németországban Heidelbergben Walther Bothe és Wolfgang Gentner irányításával ciklotron épült , és 1943-ban kezdte meg működését.

Franciaországban Frédéric Joliot ciklotronra vágyott, amikor 1937-ben a Collège de France professzorává nevezték ki. Felhívta Lawrence-t, aki terveket küldött neki. A ciklotron Zürichben épült, és 1939-ben egy új College de France épület pincéjében szerelték fel. A gép fejlesztését először akkor függesztették fel, amikor a németek elfoglalták Párizst. A telepítések felügyeletével megbízott német tiszt kiderül, hogy fizikus, Frédéric Joliot kollégája. Segít az utolsó simítások elvégzésében és a gép üzembe helyezésében. A ciklotron 7 MeV protont termel . 1958-ig a Collège de France-ban, majd 1966-ig Orsay-ban működött. Ezt követően szétszerelték. A mágnest újra felhasználják. A kockát tartalmazó gyorsulási kamrát a Művészeti és Kézműves Múzeumnak adományozzák.

Az első ciklotron sikere érdekében Irène Joliot-Curie megrendel egy Philips 160 MeV szinkrociklotront, amelyet az Orsay Nukleáris Fizikai Intézetbe telepítenek . Ez az eszköz 1958 és 1975 között működött.

1968. november 20-án a Grenoble tudományos poligonjára telepített Nukleáris Tudományok Intézetének ciklotronját üzembe helyezték . 1978-tól 1980-ig javítani fogja a SARA rövidítéssel ellátott és 1998-ig használt utógyorsító.

További 200 MeV szinkrociklotront terveznek és építenek Orsay-ben. Ez működött a kutatás 1978 és 1990, majd a proton terápia 1990 és 2010 között 2010-ben, egy IBA C230 ciklotron volt telepítve az új proton terápia központ Orsay.

1963-ban a „Dragon project” kódnéven Henri-Paul Lenders, az Air Liquide kutatója kifejlesztette az első francia ciklotront.

A TRIUMF ciklotron, a világ legnagyobb ciklotronja, amelyet 1968-ban gyártottak a kanadai Vancouverben , 7,9 m sugárral , 2010-ben olyan protonokat produkált, amelyek elérik a fénysebesség 3/4-ét, vagyis 520 MeV energiát . A ciklotron Ring a Paul Scherrer Intézet a Villigen , Svájcban , az erősebb, mert gyorsítja a protonok 590 MeV , miközben a kisebb, mert használ egy erősebb mágneses mezőt.

Az alomban

A ciklotron a Silent Möbius mangasorozatban szerepel . Egy idős ember azt mondja, hogy a nemezis lények (egy másik dimenzió) célja az összes ciklotron átvétele.

Egy másik megjelenés a képregényben: Felix , Maurice Tillieux készítette. Az 1951-ben írt 27. A Tumulus című epizódban egy karakter azt jelzi, hogy a ciklotron aranyat teremthet, miközben elismeri, hogy nincs módja ilyen típusú gép telepítésére.

A ciklotron említi a könyv a Strike of Ayn Rand (1957), a beszéd a John Galt: „Ő [az ember] nem lehet ásni egy gödröt, vagy építeni egy ciklotron ismerete nélkül a szükséges eszközök ezeket az eredményeket.”

