Доклад на тему циклотрон

Обновлено: 17.05.2024

Сущность и предназначение циклотрона, принцип действия устройства. Модификация и применение циклотрона, возникновение и развитие протонной терапии в медицине. Характеристика и структура масс-спектрографа, его возможное использование в газовом анализе.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	27.05.2017
Размер файла	241,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ЦМК ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН

Реферат на тему:

1. Циклотрон. Принцип устройства

2. Модификации циклотрона

3. Применение циклотрона

4. Масс-спектрограф. Принцип устройства

5. Применение масс-спектрографа

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движущейся частицы, поэтому она не изменяет величину скорости, а изменяет только направление ее движения, т.е. вызывает центростремительное ускорение.

Искривляя траекторию движущейся заряженной частицы, она не совершает работы, т.е. кинетическая энергия движущейся в магнитном поле заряженной частицы остается постоянной. Зная силу Лоренца, можно рассчитать траекторию частиц и, следовательно, управлять потоком заряженных частиц. Это используется в различного рода ускорителях таких, как масс-спектрограф и циклотрон.

1. Циклотрон. Принцип устройства

Циклотромн -- резонансный 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.

В зазор электромагнита помещают два металлических электрода. На эти электроды, названные дуантами из-за сходства их формы с заглавной латинской буквой "D", подается напряжение от генератора высокой частоты. Вблизи центра магнита в промежутке между дуантами располагается источник положительно заряженных ионов. Вся система из электродов и ионного источника помещается в вакуумную камеру, из которой воздух откачивается до давления 10-5мм рт. ст. Ион, вылетевший из источника в то время, когда электрод I имеет отрицательный потенциал, ускорится в промежутке между дуантами и попадает в полость дуанта. В ней ион опишет полуокружность постоянного радиуса, так как в полости дуанта поле отсутствует. Если частота генератора выбрана правильно, то к моменту выхода иона из полости I направление электрического поля изменится на обратное. Поэтому ион вновь ускорится и внутри полости дуанта II опишет окружность уже большего радиуса. Таким образом, двигаясь в резонансе с высокочастотным полем, ионы будут по спиралям разворачиваться к краю полюса магнита. Их энергия будет расти после каждого прохождения частицей ускоряющей щели между дуантами. Процесс ускорения будет продолжаться до тех пор, пока частицы не достигнут края полюсов магнита. На пути потока помещают мишень, попадая на которую ионы вызывают ядерную реакцию. Чаще пучок ускоренных частиц выводят из камеры посредством отклоняющего электрода. На этот электрод, расположенный у края камеры, подается высокий отрицательный потенциал. Под действием электрического поля пучок ускоренных ионов изменяет свою траекторию, выходит из камеры через окошко, закрытое тонкой фольгой, и попадает на мишень.

2. Модификации циклотрона

Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как для релятивистской частицы частота обращения начинает зависеть от энергии.

С нарушением условия синхронизма частицы приходят в ускоряющий зазор не в правильной фазе и перестают ускоряться. Таким образом, циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20--25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку, изохронный циклотрон. В изохронных циклотронах для сохранения неизменной частоты обращения создаётся неоднородное, нарастающее по радиусу магнитное поле. Другая модификация циклотрона -- синхроциклотрон (фазотрон), в котором частота ускоряющего электрического поля не остаётся постоянной, а уменьшается синхронно с частотой обращения частиц. Однако понятно, что в отличие от классического циклотрона, который может работать в непрерывном режиме, синхроциклотрон может ускорять пучок только импульсно. Наконец, самый дальний родственник циклотрона -- ускоритель FFAG. В таком ускорителе магнитное поле не имеет азимутальной симметрии, но в процессе ускорения пучка остаётся постоянным, а частота ускоряющего электрического поля -- варьируется.

