Ciklotron

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A ciklotron olyan részecskegyorsító, amelyben töltött részecskék (például protonok, ionok) mágneses tér hatására spirális pályán haladnak belülről kifelé. Minden egyes körbefordulás során a váltóáram elektromos tere kétszer gyorsít a részecskén, egyre nagyobb sugarú körpályára juttatva azt.

A ciklotron elvét Gaál Sándor magyar fizikus alkotta meg, 1929-es leírása azonban szerencsétlen véletlen folytán publikálatlan maradt és ezért a magyar (és a román) szakirodalmon kívül a világban – helytelenül – Ernest Lawrence-nek tulajdonítják az elsőséget. Magát az első ciklotront Lawrence és hallgatója Stanley Livingston fejlesztette ki 1930 és 1932 között.[1] Többek között a rák kezelésére használják.

A relativisztikus tömegnövekedés korlátozza a maximális részecskeenergiát, a tömegnövekedés kompenzálására fejlesztették ki a szinkrociklotront és az izokrón ciklotront.

Felépítése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A ciklotron felépítése

Egy elektromágnes pólusai között lapos kerek vákuumkamra található. A vákuumkamrában található két D alakú rész (dék) két üreges fémből van, amelyen belül a töltött részecskék mozognak. Az ionforrásból jön ki a részecske, amely a mágneses tér miatt körpályán mozog. Olyan frekvenciával változtatják az elektromos teret a két D között, hogy a részecskét mindig gyorsítsa, amikor áthalad rajta. Végül egy megfelelő töltésű lemez segítségével a részecskét kihúzzák a gyorsítóból további felhasználásra.

Amíg nincs jelentős relativisztikus tömegnövekedés, addig állandó frekvenciájú váltóáram megfelelő a gyorsításhoz, a frekvencia független a sebességtől: ez az úgynevezett ciklotronfrekvencia.

A ciklotron matematikai leírása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A ciklotron D alakú részei
Az előző ciklotron mágnesrésze

A B mágneses tér szolgáltatja a centripetális erőt. Mivel a részecske erre merőlegesen mozog, ezért ennek értéke Bqv. Tehát

\frac{mv^2}{r} = Bqv

(ahol m a részecske tömege, q a töltése, v a sebessége és r a pályasugara).

Ebből

\frac{v}{r} = \frac{Bq}{m}

v/r egyenlő az ω szögsebességgel, így

\omega = \frac{Bq}{m}

A frekvencia pedig

f = \frac{\omega}{2 \cdot \pi}

tehát,

f = \frac{Bq}{2 \cdot \pi \cdot m}

A ciklotron továbbfejlesztett változatai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ebből látható, hogy a frekvencia nem függ a pályasugártól kisebb sebességek esetén. fénysebesség közeli sebességek esetén azonban a tömeg növekszik, így a frekvencia lecsökken. Ennek ellensúlyozására kétféle megoldás született:

  • szinkrociklotronok: Ebben a gyorsító tér frekvenciát megfelelően csökkentik az időben. Hátránya, hogy nem gyorsíthatunk újabb részecskecsomagot, amíg az előzőt fel nem gyorsítottuk, ezért kicsi a nyalábáram. További elnevezései frekvenciamodulált (FM) ciklotron, fazotron.
  • izokrón ciklotron: Egy másik kézenfekvőnek látszó módszer, a mágneses tér időbeli vagy sugármenti növelése, nem egyszerűen járható, mert alapesetben a nyaláb pályára merőleges (vertikális) szétszóródását (divergenciáját) vonja maga után (mágneses térindex). L. H. Thomas mutatta ki 1938-ban, hogy ezen a mágneses tér speciális elrendezésével ellensúlyozni lehet. [2] Ezt használják ki az izokrón ciklotronok. További elnevezései relativisztikus ciklotron, azimutálisan váltakozó terű (AVF), szektorfókuszált ciklotron (SFC)
típus max. végenergia (MeV) nyalábáram max átmérő / mágnestömeg felhasználás
ciklotron 20 MeV (proton)
40 MeV (deuteron)
500 μA 2m / 300 t
szinkrociklotron 600-800 MeV (proton) pár μA 4 m / 4000 t először hoztak létre vele mesterségesen mezonokat
izokrón ciklotron >600 MeV (proton) 50 μA neutronhiányos izotópok termelése (a neutronfeleslegeseké rektorokban), magspektroszkópia, magreakciók tanulmányozása

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ciklotronok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • ATOMKI (Debrecen) [3]