Synchrocyclotron - Synchrocyclotron

Skisse av en synkrosyklotron fra McMillans patent.

En synkrosyklotron er en spesiell type syklotron , patentert av Edwin McMillan , der frekvensen til det drivende RF- elektriske feltet varieres for å kompensere for relativistiske effekter når partiklenes hastighet begynner å nærme seg lysets hastighet . Dette i motsetning til den klassiske syklotronen, der denne frekvensen er konstant.

Det er to store forskjeller mellom synkrosyklotronen og den klassiske syklotronen. I synkrosyklotronen beholder bare en dee (hul "D" -formet plateelektrode) sin klassiske form, mens den andre polen er åpen (se patentskisse). Videre synker frekvensen av oscillerende elektrisk felt i en synkrosyklotron kontinuerlig i stedet for å holdes konstant for å opprettholde syklotronresonans for relativistiske hastigheter. Den ene terminalen til det svingende elektriske potensialet som varierer med jevne mellomrom, blir påført den og den andre terminalen er på bakken potensial. Protonene eller deuteronene som skal akselereres blir gjort for å bevege seg i sirkler med økende radius. Akselerasjonen av partikler skjer når de kommer inn eller forlater deen. I ytterkanten kan ionestrålen fjernes ved hjelp av elektrostatisk deflektor. Den første synkrosyklotron produserte 195 MeV deuteron og 390 MeV α-partikler .

Forskjeller fra den klassiske syklotronen

I en klassisk syklotron er vinkelfrekvensen til det elektriske feltet gitt av

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

Hvor er vinkelfrekvensen til det elektriske feltet, er ladningen på partikkelen, er magnetfeltet, og er massen til partikkelen. Dette antar at partikkelen er klassisk og ikke opplever relativistiske fenomener som lengdekontraksjon. Disse effektene begynner å bli signifikante når partikkelens hastighet er større enn . For å korrigere for dette blir den relativistiske massen brukt i stedet for hvilemassen; således multipliserer en faktor massen, slik at ${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle q}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle \ ca {\ frac {c} {3}}}$${\ displaystyle \ gamma}$

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

hvor

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

Dette er da vinkelfrekvensen til feltet påført partiklene når de akselereres rundt synkrosyklotronen.

Fordeler

En del av det tidligere Orsay- synkrosyklotronet

Den viktigste fordelen med synkrosyklotronen er at det ikke er behov for å begrense antall omdreininger utført av ionet før det kommer ut. Som sådan kan potensialforskjellen som leveres mellom avgiftene være mye mindre.

Den mindre potensielle forskjellen som trengs over gapet har følgende bruksområder:

1. Det er ikke behov for et smalt mellomrom mellom gjengene som for konvensjonell syklotron, fordi sterke elektriske felt for å produsere stor akselerasjon ikke er nødvendige. Dermed kan bare en dee brukes i stedet for to, den andre enden av den svingende spenningsforsyningen er koblet til jord.
2. De magnetiske polstykkene kan bringes nærmere, slik at det er mulig å øke magnetisk fluks tetthet kraftig.
3. Frekvensventiloscillatoren er i stand til å fungere med mye større effektivitet.

ulemper

Den største ulempen med denne anordningen er at, som et resultat av variasjonen i frekvensen av den svingende spenningsforsyningen, bare en veldig liten brøkdel av ionene som forlater kilden blir fanget i fasestabile baner med maksimal radius og energi med resultatet at utgangsstrålens strøm har en lav driftssyklus, og den gjennomsnittlige strålestrømmen er bare en liten brøkdel av den øyeblikkelige strålestrømmen. Dermed produserer maskinen høye energiioner, men med relativt lav intensitet.

Det neste utviklingstrinnet av syklotronkonseptet, den isokrone syklotronen , opprettholder en konstant RF-frekvens og kompenserer for relativistiske effekter ved å øke magnetfeltet med radius. Isokrone syklotroner er i stand til å produsere mye større strålestrøm enn synkrosyklotroner. Som et resultat ble isokrone syklotroner mer populære innen forskningsfeltet.

Historie

Synchrocyclotron (SC) ved CERN

I 1945 ledet Robert Lyster Thornton ved Ernest Lawrence 's Strålingslaboratorium konstruksjonen av 184-tommers (470 cm) syklotron. I 1946, han overså konvertering av syklotronen til den nye design laget av McMillan som skulle bli den første synchrocyclotron med kunne produsere 195 MeV deuterons og 390 MeV α-partikler .

Etter at den første synkrosyklotronen var i drift, finansierte Office of Naval Research (ONR) to synkrosyklotronkonstruksjonstiltak. Den første finansieringen var i 1946 for Carnegie Institute of Technology for å bygge en 435-MeV synkrosyklotron ledet av Edward Creutz og starte sitt forskningsprogram for kjernefysikk. Det andre initiativet var i 1947 for University of Chicago å bygge en 450-MeV synkrosyklotron under ledelse av Enrico Fermi .

I 1948, University of Rochester fullført byggingen av sin 240-MeV synchrocyclotron, etterfulgt av en gjennomføring av 380-MeV synchrocyclotron ved Columbia University i 1950.

I 1950 var 435-MeV synkrosyklotron ved Carnegie Institute of Technology i drift, etterfulgt av 450-MeV synkrosyklotron fra University of Chicago i 1951.

På et UNESCO- møte i Paris i desember 1951, var det en diskusjon om å finne en løsning for å ha en medium-energi-akselerator for den snart dannede European Organization for Nuclear Research (CERN). Synkrosyklotronen ble foreslått som en løsning for å bygge bro mellom gapet før 28-GeV Proton Synchrotron ble fullført. I 1952 ledet Cornelis Bakker gruppen til å designe og konstruere synkrosyklotronen kalt Synchro-Cyclotron (SC) ved CERN. Utformingen av Synchro-Cyclotron med 15,7 meter i omkrets startet i 1953. Konstruksjonen startet i 1954 og den oppnådde 600 MeV-protonakselerasjon i august 1957, med det eksperimentelle programmet startet i april 1958.

Nåværende utvikling

Synchrocyclotrons er attraktive for anvendelse i proton-terapi på grunn av muligheten til å lage kompakte systemer ved bruk av høye magnetfelt. Medisinske fysikkfirmaer Ion Beam Applications og Mevion Medical Systems har utviklet superledende synkrosyklotroner som kan passe komfortabelt inn på sykehus.

referanser