3. Применение циклотрона

Циклотрон оказался наиболее удачным ускорителем по сравнению с ранее построенными установками. В различных странах мира работают десятки циклотронов, в которых получены пучки протонов, дейтронов и б-частиц огромной интенсивности (до 1016 частиц в секунду).

С помощью циклотронов получают также потоки быстрых нейтронов. Конечно, нейтроны нельзя ускорить электрическим полем, поскольку они не обладают электрическим зарядом. Пучки быстрых нейтронов возникают как результат ядерной реакции на мишени циклотрона. Для этого мишень делают из элемента, на котором описанная ранее реакция с испусканием нейтронов имеет большую вероятность (например, из бериллия).

Проходя мимо ядра, дейтрон (состоящий из протона и нейтрона) "задевает" за ядро протоном. "Содранный" протон при этом остается в ядре, а нейтрон дейтрона продолжает двигаться в направлении первоначального пучка дейтронов с энергией, примерно равной половине энергии дейтрона.

В последние годы в циклотронах стали ускорять и многозарядные ионы, например, кислорода и азота.

Наибольшее применение циклотроны находят при исследовании свойств ядер; с их помощью удалось наблюдать многие новые ядерные реакции почти на всех элементах периодической системы элементов. Эти опыты позволили физикам значительно продвинуться в понимании закономерностей, существующих в мире атомных ядер.

Важным применением циклотрона является получение на нем радиоактивных изотопов. До постройки атомных реакторов лишь циклотрон позволял приготовлять эти изотопы в сколько-нибудь значительном количестве. циклотрон спектрограф протонная терапия

Простота конструкции циклотрона, а также возможность ускорения протонов до энергий порядка 100МэВ, открывают широкие возможности применения их в медицине. Новое направление получило название протонная терапия (надо сказать, что циклотроны не единственный тип ускорителей для протонной терапии). Основной задачей протонной терапии является поражение опухолевых клеток при минимальном повреждении нормальных тканей. Пучки заряженных частиц имеют существенно лучшее дозное распределение в пространстве по сравнению с другими излучениями. Эти преимущества особенно проявляются при облучении мишени сложной пространственной конфигурации и имеют решающее значение при облучении вблизи жизненно важных органов человека. Для проникновения протонного пучка на глубину до 5см необходима энергия МэВ, при энергии до 190МэВ можно облучить практически все опухоли с максимальной глубиной локализации до 24см. Важной характеристикой ускорительного комплекса является возможность регулирования величины энергии и сканирования пучка ускоренных частиц для формирования трехмерных дозных полей заданной формы. Требуемое дозное поле можно формировать как регулировкой параметров пучка в ускорителе, так и системой внешних рассеивателей и замедлителей. В настоящее время энергия циклотронов для протонной терапии достигает 250МэВ Циклотрон в PSI (до 590МэВ)

4. Масс-спектрограф. Принцип устройства

Частицы, прошедшие через щель 3, попадают в магнитное поле с теми скоростями, которые им сообщает ускоряющая их разность потенциалов. Все частицы с данным отношением q/m приобретают равные скорости и будут в магнитном поле описывать окружности одного и того же радиуса. После отклонения на 180° пучок частиц попадает на фотопластинку; в месте попадания пучка после проявления пластинки обнаружится темная полоска. Расстояние АВ (рис. 351) равно удвоенному радиусу r окружности, по которой двигалась частица. Величина r зависит от скорости частицы. Для нахождения скорости мы используем то обстоятельство, что частица влетает в магнитное поле с кинетической энергией Wк=mv2/2, полученной за счет работы электрического поля, равной qU. Таким образом,

Схема масс-спектрографа: 1 -- источник ионов (газоразрядная трубка), 2 -- диафрагма со щелью 3, 4 -- фотопластинка, U -- напряжение, ускоряющее ионы

Подставляя в эту формулу известные значения q, В, U и полученный измерением радиус r, можем вычислить массу частиц, попавших в точку В пластинки.

