Ein Zyklotron ist ein Typ des Partikel-Gaspedals, in dem sich beladene Partikeln nach außen vom Zentrum entlang einem spiralförmigen Pfad beschleunigen. Die Partikeln werden zu einer spiralförmigen Schussbahn durch ein statisches magnetisches Feld gehalten und durch schnell unterschiedlich (Radiofrequenz) elektrisches Feld beschleunigt.

Geschichte

Das Zyklotron wurde von Leó Szilárd erfunden und zuerst verfertigt und von Ernest Lawrence von der Universität Kaliforniens, Berkeley patentiert, wo es zuerst 1932 bedient wurde.. Ein Student im Aufbaustudium, M Stanley Livingston, hat viel von der Arbeit getan, die Idee in die Arbeitshardware zu übersetzen. Lawrence hat einen Artikel über das Konzept einer Antrieb-Tube linac durch Rolf Widerøe gelesen, der auch entlang ähnlichen Linien mit dem betatron Konzept gearbeitet hatte. Das erste europäische Zyklotron wurde in Leningrad in der Physik-Abteilung des Radium-Instituts gebaut, das von Vitali Khlopin angeführt ist. Dieses Instrument wurde zuerst 1932 von George Gamow und Lev Mysovskii vorgeschlagen und wurde installiert und vor 1937 laufend.

Grundsatz der Operation

Zyklotrone beschleunigen beladene Partikel-Balken mit einer hohen Frequenz Wechselstromspannung, die ist

angewandt zwischen zwei "D" - geformte Elektroden (hat auch "dees" genannt). Ein zusätzliches statisches magnetisches Feld wird in der rechtwinkligen Richtung auf das Elektrode-Flugzeug angewandt, Partikeln ermöglichend, auf die beschleunigende Stromspannung oft an derselben Phase wiederzustoßen. Um das zu erreichen, muss die Stromspannungsfrequenz die Zyklotron-Klangfülle-Frequenz der Partikel vergleichen

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mit der relativistischen MassenM und seiner Anklage q. Diese Frequenz wird durch die Gleichheit der Zentripetalkraft und magnetischen Kraft von Lorentz gegeben. Die Partikeln, die in der Nähe vom Zentrum des magnetischen Feldes eingespritzt sind, vergrößern ihre kinetische Energie, wenn nur sie durch die Lücke zwischen den Elektroden wiederzirkulieren; so reisen sie nach außen entlang einem spiralförmigen Pfad.

Ihr Radius wird zunehmen, bis die Partikeln ein Ziel am Umfang des Vakuumraums treffen, oder das Zyklotron mit einer Balken-Tube verlassen, ihren Gebrauch z.B für die Partikel-Therapie ermöglichend. Verschiedene Materialien können für ein Ziel verwendet werden, und die Kollisionen werden sekundäre Partikeln schaffen, die außerhalb des Zyklotrons und in Instrumente für die Analyse geführt werden können.

Relativistische Rücksichten

In der nichtrelativistischen Annäherung hängt die Frequenz vom Radius der Bahn der Partikel nicht ab, da die Masse der Partikel unveränderlich ist. Als die Balken-Spiralen nimmt seine Frequenz nicht ab, und es muss fortsetzen sich zu beschleunigen, weil es mehr Entfernung in derselben Zeit reist.

Im Gegensatz zu dieser Annäherung, weil sich Partikeln der Geschwindigkeit des Lichtes, ihrer relativistischen Massenzunahmen nähern, entweder Modifizierungen zur Frequenz verlangend, zum synchrocyclotron, oder das magnetische Feld während der Beschleunigung führend, zum isochronen Zyklotron führend. Die relativistische Zyklotron-Frequenz kann als umgeschrieben werden

:wo

: ist der Faktor von Lorentz

: ist die Partikel-Rest-Masse

: würde die Zyklotron-Frequenz in der klassischen Annäherung sein.

Der gyroradius für eine Partikel, die sich in einem statischen magnetischen Feld bewegt, wird dann durch gegeben

:

wo die Verhältnisgeschwindigkeit ist.

Synchrocyclotron

Ein synchrocyclotron ist ein Zyklotron, in dem die Frequenz des Fahrens RF elektrisches Feld geändert wird, um relativistische Effekten zu ersetzen, weil die Geschwindigkeit der Partikeln beginnt, sich der Geschwindigkeit des Lichtes zu nähern. Das ist im Gegensatz zum klassischen Zyklotron, wo die Frequenz festgehalten wurde, so zur synchrocyclotron Operationsfrequenz führend, die ist

:

wo die klassische Zyklotron-Frequenz ist, und wieder die Verhältnisgeschwindigkeit des Partikel-Balkens ist.

Die Rest-Masse eines Elektrons ist 511 keV/c, so ist die Frequenzkorrektur 1 % für eine magnetische Vakuumtube mit einer 5.11 keV/c direkten aktuellen beschleunigenden Stromspannung. Die Protonenmasse ist fast zweitausendmal die Elektronmasse, so ist die 1-%-Korrektur-Energie ungefähr 9 MeV, der genügend ist, um Kernreaktionen zu veranlassen.

