Ciklotrons — daļiņu paātrinātājs: darbības princips un vēsture
Ciklotrons — daļiņu paātrinātājs: uzzini darbības principu un vēsturi — no Ernesta Lorensa izgudrojuma līdz mūsdienu apļveida paātrinātājiem.
Ciklotrons ir daļiņu paātrinātājs, ko 1930. gadā izgudroja Ernests Lorenss no Kalifornijas Universitātes Berklijā. Tas paātrina lādētas daļiņas, liekot tām kustēties pa lokiem un pakāpeniski palielināt to ātrumu. Pirmie ciklotroni bija plaukstas lieluma, taču tehnoloģijas attīstoties ir radušies gan mazi, kompaktāki ierīču varianti, gan milzīgi, apļveida paātrinātāji, kuru riņķa diametrs var būt tik liels kā pilsētas kvartāls.
Darbības princips
Ciklotronā tiek lietots perpendikulārs magnētiskais lauks, kas liek lādētajām daļiņām kustēties pa apļveida trajektoriju. Starp diviem pusapaļiem elektrodiem — tā saucamajām "D" formām — tiek piemērots mainīgs elektriskais lauks, kas paātrina elektronus un citas daļiņas ikreiz, kad tās šķērso atstarpi starp elektrodiem.
Vienkāršoti: daļiņa riņķo pa pusloku vienā no D, pēc tam nonāk elektriskajā laukā plaisā starp D, kur lauka polaritāte ir tā, lai to paātrinātu. Brīdī, kad daļiņa izlido uz otru D, lauka polaritāte ir mainījusies tā, lai paātrinājums atkārtotos. Katru reizi, palielinoties ātrumam, daļiņa veic lielāku pusloku, līdz tā sasniedz ieguves atveri un tiek iznests no iekārtas vai sadūrējas ar mērķi.
Fizikas pamats: nerelativistiskā gadījumā daļiņas ciklotrona kustības leņķiskā frekvence ir atkarīga no lādiņa q un magnētiskā lauka stipruma B, kā arī no daļiņas masas m. Bieži lietotā izteiksme frekvencei ir f = qB / (2πm). Tas nozīmē, ka, ja daļiņas ātrums nav tik liels, lai ievērojami palielinātos tās relativistiskā masa, tās periodiskais laiks nemainās, un elektriskais lauks var tikt sinhronizēts tā, lai daļiņas tiktu atkārtoti paātrinātas.
Galvenās sastāvdaļas
- Magnēts — rada vienmērīgu magnētisko lauku, kas liek daļiņām kustēties pa lokiem.
- Dees (D-elektrodi) — divi pusapaļi elektrodi vakuma kamerā, kur starp tiem tiek radīts mainīgs elektriskais laukums.
- RF (radiofrekvenču) avots — nodrošina mainīgo elektrisko lauku, kas sinhronizēts ar daļiņu kustību.
- Injektors — ievada daļiņas ciklotronā ar sākotnēju ātrumu un pozīciju.
- Ekstrakcijas sistēma — izmanto magnētus vai elektrostatiskos lauciņus, lai izvadītu paātrinātās daļiņas ārā no ierīces uz mērķi vai izolāciju.
- Vakuma kamera — samazina sadursmes ar gāzes molekulām, ļaujot daļiņām brīvi kustēties un efektīvi iegūt enerģiju.
Vēsturiskie un tehniskie attīstības punkti
Ernesta Lorensa izveidotais pirmais ciklotrons 1930. gados deva jaunu impulsu kodolfizikas pētījumiem, jo ļāva sasniegt enerģijas līmeņus, kas bija nepieejami ar ķīmiskām vai citām metodēm. Par saviem sasniegumiem Lorenss saņēma Nobela prēmiju fizikā 1939. gadā.
Vēlāk tika izstrādāti dažādi ciklotrona varianti, lai pārvarētu sākotnējos ierobežojumus:
- Sinkrokiklotrons un isohronais ciklotrons — modificē lauka vai frekvences režīmu, lai kompensētu daļiņas relativistiskās masas pieaugumu pie augstākām enerģijām.
- Sintrorekontūrētie risinājumi — lielāki magnēti vai modulētas frekvences, kas ļauj sasniegt augstākas enerģijas un labāku efektivitāti.