Если в пучке, испускаемом источником, содержатся частицы с различными отношениями заряда к массе, на фотопластинке получится несколько параллельных полосок. Самая близкая к щели полоска вызвана частицами, которые движутся по окружности наименьшего радиуса. Эти частицы обладают наибольшим отношением заряда к массе. Если заряды всех частиц в пучке одинаковы, то ближайшая к щели полоска соответствует частицам наименьшей массы.

По аналогии с оптикой изображение, полученное на фотопластинке, называют спектром. Оптический спектрограф дает спектр длин волн светового пучка, т. е. распределение спектральных линий по длинам волн. Масс-спектрограф дает спектр масс пучка частиц, т. е. распределение частиц по массам (точнее, по отношениям q/m).

В опыте по измерению массы электрона с помощью масс-спектрографа на фотопластинке обнаруживается только одна полоска. Так как заряд каждого электрона равен одному элементарному заряду, мы приходим к заключению, что все электроны обладают одинаковой массой.

5. Применение масс-спектрографа

Масс-спектрограф может быть применен как для исследовательских целей, так и для контроля производства при различных методах получения бензина, содержащего углеводороды до С включительно.

Несомненно весьма интересным и обещающим является применение масс-спектрографа для определения малых количеств примесей в графите и многих других материалах. При применении стабильных изотопов их обнаружение и количественное определение обычно проводят при помощи масс-спектрографа и лишь в редких случаях (например, при работе с тяжелым водородом) путем определения удельного веса продуктов сожжения. Если же органическое соединение содержит радиоактивные изотопы, то определение легко удается провести путем измерения радиоактивности соответствующего вещества (например, при помощи счетчика Гейгера -- Мюллера).

В последующие годы велись интенсивные работы по установлению изотопного состава элементов с помощью масс-спектрографа. Однако для определения относительного содержания изотопов необходимо было повысить точность измерений, что и было достигнуто применением в качестве регистратора электрометрической лампы, соединенной с гальванометром.

Для определения газообразующих примесей в арсениде галлия рекомендованы метод вакуум-плавления для определения кислорода и водорода , а также масс-спектрометрический метод с применением масс-спектрографа с искровым ионным источником. В последнем методе определяют углерод, азот, кислород, а также литий, магний, серу и кремний.

В настоящей главе описываются подобные методы, которые можно назвать физическими методами газового анализа. Сюда относятся, в частности, различные оптические методы, а также анализ газа с помощью масс-спектрографа. Следует, однако, заметить, что выделение этих физических методов в отдельную группу имеет, конечно, условный характер, поскольку и здесь приходится в ряде случаев сочетать эти физические методы с применением тех или иных химических реагентов.

Идея применения масс-спектрографа для целей газового анализа (в частности, для анализа углеводородных газов) была выдвинута после изобретения этого прибора, примененного первоначально для разделения и определения изотопов.

Однако сложность и дороговизна масс-спектрографа ограничивают его применение в газовом анализе. Следует также учесть что многие разработанные в последнее время у нас в Союзе приборы для микроанализа газа по своей относительной чувствительности а тем более по простоте превосходят масс-спектрограф. Эти приборы требуют при анализе большего количества газа, однако для большинства практических задач получение образцов газа объемом 0,2--1,0 л и даже больше обычно не представляет затруднений.

Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется для определения наличия допинга в крови спортсменов.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: аналитическая химия, биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия.

Знаете ли вы, что самый большой в мире ускоритель частиц, БАК (Большой адронный коллайдер), находится в ЦЕРНе недалеко от Женевы, точнее, на границе Франции и Швейцарии? На рисунке 1 показана аэрофотосъемка с окружностью туннеля, находящегося на глубине 100 м под землей, длиной около 27 км, в котором протоны разгоняются до скорости — 0,999999991 от скорости света.

