Циклотрон

Современный циклотрон, используемый для радиационной терапии.

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.

Принцип действия

В циклотроне используются тяжёлые ускоряемые частицы из инжектора помещаются в камеру в области её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. 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. При не слишком больших скоростях эта частота не зависит от радиуса окружности и скорости частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же промежуток времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения превращается в плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу.

Диаграмма циклотрона из патента Э. Лоуренса 1934 года

Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как при высоких скоростях начинает проявляться релятивистская зависимость периода обращения от скорости частиц. С ростом скорости этот период возрастает, и поэтому при каждом очередном попадании в ускоряющий зазор частицы начинают всё больше опаздывать, пока не оказываются в нём тогда, когда существующее в зазоре поле будет их тормозить. Поэтому для получения частиц высоких энергий используют другие, более сложные ускорители, например, электронные синхротроны и синхрофазотроны.

Расчёт условия синхронизации (периода постоянного напряжения, подаваемого на дуанты):

$T={\frac {2\cdot \pi \cdot m}{q\cdot B}}$

Циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц по траектории раскручивающейся спирали до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку на базе циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля. Для этих целей также используется фазотрон.

Известные установки

Первая модель циклотрона впервые была построена в 1930 году американскими физиками Э. Лоуренсом и С. Ливингстоном. Диаметр циклотрона составил 25 сантиметров; энергии частиц в их экспериментах доходили до 1 МэВ.

В 1931 году этими же учёными была создана научная установка размером 69 см (27 дюймов). Эта установка активно использовалась в экспериментах по исследованию ядерных реакций и искусственной радиоактивности.

Основная статья: Циклотрон Радиевого института

Строительство первого в Европе циклотрона проходило в Радиевом институте (Ленинград) в период 1932—1937 годов. Над проектом начали работу учёные Г. А. Гамов (в дальнейшем эмигрировавший в США) и Л. В. Мысовский. Работы проводились при непосредственном участии сотрудников 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.

Ссылки

• Медиафайлы по теме Циклотрон на Викискладе
• Web-публикация на основе учебного пособия Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин/Циклотрон