Synchrocyklotron - Synchrocyclotron

Náčrt synchrocyklotronu z patentu McMillana.^[1]

A synchrocyklotron je speciální typ cyklotron, patentováno Edwin McMillan, ve kterém je frekvence řízení RF elektrické pole se mění, aby kompenzoval relativistické efekty, jak se rychlost částic začíná přibližovat k rychlost světla. To je na rozdíl od klasického cyklotronu, kde je tato frekvence konstantní.^[1]

Mezi synchrocyklotronem a klasickým cyklotronem existují dva hlavní rozdíly. V synchrocyklotronu pouze jeden dee (dutá plechová elektroda ve tvaru písmene "D") si zachovává svůj klasický tvar, zatímco druhý pól je otevřený (viz náčrt patentu). Kromě toho frekvence kmitavého elektrického pole v synchrocyklotronu trvale klesá namísto udržování konstantní, aby se udržela cyklotronová rezonance pro relativistické rychlosti. Jedna svorka oscilačního elektrického potenciálu, která se periodicky mění, se aplikuje na dee a druhá svorka je na zemním potenciálu. Protony nebo deuterony které mají být zrychleny, se pohybují v kruzích s rostoucím poloměrem. K zrychlení částic dochází při vstupu nebo výstupu z dee. Na vnějším okraji lze iontový paprsek odstranit pomocí elektrostatického deflektoru. První synchrocyklotron produkoval 195 MeV deuteronů a 390 MeV α-částice.^[2]

Rozdíly od klasického cyklotronu

V klasickém cyklotronu je úhlová frekvence elektrického pole dána vztahem

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

Kde ${ displaystyle omega}$ je úhlová frekvence elektrického pole, ${ displaystyle q}$ je náboj částice, ${ displaystyle B}$ je magnetické pole a ${ displaystyle m}$ je hmotnost částice. To vytváří předpoklad, že částice je klasická a nezažije relativistické jevy, jako je kontrakce délky. Tyto účinky začnou být významné, když ${ displaystyle v}$, rychlost částice větší než ${ displaystyle cca { frac {c} {3}}}$. Abychom to napravili, použije se místo zbytkové hmoty relativistická hmotnost; tedy faktor ${ displaystyle gamma}$ vynásobí hmotnost tak, že

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

kde

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

Toto je pak úhlová frekvence pole aplikovaného na částice, když jsou urychlovány kolem synchrocyklotronu.

Výhody

Část bývalého Orsay synchrocyklotron

Hlavní výhodou synchrocyklotronu je, že není nutné omezovat počet otáček prováděných iontem před jeho opuštěním. Jako takový může být potenciální rozdíl dodávaný mezi jeleny mnohem menší.

Menší potenciální rozdíl potřebné přes mezeru má následující použití:

1. Není potřeba úzké mezery mezi dees, jako v případě konvenčního cyklotronu, protože silná elektrická pole pro produkci velkého zrychlení nejsou nutná. Lze tedy použít pouze jeden dee místo dvou, druhý konec oscilačního napájecího napětí je připojen k zemi.
2. Části magnetického pólu lze přiblížit, což umožňuje výrazně zvýšit hustotu magnetického toku.
3. Oscilátor frekvenčního ventilu je schopen fungovat s mnohem vyšší účinností.

Nevýhody

Hlavní nevýhodou tohoto zařízení je, že v důsledku kolísání frekvence kmitavého napájecího napětí je jen velmi malá část iontů opouštějících zdroj zachycena na fázově stabilních drahách s maximálním poloměrem a energií s výsledkem že výstupní proud paprsku má nízký pracovní cyklus a průměrný proud paprsku je pouze malým zlomkem okamžitého proudu paprsku. Stroj tedy produkuje ionty vysoké energie, i když s poměrně nízkou intenzitou.

Dalším vývojovým krokem koncepce cyklotronu, izochronní cyklotron, udržuje konstantní vysokofrekvenční budicí frekvenci a kompenzuje relativistické efekty zvyšováním magnetického pole o poloměru. Isochronní cyklotrony jsou schopné produkovat mnohem větší proud paprsku než synchrocyklotrony. Výsledkem je, že izochronní cyklotrony se staly populárnějšími v oblasti výzkumu.

Dějiny

Synchrocyclotron (SC) v CERNu

V roce 1945 Robert Lyster Thornton na Ernest Lawrence je Radiační laboratoř vedl konstrukci 184 palců (470 cm) 730 MeV cyklotronu. V roce 1946 dohlížel na přeměnu cyklotronu na nový design od McMillana, který by se stal prvním synchrocyklotronem s produkcí 195 deuteronů MeV a 390 MeV α-částice.

Poté, co byl v provozu první synchrocyklotron, Úřad námořního výzkumu (ONR) financovala dvě iniciativy na stavbu synchrocyklotronů. První financování bylo v roce 1946 pro Carnegie Institute of Technology postavit synchrocyklotron 435-MeV pod vedením Edward Creutz a zahájit program výzkumu jaderné fyziky. Druhá iniciativa byla v roce 1947 pro University of Chicago postavit 450-MeV synchrocyklotron pod vedením Enrico Fermi.

V roce 1948 University of Rochester dokončila stavbu svého 240-MeV synchrocyklotronu, následovaná dokončením 380-MeV synchrocyklotronu v Columbia University v roce 1950.

V roce 1950 byl v provozu 435-MeV synchrocyklotron na Carnegie Institute of Technology, následovaný 450-MeV synchrocyklotronem z University of Chicago v roce 1951.^[2]

V a UNESCO na schůzce v Paříži v prosinci 1951 proběhla diskuse o hledání řešení, jak mít středně energetický urychlovač pro brzy vznikající Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN). Synchrocyklotron byl navržen jako řešení k překlenutí mezery před 28-GeV Protonový synchrotron bylo dokončeno. V roce 1952 Cornelis Bakker vedl skupinu k návrhu a konstrukci pojmenovaného synchrocyklotronu Synchro-cyklotron (SC) v CERNu. Konstrukce Synchro-Cyclotronu s obvodem 15,7 metrů (52 ft) začala v roce 1953. Stavba byla zahájena v roce 1954 a v srpnu 1957 dosáhla akcelerace protonů 600 MeV, experimentální program byl zahájen v dubnu 1958.^[3]

Současný vývoj

Synchrocyklotrony jsou atraktivní pro použití v protonová terapie kvůli schopnosti vytvářet kompaktní systémy s využitím vysokých magnetických polí. Společnosti lékařské fyziky Ion Beam Applications a Mevion Medical Systems vyvinuly supravodivé synchrocyklotrony, které se pohodlně vejdou do nemocnic.^[4][5]

Reference