Isochrones Zyklotron

Eine Alternative zum synchrocyclotron ist das isochrone Zyklotron, das ein magnetisches Feld hat, das mit dem Radius, aber nicht mit der Zeit zunimmt. Isochrone Zyklotrone sind dazu fähig, viel größeren Balken-Strom zu erzeugen, als synchrocyclotrons, aber verlangen, dass scheitelwinklige Schwankungen in der Feldkraft eine starke sich konzentrierende Wirkung zur Verfügung stellen und die Partikeln gewonnen in ihrer spiralförmigen Schussbahn halten.

Das Zurückrufen des relativistischen gyroradius

und die relativistische Zyklotron-Frequenz, man kann beschließen, zum Faktor von Lorentz proportional zu sein. Das läuft auf die Beziehung hinaus

der wieder nur von der Geschwindigkeit, wie im nichtrelativistischen Fall abhängt. Außerdem ist die Zyklotron-Frequenz in diesem Fall unveränderlich.

Die Querde-Fokussierungswirkung dieses radialen Feldanstiegs wird durch Kämme auf den Magnet-Gesichtern ersetzt, die das Feld scheitelwinklig ebenso ändern. Das erlaubt Partikeln, unaufhörlich, auf jeder Periode der Radiofrequenz (RF), aber nicht in Brüchen als in den meisten anderen Gaspedal-Typen beschleunigt zu werden. Dieser Grundsatz, dass Wechselfeldanstiege eine sich konzentrierende Nettowirkung haben, wird starke Fokussierung genannt. Es war theoretisch dunkel bekannt, lange bevor es in die Praxis umgesetzt wurde. Beispiele von isochronen Zyklotronen sind im Überfluss; tatsächlich verwenden fast alle modernen Zyklotrone scheitelwinklig unterschiedliche Felder. Das TRIUMF Zyklotron, das unten erwähnt ist, ist mit einem Außenbahn-Radius von 7.9 Metern am größten, Protone an bis zu 510 MeV herausziehend, der 3/4 der Geschwindigkeit des Lichtes ist. Das PSI Zyklotron erreicht höhere Energie, aber ist wegen des Verwendens eines höheren magnetischen Feldes kleiner.

Gebrauch

Seit mehreren Jahrzehnten waren Zyklotrone die beste Quelle von energiereichen Balken für Kernphysik-Experimente; mehrere Zyklotrone sind noch im Gebrauch für diesen Typ der Forschung. Die Ergebnisse ermöglichen die Berechnung von verschiedenen Eigenschaften, wie der Mittelabstand zwischen Atomen und der Entwicklung von verschiedenen Kollisionsprodukten. Nachfolgende Chemikalie und Partikel-Analyse des Zielmaterials können Scharfsinnigkeit in die Kernumwandlung der im Ziel verwendeten Elemente geben.

Zyklotrone können in der Partikel-Therapie verwendet werden, um Krebs zu behandeln. Ion-Balken von Zyklotronen, können als in der Protonentherapie verwendet werden, um in den Körper einzudringen und Geschwülste durch den Strahlungsschaden zu töten, während man Schaden am gesunden Gewebe entlang ihrem Pfad minimiert.

Zyklotron-Balken können verwendet werden, um andere Atome zu bombardieren, um kurzlebige Positron ausstrahlende für die LIEBLINGS-Bildaufbereitung passende Isotope zu erzeugen.

Mehr kürzlich sind Zyklotrone, die zurzeit in Krankenhäusern für die Partikel-Therapie installiert sind, retrofitted gewesen, um ihnen zu ermöglichen, Technetium 99 zu erzeugen. Technetium 99 ist ein diagnostisches Isotop im knappen Vorrat wegen Schwierigkeiten an Kanadas Kreide-Flussmöglichkeit.

Vorteile und Beschränkungen

Das Zyklotron war eine Verbesserung über die geradlinigen Gaspedale (linacs), die verfügbar waren, als es erfunden wurde, - und raumwirksam wegen seiner wiederholten Wechselwirkung mit dem beschleunigenden Feld mehr gekostet. In den 1920er Jahren war es nicht möglich, hohe Macht Hochfrequenzfunkwellen zu erzeugen, die in modernem linacs (erzeugt durch klystrons) verwendet werden, so unpraktisch lange linac Strukturen für Partikeln der höheren Energie verlangend. Die Kompaktheit des Geräts reduziert andere Kosten, wie seine Fundamente, Strahlenabschirmung und das Umgeben-Gebäude.

Zyklotrone haben einen einzelnen elektrischen Fahrer, der sowohl Geld als auch Macht spart, da mehr Aufwand der zunehmenden Leistungsfähigkeit zugeteilt werden kann. Außerdem sind Zyklotrone im Stande, einen dauernden Strom von Partikeln am Ziel zu erzeugen, so ist die durchschnittliche Macht, die von einem Partikel-Balken in ein Ziel passiert ist, relativ hoch.

