Cyklotron
Z Wikipedii
Cyklotron - najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym.
W akceleratorach cyklicznych w tym i w cyklotronie przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych przebiegając wielokrotnie przez obszar, w którym są przyspieszane.
Spis treści |
[edytuj] Historia
Pierwszy cyklotron zbudowano pod kierownictwem Ernest Lawrence w University of California, w 1929 roku. Akcelerator był używany w eksperymentach nad zderzaniem cząstek jako źródło cząstek o energii do 1 MeV.
Obecnie cyklotrony są używane do:
- wytwarzania wiązki cząstek o określonej wysokiej energii używanych głównie do prowadzenia badań podstawowych oraz wykorzystywanych praktycznie np. w leczeniu nowotworów,
- uzyskiwania promieniowania rentgenowskiego o określonej częstotliwości w wyniku zjawiska promieniowania cyklotronowego,
- produkcji izotopów o krótkim czasie połowicznego rozpadu używanych w PET
- selekcjonowania cząstek w spektrometrach masy.
Pierwszy polski cyklotron uruchomiono w podkrakowskich Bronowicach 22 listopada 1958 roku.
[edytuj] Zasada działania
Cyklotron składa się z elektromagnesu wytwarzającego pole magnetyczne i komory próżniowej, w której umieszczono dwie półkoliste elektrody zwane duantami. Między elektrodami wytwarzane jest za pomocą generatora wielkiej częstotliwości zmienne pole elektryczne. W centrum cyklotronu znajduje się źródło cząstek (cząsteczek) naładowanych elektrycznie lub cząsteczki te są wprowadzane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość generatora jest równa częstotliwości obiegu cząstek, to cząstki są przyspieszane podczas przelotu między duantami. Cząstki o innym czasie przelotu są okresowo przyspieszane i hamowane i w końcu uderzają w duanty. Cząsteczki o większej energii poruszają się po większym promieniu, gdy promień cząstki jest odpowiednio duży może ona opuścić akcelerator, pomocna w tym może być dodatkowa elektroda kierująca cząsteczki w odpowiednim kierunku.
[edytuj] Częstotliwość cyklotronowa
Na cząstkę poruszającą się prostopadle do pola magnetycznego działa siła prostopadła do prędkości i pola magnetycznego, siła ta pełni rolę siły dośrodkowej:
Gdzie m to masa cząstki, q jej ładunek, v prędkość, r to promień toru ruchu, B indukcja pola magnetycznego.
Przekształcając,
v/r odpowiada prędkości kątowej, ω, dlatego
Co odpowiada częstotliwości
Ze wzoru tego wynika, że częstotliwość rezonansowa nie zależy od prędkości cząstek, ale przy stałym polu magnetycznym zależy od stosunku ładunku do masy cząstki. Własność ta sprawia, że cyklotron przyspiesza tylko jeden rodzaj cząstek, co może być ich wadą ale też zaletą. Cechę tę wykorzystuje się do separacji cząstek w analizatorach mas stosowanych w różnych spektometrometrach masy.
[edytuj] Efekty relatywistyczne
Przyspieszając cząstki do prędkości porównywalnych z prędkością światła napotyka się w cyklotronach na problem relatywistycznego wzrostu masy przyspieszanej cząstki. Problem ten można rozwiązać zmieniając częstotliwość prądu zasilającego duanty. Częstotliwość ta musi spełniać zależność:
-
- ,
gdzie fc częstotliwością w przybliżeniu klasycznym, T - energią kinetyczną cząstki, m0 - masą spoczynkową cząstki, c - prędkość światła.
Przy czym energia kinetyczna jest proporcjonalna do liczby przebiegów przyspieszanych cząstek między elektrodami, oznacza to że jest proporcjonalna do czasu przyspieszania cząstek. Cyklotron przystosowany do odpowiedniej zmiany częstotliwości w miarę przyspieszania cząstek nosi nazwę synchrocyklotron.
Innym urządzeniem jest synchrotron, w którym wzrost masy cząstki kompensuje się zwiększając natężenie pola magnetycznego.
Modyfikacją w budowie cyklotronów są cyklotrony izochroniczne, w których efekty relatywistyczne są niwelowane przez modyfikację budowy elektromagnesu, tak by im dalej od środka pole magnetyczne było silniejsze.
[edytuj] Promieniowanie cyklotronowe
Cząstka naładowana poruszając się w polu magnetycznym wysyła promieniowanie, promieniowanie to zwane jest promieniowaniem cyklotronowym. Promieniowanie to rośnie wraz ze wzrostem prędkości przyspieszanych cząstek, zmniejsza ono energię przyspieszanych cząstek ograniczając maksymalną energię przyspieszanych cząstek.
[edytuj] Zobacz też
[edytuj] Linki zewnętrzne