Рис. 1. Пунктирная линия показывает границу между Францией и Швейцарией. На более близком плане мы видим аэропорт Женевы.
[ Источник: Максимильен Брис (ЦЕРН) / CC BY-SA ].

ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) была создана в 1953 году и объединяет 20 государств-членов.

Рис. 2. Источник: [ Максимильен Брис (ЦЕРН) / CC BY-SA ].

Рис. 3. Источник фото: [ Tighef / CC BY-SA ]

Очень интересно, но как это связано с названием этой статьи… Ну, циклотрон — это, можно сказать, прототип ускорителя в ЦЕРНе. Циклотрон, о котором мы будем говорить здесь, является простейшим циклическим ускорителем.

Циклотрон — это резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы движутся в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
Википедия

Циклотрон не подходит для получения энергий, значительно превышающих энергию покоя частиц. Поэтому он не используется для ускорения электронов.

Циклотрон используется в физике для запуска ядерных реакций. Но его также используют в медицине. Здесь он используется для получения радионуклидов в диагностических целях. В Германии, например, имеется около 25 циклотронных установок для производства этих радионуклидов.

Принцип работы циклотрона

В наиболее часто используемых ускорителях заряженных частиц — циклических ускорителях — для ускорения частиц мы используем как электрические, так и магнитные поля. Сначала это может показаться странным, ведь магнитное поле не способно ускорить частицу.

Магнитная сила, часто называемая силой Лоренца, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле, перпендикулярна вектору скорости υ и, следовательно, перпендикулярно вектору перемещения Δr . Если мы напишем определение работы силы F в виде A_F = F * Δr * cos∡( F , Δr ), то мы видим, что работа силы, действующей под углом 90° к перемещению тела, равна нулю. Поэтому и работа магнитной силы (всегда!) равна нулю. Эта сила не может изменить кинетическую энергию заряженной частицы — она не может ускорить ее. Вместо этого она меняет направление своего движения! И именно этот факт используется в циклических ускорителях — циклотронах.

Идея ускорения заряженной частицы в электрическом поле показана на рисунке 4.

Рис. 4. Ускорение частицы в электрическом поле

Положительно заряженная частица попадает в электрическое поле. На нее действует электрическая сила, направленная в виде линий поля (вектор напряженности электрического поля E ) в соответствии со скоростью частицы — частица ускоряется.

Давайте воспользуемся энергетическим подходом. Электрическая сила совершает положительную работу над частицей. Эта работа, как работа результирующей силы, действующей на частицу, равна увеличению кинетической энергии частицы. Мы можем записать: A_el = ΔE_k .

Мы можем выразить работу электрического поля через разность потенциалов между точками поля, пересекаемыми частицей: A_el = q * ( V + — V — ) где V + — потенциал положительного электрода, а V — — потенциал отрицательного электрода. Разность этих потенциалов равна U.

Вы можете использовать магнитное поле, чтобы развернуть частицу и заставить ее пройти через тот же ускоряющий модуль. Конечно, вы можете делать это многократно, вызывая многократное увеличение кинетической энергии частицы. В конце концов, частица приобретет кинетическую энергию E_k = n * e * U, где n — число эпизодов прохождения частицы через электрическое поле. Этой блестящей идеей мы обязаны создателю циклотрона Эрнесту Лоуренсу (см. рисунок 5), который в 1939 году получил за свое изобретение Нобелевскую премию.

Рис. 5. Первый циклотрон, построенный Лоуренсом около 1930 года. Его диаметр составлял 4 дюйма. Он передал энергию в 80 кэВ ионизированным молекулам водорода

Устройство циклотрона

Циклотрон, по сути, состоит из пары дуантов. Это металлические, полые электроды D-образной формы каждый. Их лучше всего представить себе как части плоской металлической банки, разрезанной по диаметру, с небольшим расстоянием между частями. Они прекрасно видны на патентном рисунке Лоуренса (см. рисунок 6). Дуанты находятся в однородном магнитном поле, линии которого направлены перпендикулярно плоскости дуантов. В центре устройства находится источник ионов, подлежащих ускорению.