Pielietojums
Ciklotroniem ir plašs pielietojuma spektrs:
- kodolfizikas un daļiņu fizikas pētījumi;
- medicīniska nozīme — radiācijas terapija un medicīnisko izotopu ražošana diagnostikai un ārstēšanai;
- materiālu izpēte — jonizējošo staru izmantošana mikrostruktūru modifikācijai;
- industrija — staru izmantošana materiālu apstrādē vai testēšanā.
Ierobežojumi un nākotnes virzieni
Galvenais ciklotrona ierobežojums ir relativistiskais efekts: pie ļoti lieliem ātrumiem daļiņas efektīvā masa palielinās, tādēļ tās vairs neciklē sinhroni ar nemainīgu RF frekvenci. Lai to apietu, izmanto frekvences modulāciju (sinhronikoltrona princips) vai maina magnētiskā lauka profilu (isohronie ciklotroni). Turklāt lielu enerģiju sasniegšana prasa masīvus magnetus un dārgu inženiertehniku, tāpēc mūsdienās tiek meklēti efektīvāki risinājumi, piemēram, lineārie paātrinātāji vai sinhronu paātrinātāju hibrīdi.
Kopsavilkumā, ciklotrons ir elegants un praktisks veids, kā paātrināt lādētas daļiņas, un tā pamatprincipi joprojām ir svarīgi gan pamata zinātnē, gan praktiskās tehnoloģijās. Attīstoties materiāliem, magnētiem un RF tehnoloģijām, ciklotroni turpina pielāgoties mūsdienu vajadzībām.
Moderns ciklotrons staru terapijai
Ciklotrona frekvence
Ciklotronā kustīgs lādiņš pārvietojas pa apļveida ceļu pastāvīga magnētiskā lauka ietekmē. Ja aprēķina vienas orbītas veikšanas laiku:
T = π 2r v = π 2m v q B v = π 2m q B {\displaystyle T={{\frac {2\pi r}{v}}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}}={\frac {2\pi m}{qB}}}}
.
Ir konstatēts, ka periods nav atkarīgs no rādiusa. Tāpēc, ja tiek pielikts kvadrātveida vilnis ar leņķisko frekvenci qB/m, lādiņš spirālveidīgi virzīsies uz āru, palielinot ātrumu.
Kad starp abām magnētisko polu pusēm tiek pielikts kvadrātviļņu vilnis ar leņķisko frekvenci ω=qB/m, lādiņš atkal tiks palielināts īstajā laikā, lai paātrinātu tā virzību pāri spraugai. Tādējādi nemainīga ciklotrona frekvence var turpināt paātrināt lādiņu (ja vien tas nav relatīvs).
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir ciklotrons?
A: Ciklotrons ir daļiņu paātrinātājs, kas paātrina lādētas daļiņas, griežot tās pa apli.
J: Kas izgudroja ciklotronu?
A: Ernests Lorenss no Kalifornijas Universitātes Berklijā izgudroja ciklotronu 1930. gadā.
J: Kā darbojas ciklotrons?
A: Ciklotronos izmanto perpendikulāru magnētisko lauku, lai ar pieliktā elektriskā lauka palīdzību izlocītu elektronus un daļiņas pusapaļā ceļā. Pieliktais elektriskais lauks paātrina elektronus starp "D" elektrodiem (sauktiem arī par "dees") magnētiskā lauka apgabalā. Paātrinošais elektriskais lauks apgriežas tieši tajā brīdī, kad elektroni pabeidz savu pusapli, tādējādi paātrinot tos pāri plaisai. Ar lielāku ātrumu tie pārvietojas lielākā puslokā. Atkārtojot šo procesu vairākas reizes, tie ar lielu ātrumu iziet no izejas atveres.
J: Kāds ir agrīno ciklotronu izmērs?
A: Agrīnie ciklotroni bija plaukstas lieluma.
J: Cik lieli ir mūsdienu cirkulārie paātrinātāji?
A: Daži mūsdienu cirkulārie paātrinātāji izmanto tikpat platu apli kā pilsēta.
J: Kādu lauku izmanto ciklotronos?
A: Ciklotronos izmanto perpendikulāru magnētisko lauku, lai ar pielietotā elektriskā lauka palīdzību izlocītu elektronus un daļiņas pusapaļā ceļā.
J: Kā ciklotronā paātrina elektronus?
A: Elektronus paātrina starp "D" elektrodiem (sauktiem arī par "dees") magnētiskā lauka apgabalā, izmantojot pielikto elektrisko lauku.
Meklēt