Der spiralförmige Pfad des Zyklotron-Balkens kann nur" mit dem Klystron-Typ (unveränderliche Frequenz) Stromspannungsquellen "synchronisieren, wenn die beschleunigten Partikeln Newtonschen Gesetzen der Bewegung ungefähr folgen. Wenn die Partikeln schnell genug werden, dass relativistische Effekten wichtig werden, wird der Balken gegenphasig mit dem schwingenden elektrischen Feld, und kann keine zusätzliche Beschleunigung erhalten. Das klassische Zyklotron ist deshalb nur zu beschleunigenden Partikeln bis zu einiges Prozent der Geschwindigkeit des Lichtes fähig. Um vergrößerte Masse anzupassen, kann das magnetische Feld durch das passende Formen der Pol-Stücke als in den isochronen Zyklotronen, das Funktionieren in einer pulsierten Weise und das Ändern der Frequenz modifiziert werden, die auf den dees als in den synchrocyclotrons angewandt ist, von denen jeder durch die sich vermindernde Kostenwirksamkeit beschränkt wird, größere Maschinen zu machen. Kostenbeschränkungen sind durch die Beschäftigung des komplizierteren Synchrotrons oder der modernen, geklystron-steuerten geradlinigen Gaspedale überwunden worden, von denen beide im Vorteil der Skalierbarkeit sind, mehr Macht innerhalb einer verbesserten Kostenstruktur anbietend, weil die Maschinen größer gemacht werden.

Bemerkenswerte Beispiele

TRIUMF, Kanadas nationales Laboratorium für den Kern- und die Partikel-Physik, nimmt das größte Zyklotron in der Welt auf. 18-M-Diameter von Th, 4,000-Tonne-Hauptmagnet erzeugt ein Feld von 0.46 T, während 23 MHz 94 kV elektrisches Feld verwendet werden, um den 300 μA Balken zu beschleunigen. TRIUMF wird von einem Konsortium von sechzehn kanadischen Universitäten geführt und wird an der Universität des britischen Columbias, Vancouvers, Kanada gelegen.

Zusammenhängende Technologien

Von Elektronen in einem zylindrischen Vakuumraum innerhalb eines magnetischen Querfeldes schnell zu wachsen, wird auch im magnetron, einem Gerät verwendet, um hohe Frequenzfunkwellen (Mikrowellen) zu erzeugen.

Das Synchrotron bewegt die Partikeln durch einen Pfad des unveränderlichen Radius, ihm erlaubend, als eine Pfeife und so des viel größeren Radius gemacht zu werden, als mit dem Zyklotron und synchrocyclotron praktisch ist. Der größere Radius erlaubt den Gebrauch von zahlreichen Magneten, von denen jeder winkeligen Schwung gibt und so Partikeln der höheren Geschwindigkeit (Masse) erlaubt, innerhalb der Grenzen der ausgeleerten Pfeife behalten zu werden. Die magnetische Feldkraft von jedem der sich biegenden Magnete wird vergrößert, weil die Partikeln Energie gewinnen, um den sich biegenden Winkel unveränderlich zu halten.

Siehe auch

• Zyklotron-Klangfülle
• Gyrotron
• Zyklotron-Radiation
• Partikel-Gaspedal
• Synchrotron
• Beamline
• Bremsstrahlung (Radiation)
• TRIUMF, das größte Zyklotron in der Welt (18-M-Diameter), wird von einem Konsortium von sechzehn kanadischen Universitäten geführt und wird an der Universität des britischen Columbias, Vancouvers, Kanada gelegen.
• Strahlenreaktion

Außenverbindungen

• "Das 88-zöllige Zyklotron an LBNL"
• "Der NSCL an der Michiganer Staatlichen Universität". Haus von verbundenem K500 und K1200 Zyklotronen; der K500, das erste Superleiten-Zyklotron und der K1200, früher das stärkste in der Welt.
• Rutgers Zyklotron

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:: Studenten an der Rutgers Universität haben ein 12-zölliges 1 Zyklotron von MeV als ein Studentenprojekt gebaut, das jetzt für einen Studenten des älteren Niveaus und einen Absolventenlaboratorium-Kurs verwendet wird.

• "Klangfülle geisterhafte Analyse mit einem Homebuilt Zyklotron"

:an-Versuch, der von Fred M. Niell, III sein älteres Jahr der Höheren Schule (1994-95) angestellt ist, mit dem er den gesamten großartigen Preis im ISEF gewonnen hat.

• Über ein Nachbarschaft-Zyklotron im Ankerplatz, Alaska.
• Die Zyklotron-Kinder. Ein Paar von Studenten der Höheren Schule, die ihr eigenes 2.3 Zyklotron von MeV für das Experimentieren bauen.
• 2010 Kleine Zyklotron-Konferenz. Amateurzyklotron-Baumeister haben sich für die erste Kleine Zyklotron-Konferenz am 24. April 2010 versammelt.
• RIKEN Nishina Zentrum für die Gaspedal-basierte Wissenschaft Nach Hause des stärksten Zyklotrons in der Welt.