Рис. 6. Выдержка из оригинального патентного чертежа циклотрона. [ Источник: Ernest O. Lawrence / Public domain ].

Предположим, что ион был послан из источника в глубины дуанта. Там, как в клетке Фарадея, нет электрического поля. Имеется только магнитное поле, под действием которого ион огибает полукруг радиуса r и попадает в область между дуантами, где уже имеется электрическое поле. Вектор напряженности поля E должен быть направлен в соответствии со скоростью положительного иона так, чтобы он ускорялся в зазоре между дуантами.

Ускоренный ион влетает во второй дуант и снова образует полукруг, на этот раз с немного большим радиусом (он движется с большей скоростью) и попадает в зазор между дуантами, где направление электрического поля должно быть изменено на противоположное, так как ион движется в обратном направлении. Как видите, необходим источник переменного напряжения. Символически это показано на рис. 7 в виде прямоугольного сигнала напряжения (обозначено синим).

Рис. 7. Схема конструкции циклотрона с обозначением ионного трека

Вычислим радиус полукруга, по которому ион движется внутри дуанта. На ион действует магнитная сила: F_mag = e * v * B * sin∡( v , B ), но ∡( v , B ) = 90° , тогда F_mag = e * v * B .

Магнитная сила всегда действует перпендикулярно вектору скорости и поэтому является центростремительной силой: mv 2 / r = e*v*B , следовательно, радиус можно вычислить так: r = m * v / e * B .

Почему в циклотроне нельзя разогнать частицу до очень большой скорости?

Как мы уже говорили, и как мы заметим, глядя на выведенное соотношение, радиус пути увеличивается со скоростью иона. Но давайте посмотрим, что происходит с периодом вращения иона.

Период вращения иона вычисляется так: T = 2 * π * r / v — потому что мы имеем дело с равномерным движением по окружности (предположим на мгновение, что нарисована полная окружность). Подставим в эту формулу полученную выше зависимость, описывающую радиус пути r.

Получаем: T = ( 2 * π / v ) * ( m * v / e * B ) = 2 * π * m / e * B .

Полученный результат крайне важен для работы циклотрона!

Оказывается, что период вращения иона не зависит от его скорости. Поэтому она одинакова для обеих половин окружности, хотя они имеют разные радиусы. Это значительно упрощает конструкцию циклотрона — приложенное переменное напряжение (которое не обязательно должно быть прямоугольным) имеет постоянную частоту, равную частоте циркуляции ионов. Эта частота называется циклотронной частотой. Она равна обратной величине определяемого периода вращения: f = 1 / T = ( 1 / 2 * π ) * ( e * B / m ) .

Рис. 8. Слева: траектория частицы в циклотроне с отмеченными моментами наибольшего ускорения. Справа: Временная зависимость напряжения между дуантами

Чтобы определить кинетическую энергию иона, нам не нужно знать, сколько раз он пересекает промежуток между дуантами. Ведь кинетическая энергия связана со скоростью, которая, в свою очередь, связана с радиусом трека ускоренного иона. Давайте посмотрим:

E_k = ( m * v 2 ) / 2 = m / 2 * ( r * e * B / m ) 2 = ( e 2 * B 2 / 2 * m ) * r 2 .

Максимальная энергия будет получена ионом непосредственно перед его выходом из дуанта, поэтому максимальная кинетическая энергия, которая достигается в циклотроне будет вычисляться следующим образом: E_kmax = ( e 2 * B 2 / 2 * m ) * R 2 , где R — радиус циклотронных дуантов.

Ускоритель LHC в ЦЕРНе, упомянутый в начале статьи, очевидно, не является циклотроном. Релятивистские эффекты (скорость протонов сравнима со скоростью света c) приводят к тому, что частота изменения электрического поля непостоянна, но основная идея остается прежней: электрическое поле ускоряет частицы, магнитное поле вызывает их движение по кругу.