Megjegyzések és hivatkozások

(in) Központ History of Physics, " The First cyclotrons " szóló http://www.aip.org , American Institute of Physics
(in) L. Meideros Romao, Mr. Abs, Kr. E. Amelia, W. Beeckman, JL. Delvaux, Y. Jongen, W. Kleeven, Y. Paradis, D. Vandeplassche, S. Zaremba, „ IBA C70 Cyclotron development ” , Cyclotrons és alkalmazásai. 8. Nemzetközi Konferencia. CERN ,2007, P. 54–56 ( online olvasás )
"A MEDraysintell közel 1500 orvosi ciklotront azonosított világszerte " az ITN Imaging Technology News oldalán ,2020. március 10
" A ciklotron elve " a sciences.univ-nantes.fr webhelyen ,2008(megtekintve : 2016. december 4. )
„ Annalisa Patriarca és Samuel Meyroneinc. A ciklotronokról (beleértve a szinkrociklotronokat is) és a szinkrotronokról. » , A protontherapie.curie.fr webhelyen ,2010. december(megtekintve 2017. február 17-én )
„ P. Ausset. Emlékeztetők a gyorsítók működéséről. Joliot-Curie Nemzetközi Iskola, 2008. szeptember 22–27. ” , A cenbg.in2p3.fr oldalon ,2008(megtekintve 2017. február 16-án )
(in) LH Thomas, " Az ionok útjai. I. kering a mágneses térben ” , Phys. Fordulat. Repülési. 54 ,1938. október, P. 580-588 ( online olvasás )
(in) L. Meideros-Romao, Mr. Abs, BC, Amelia W. Beeckam, JL. Delvaux, Y. Jongen, W. Kleenen, Y. Paradis, D. Vandenplassche, S. Zaremba, „ IBA C70 cyclotron development ” , Cyclotrons and Applications, 18. Nemzetközi Konferencia 2007 ,2007, P. 54–56 ( online olvasás )
(a) W. Beeckman, JC Amelia, JL Delvaux W. Kleeven L. Medeiros-Romão D. Vandeplassche S. Zaremba, IBA, Louvain-la-Neuve, Belgium, és F. Forest, Sigmaphi Vannes, Franciaország, „ Az IBA C70 ciklotronmágnes megmunkálása és összeszerelése ” , Cyclotrons and Applications 2007, 18. nemzetközi konferencia ,2007, P. 81–83 ( online olvasás )
(in) Pedro Waloschek, Todesstrahlen als Lebensretter: Tatsachenberichte Dritten aus dem Reich , Books on Demand , Norderstedt, 2004 ( ISBN 978-3-8334-0979-0 ) , p. 187 .
(in) Per F Dahl és Robert W. Seidel, Lawrence és laboratóriuma: A Lawrence Berkeley Laboratory History of Vol. I., University of California Press, 1989 ( ISBN 978-0-520-06426-3 ) , p. 81-82 .
(a) Pedro Waloschek, Rolf WIDERØE über sich Selbst: Leben und Werk eines úttörői Beschleunigerbaues und der Strahlentherapie , Vieweg + Teubner 1994 ( ISBN 978-3-528-06586-7 ) p. 69 .
(in) Per F Dahl a nukleáris transzmutációtól a maghasadásig, 1932-1939 , CRC Press , 2002 ( ISBN 978-0-7503-0865-6 ) , p. 63 .
(in) Hargittai István, A tudomány marslakói: Öt fizikus, akik megváltoztatták a huszadik századot , Oxford University Press, 2008 ( ISBN 978-0-19-536556-6 ) , p. 47 .
(a) Cutler J. Cleveland Christopher G. Morris, Handbook of Energy: Idővonalak, Top Ten List, és a Word felhők , Elsevier Science, 1 st ed., 2014 ( ISBN 978-0-12-417013-1 ) , p . 371 .
Jean Thibaud, " Nagy sebességű pozitív ionok előállítása többszörös gyorsítással ", CR Acad. Sci. Párizs, 188 .1933, P. 1394-1396
Jean Thibaud, Nagy sebességű pozitív ionok előállítása többszörös gyorsítással. In Proceedings of the International Electricity Congress, Párizs, 1932, Vol. 2 , Párizs, Gauthier-Villars,1933, 984 p. , P. 962–967
(in) Mr. Alonso és E. Finn , fizika , Addison-Wesley ,1992, 1138 p. ( ISBN 978-0-201-56518-8 ).
(in) " Ernest Lawrence és M. Stanley Livingston " , Kaliforniai Egyetem, Berkeley .
(in) VS Emelyanov, " Nukleáris energia a Szovjetunióban " , Atomtudósok Közlönye , 1. évf. 27, n o 9,1971, P. 38–41 ( online olvasás ).
Yves Thomas, ARRONAX. Le Cyclotron , Nantes, Coiffard kiadás,2016, 151 p. ( ISBN 978-2-919339-38-9 ) , p. 62.
lpsc.in2p3.fr, SARA Photo Library (Rhône-Alpes gyorsító rendszer) .
Samuel Meyroneinc, „ A ciklotronokról, az Institut Curie-ről és az Orsay webhelyről ” , a protontherapie.curie.fr oldalon ,2010. december(megtekintve 2017. február 17-én ) .
Charles Kittel, Walter D. Knight és Malvin A. Ruderman ( fordította Pierre Léna), Berkeley: Cours de Physique , vol. 1: Mechanika , Párizs, Armand Colin ,1962, 481 p. , "A fizika története", p. 127-131.