Синхроциклотрон

Модулируя высокую частоту, вы делаете свой циклотрон пригодным для работы на более высоких скоростях. Для этого вы адаптируете высокую частоту к уменьшающейся частоте циклотрона. Это возможно, например, при использовании вращающегося конденсатора в резонансном контуре. Этот тип циклотрона достигает энергий до 800 МэВ с легкими ионами.

Однако изучать можно только импульсные пучки частиц, т.е. пучки частиц, испускаемые порциями, ограниченными по времени. Это существенный недостаток для большинства экспериментальных применений. Период импульсов луча слишком большой, а сам импульс слишком короткий. В результате многие измерения оказываются невозможными. Отношение длительности импульса к длительности периода также называется рабочим циклом. Для синхроциклотрона (фазотрона) это всего лишь 1%.

Изохронный циклотрон

Изохронный циклотрон технически более совершенен, чем синхроциклотрон. Вместо модуляции высокой частоты вы поддерживаете орбитальную частоту релятивистских ионов постоянной. Для этого используется неоднородное магнитное поле, которое усиливается наружу. Чтобы сфокусировать пучок частиц, вы настраиваете магнит так, чтобы он имел чередующиеся положительные и отрицательные градиенты в радиальном направлении. Такое разделение на отдельные магниты в форме пирога называется секторным циклотроном.

Сила тока такого изохронного циклотронного пучка составляет от 10 до 100 микроампер.

Циклотрон — резонансный 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.

Содержание

Принцип действия

В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Однородное 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 (циклотронной частотой). При не слишком больших (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц,

$\omega_c = \frac<eH></p> <p>$
(в системе СГС),

так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же момент времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения образует плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. [1] Поскольку задающее орбиту пучка магнитное поле неизменно, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения частиц также не меняет параметров, циклотрон может работать в непрерывном режиме: все витки спирали заполнены частицами пучка ионов.

Фокусировка пучка

В горизонтальной плоскости частицы автоматически фокусируются в однородном магнитном поле. В вертикальном направлении фокусировка происходит за счёт неоднородности электрического поля в ускоряющем зазоре [2] . Действительно, если частица смещена по вертикали из медианной плоскости, то на входе в ускоряющий зазор она испытает толчок в сторону медианной плоскости вертикальной компонентой краевого электрического поля. На выходе толчок будет обратного знака, но меньшей силы, за счёт конечного смещения частицы. На внешнем радиусе циклотрона, где магнитное поле спадает, происходит дополнительная фокусировка по обеим координатам за счёт линейного градиента поля.

Модификации циклотрона

$\omega_c = \frac<eH></p> <p>\frac<\gamma>$
.

С нарушением условия синхронизма частицы приходят в ускоряющий зазор не в правильной фазе и перестают ускоряться. Таким образом, циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку, изохронный циклотрон. В изохронных циклотронах для сохранения неизменной частоты обращения создаётся неоднородное, нарастающее по радиусу магнитное поле. Другая модификация циклотрона — синхроциклотрон (фазотрон) [1] , в котором частота ускоряющего электрического поля не остаётся постоянной, а уменьшается синхронно с частотой обращения частиц. Однако, понятно, что в отличие от классического циклотрона, который может работать в непрерывном режиме, синхроциклотрон может ускорять пучок только импульсно [3] . Наконец, самый дальний родственник циклотрона — ускоритель FFAG (Fixed Field Alternate Gradient accelerator). В таком ускорителе магнитное поле не имеет азимутальной симметрии, но в процессе ускорения пучка остаётся постоянным, а частота ускоряющего электрического поля — варьируется [4] . Таким образом, семейство ускорителей, происходящих от циклотрона выглядит так:

Частота ускоряющего поля\ Магнитное поле	Фиксированная частота (непрерывный пучок)	Изменяемая частота (импульсный пучок)
Однородное поле	Циклотрон	Синхроциклотрон
Периодическое поле	Изохронный циклотрон	FFAG

Некоторые циклотроны

В 1932 году этими же учёными была создана более крупная машина, размером 69 см (27 дюймов), на энергию протонов 5 МэВ [6] [7] . Эта установка активно использовалась в экспериментах по исследованию ядерных реакций и искусственной радиоактивности. [1]

Строительство первого в Европе циклотрона (Циклотрон Радиевого института) проходило в Радиевом институте (Ленинград) в период 1932—1937 годов. Начинали работу над проектом учёные Г. А. Гамов (в дальнейшем эмигрировавший в США) и Л. В. Мысовский, в дальнейшем участвовали и другие сотрудники 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. [8] [9]

Крупнейший в мире циклотрон — циклотрон лаборатории TRIUMF в Университете Британской Колумбии, в Ванкувере, Канада. Магнит этого циклотрона, ускоряющего ионы H - до энергии 500 МэВ, весит 4000 тонн, создаёт поле 4.6кГс. Ускоряющее электрическое ВЧ-поле имеет частоту 23 МГц и амплитуду напряжения 96 кВ. Выпускаемый ток составляет 300 μА. Выпуск осуществляется с помощью обдирки электронов при прохождении через графитовую фольгу.

Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.

Это название больше похоже на имя персонажа из научно-фантастического фильма, но в действительности циклотрон является ускорителем частиц, т. е. аппаратом, который использует электромагнитные поля для ускорения заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий. Циклотроны применяются для производства радиоизотопов, которые используются в радиофармпрепаратах — определенном виде медицинских препаратов для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В мире насчитывается более 1500 циклотронных установок, и недавно МАГАТЭ актуализировало свою интерактивную карту и базу данных, которые содержат информацию о 1300 таких установках в 95 странах.

Созданная в 2019 году База данных по циклотронам для производства радионуклидов является инструментом, помогающим специалистам, таким как радиофармацевты, а также владельцам и пользователям медицинских циклотронных установок находить техническую, практическую и административную информацию о действующих циклотронах и обмениваться такими данными. Эта работа ведется в рамках деятельности МАГАТЭ по укреплению потенциала стран в области производства радиоизотопов и применения радиационных технологий в здравоохранении.

Методы медицинской визуализации, такие как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), основываются на использовании радиоизотопов, произведенных с помощью циклотронов. Однако в отличие от исследовательских реакторов, на которых также производятся радиоизотопы, в циклотронах не используется ядерный материал и на них не распространяются те же соображения радиационной и физической безопасности, которые применяются к реакторам.

База данных МАГАТЭ позволяет пользователям получать подробную информацию о каждой установке, включая вид, размер и количество размещенных в ней циклотронов. Профессионалы из этой области могут налаживать между собой связи и обмениваться опытом и информацией о своих радиофармацевтических продуктах. На этой платформе также распространяется информация о предстоящих мероприятиях МАГАТЭ и публикациях, посвященных монтажу и применению циклотронов.

База данных создана в рамках работы МАГАТЭ по оказанию странам помощи в области производства радионуклидов. МАГАТЭ предоставляет экспертные консультации и технические рекомендации в связи с установками по производству радиофармацевтических препаратов, помогает создавать кадровый потенциал при помощи учебных курсов и образовательных программ, а также содействует проведению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках проектов координированных исследований.

Владельцы и пользователи медицинских циклотронов могут передать в Отдел физических и химических наук МАГАТЭ актуальную информацию о своих установках, заполнив соответствующую онлайновую форму.

Для получения дополнительной информации и более подробных сведений об ускорителях и их применениях посетите сайты Базы данных по циклотронам для производства радионуклидов и Портала знаний об ускорителях (ПЗУ).

Читайте также: