Циклотрон что это такое
Циклотроны: что это такое и где они используются
Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.
Внутренний вид циклотрона «TRIUMF» в Британской Колумбии, Канада, — одной из 1300 циклотронных установок по всему миру, включенных в новую базу данных МАГАТЭ, которая доступна в режиме онлайн. (Фото: Гордон Рой/TRIUMF)
Это название больше похоже на имя персонажа из научно-фантастического фильма, но в действительности циклотрон является ускорителем частиц, т. е. аппаратом, который использует электромагнитные поля для ускорения заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий. Циклотроны применяются для производства радиоизотопов, которые используются в радиофармпрепаратах — определенном виде медицинских препаратов для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В мире насчитывается более 1500 циклотронных установок, и недавно МАГАТЭ актуализировало свою интерактивную карту и базу данных, которые содержат информацию о 1300 таких установках в 95 странах.
Созданная в 2019 году База данных по циклотронам для производства радионуклидов является инструментом, помогающим специалистам, таким как радиофармацевты, а также владельцам и пользователям медицинских циклотронных установок находить техническую, практическую и административную информацию о действующих циклотронах и обмениваться такими данными. Эта работа ведется в рамках деятельности МАГАТЭ по укреплению потенциала стран в области производства радиоизотопов и применения радиационных технологий в здравоохранении.
«Развитие циклотронных технологий идет стремительными темпами, а их роль в секторе здравоохранения будет становиться все более важной, особенно в рамках усовершенствованных процедур медицинской визуализации, поскольку производимые с помощью циклотронов радиофармацевтические препараты очень эффективны в выявлении различных видов рака», — говорит химик-специалист МАГАТЭ по радиоизотопам и радиофармпрепаратам Амир Джалилиан.
База данных МАГАТЭ позволяет пользователям получать подробную информацию о каждой установке, включая вид, размер и количество размещенных в ней циклотронов. Профессионалы из этой области могут налаживать между собой связи и обмениваться опытом и информацией о своих радиофармацевтических продуктах. На этой платформе также распространяется информация о предстоящих мероприятиях МАГАТЭ и публикациях, посвященных монтажу и применению циклотронов.
База данных создана в рамках работы МАГАТЭ по оказанию странам помощи в области производства радионуклидов. МАГАТЭ предоставляет экспертные консультации и технические рекомендации в связи с установками по производству радиофармацевтических препаратов, помогает создавать кадровый потенциал при помощи учебных курсов и образовательных программ, а также содействует проведению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках проектов координированных исследований.
Владельцы и пользователи медицинских циклотронов могут передать в Отдел физических и химических наук МАГАТЭ актуальную информацию о своих установках, заполнив соответствующую онлайновую форму.
Для получения дополнительной информации и более подробных сведений об ускорителях и их применениях посетите сайты Базы данных по циклотронам для производства радионуклидов и Портала знаний об ускорителях (ПЗУ).
ЦИКЛОТРОН
— резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магн. поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрич. поля. Следует различать обычные Ц., в к-рых индукция магн. поля не зависит от азимута, и Ц. с азимутальной вариацией магн. поля, иначе называемые изохронными циклотронами.
Первая конструкция Ц. была предложена Э. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, и тогда же ему удалось получить поток дейтронов с энергией до 6 МэВ и силой тока до 25 мкА.
Рассмотрим движение частиц в вакуумной камере Ц. в отсутствие ускоряющего напряжения. Траектории частиц, движущихся по азимуту, в пост. вертикальном магн. поле имеют вид, близкий к горизонтально расположенным окружностям. Необходимое для такого движения центро-стремит. ускорение создаёт сила Лоренца.
Для частицы, движущейся в Ц., справедливы следующие соотношения:
Ф-лы (1) и (2) показывают, что при пост. индукции В частота обращения нерелятивистских частиц в Ц. не зависит от их энергии, а радиус траектории пропорционален импульсу. Поэтому траектории ускоряемых частиц представляют собой не окружности, а раскручивающиеся спирали. Частота ускоряющего поля постоянна и равна (или кратна) частоте обращения частиц в вакуумной камере.
Неизменность магн. поля и частоты ускоряющего напряжения делают возможным непрерывный режим ускорения: в то время как одни частицы движутся по внеш. виткам спирали, другие находятся на середине пути, а третьи только начинают движение (частицы инжектируются в вакуумную камеру Ц. вблизи её центра); радиус инжекции зависит от импульса, к-рый приобретают частицы в ионном источнике или на пути от источника к дуанту.
Ускоряемые частицы заполняют спиральную траекторию не сплошь. Занятыми оказываются только те её участки, к-рые соответствуют частицам, приходящим в зазор при ускоряющем направлении электрич. ВЧ-поля. Поэтому пучок ускоряемых частиц распадается на цепочку следующих друг за другом групп частиц (банчей, см. Банчировка).
При значит. ускорении частиц, когда происходит релятивистское увеличение массы (g> 1). частота обращения частиц начинает падать, и они выходят из синхронизма с ускоряющим полем. В таком случае режим ускорения частиц сменяется их за. 2 в плане и 4,5 м по высоте.
Рис. 2. Внешний вид циклотрона Института ядерных исследований на 35 МэВ по протонам.
Лит. см. при ст. Ускорители заряженных частиц.
Ускорители заряженных частиц. Циклотрон
Для исследования структуры атомных ядер их бомбардируют частицами, имеющими большую энергию, то есть летящими с очень большой скоростью. Для их получения в лабораторных условиях используют различного рода ускорители, одним из которых и является циклический ускоритель (циклотрон).
В циклотроне заряженная частица, размещенная между полюсами электромагнита, многократно проходит через электрическое поле. В каждый проход она наращивает свою энергию от нескольких сотен до нескольких тысяч электрон – вольт. Для периодического возвращения и управления движением заряженной частицы применяют поперечное магнитное поле.
На совершающую движение в постоянном магнитном поле частицу будет действовать сила Лоренца, результатом чего станет движение заряженного элемента по окружности постоянного радиуса в случае если масса и скорость его останутся неизменными:
Сила Лоренца FЛ, которая направлена по радиусу к центру окружности, вызовет центростремительное ускорение и согласно 2-му закону Ньютона будет равна:
Где: R – радиус орбиты, m – масса заряженной частицы, V – ее скорость. Из этого можно сделать вывод, что FЦ = FЛ, или:
Где: q – величина заряда, В – индукция магнитного поля (векторы В и V взаимно перпендикулярны, то есть sin α = 1). Из этой формулы получаем выражение для угловой скорости частицы:
Если B, q и m – величины постоянные, то скорость угловая, а следовательно и количество оборотов частицы в секунду тоже являют собой величину постоянную, не зависящими от ее энергии. Однако радиус орбиты все же зависит от скорости движения, так как это следует из равенства (1):
С ростом энергии заряженного элемента и увеличением его скорости радиус орбиты увеличивается, именно поэтому элемент в ускорителе (например, циклотроне), будет двигаться по спирали.
Схема устройства циклотрона показана на рисунке ниже:
Циклотрон используют в качестве ускорителя тяжелых частиц – положительных многозарядных ионов и протонов. В циклотроне присутствуют причины, которые ограничивают возможности значительного увеличения энергии ионов. Кинетическая энергия любой частицы равна E = mV 2 /2. Поэтому для получения частиц с очень большим запасом энергии их нужно разгонять до очень большой скорости, практически равной скорости света. Из теории относительности известно, что масса заряженной частицы зависит от ее движения и скорости:
Где: m0 – масса частицы в покое, V – ее скорость, с – скорость света. В условиях, когда и V« c, массу тела можно считать строго постоянной. Однако в ускорителях, где частица разгоняется до скорости близкой к скорости света, с этой массой пригодиться считаться. Из формулы (2) можно получить выражение периода вращения заряженной частицы в циклотроне:
То есть период обращения прямо пропорционален массе элемента. Поэтому по мере ускорения частиц растет период обращения, а период высокочастотного поля остается неизменным. В результате при каждом последующем попадании в ускоряющую щель элементы будут опаздывать, приобретая меньшую энергию, пока не начнут попадать в тормозящее поле.
Для разгона электронов используют другой ускоритель – бетатрон, в котором используется вихревое электрическое поле. Однако энергия, получаемая элементами с помощью циклотрона, не удовлетворяла ученых. Для достижения большей энергии частиц используют два приема:
Циклотрон что это такое
Циклотрон – циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.
 Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона |
Схема устройства циклотрона показана на рис.3. Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном магнитном поле напряженностью B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой
 , | (1) |
 | (2) |
В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений. При этом частицы приобретают скорость v = ZeBR/m и соответствующую ей энергию:
На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.
Недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения γ от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.
Для ускорения тяжёлых частиц в режиме раскручивающейся спирали до энергий в десятки раз больших (вплоть до 1000 МэВ) используют модификацию циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном, а также фазотрон. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля.
ЦИКЛОТРОН
— резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магн. поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрич. поля. Следует различать обычные Ц., в к-рых индукция магн. поля не зависит от азимута, и Ц. с азимутальной вариацией магн. поля, иначе называемые изохронными циклотронами.
Первая конструкция Ц.была предложена Э. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, и тогда же ему удалось получить поток дейтронов с энергией до 6 МэВ и силой тока до 25 мкА.
Рассмотрим движение частиц в вакуумной камере Ц. в отсутствие ускоряющего напряжения. Траектории частиц, движущихся по азимуту, в пост. вертикальном магн. поле имеют вид, близкий к горизонтально расположенным окружностям. Необходимое для такого движения центро-стремит. ускорение создаёт сила Лоренца.
Для частицы, движущейся в Ц., справедливы следующие соотношения:
Ф-лы (1) и (2) показывают, что при пост. индукции В частота обращения нерелятивистских частиц в Ц. не зависит от их энергии, а радиус траектории пропорционален импульсу. Поэтому траектории ускоряемых частиц представляют собой не окружности, а раскручивающиеся спирали. Частота ускоряющего поля постоянна и равна (или кратна) частоте обращения частиц в вакуумной камере.
Неизменность магн. поля и частоты ускоряющего напряжения делают возможным непрерывный режим ускорения: в то время как одни частицы движутся по внеш. виткам спирали, другие находятся на середине пути, а третьи только начинают движение (частицы инжектируются в вакуумную камеру Ц. вблизи её центра); радиус инжекции зависит от импульса, к-рый приобретают частицы в ионном источнике или на пути от источника к дуанту.
Ускоряемые частицы заполняют спиральную траекторию не сплошь. Занятыми оказываются только те её участки, к-рые соответствуют частицам, приходящим в зазор при ускоряющем направлении электрич. ВЧ-поля. Поэтому пучок ускоряемых частиц распадается на цепочку следующих друг за другом групп частиц (банчей, см. Банчировка).
При значит. ускорении частиц, когда происходит релятивистское увеличение массы (g> 1). частота обращения частиц начинает падать, и они выходят из синхронизма с ускоряющим полем. В таком случае режим ускорения частиц сменяется их за. В. Однако для Ц. с азимутально-симметричным полем это ведёт к появлению неустойчивости вертикального движения ускоряемых частиц.
При устойчивом движении всякое отклонение параметров движения частиц от равновесных значений должно сопровождаться возникновением эффектов, стремящихся вернуть эти параметры к равновесным, так что частицы совершают колебания около равновесных значений. Принято различать устойчивость поперечных колебаний (колебаний по высоте и по радиусу) и устойчивость продольного движения (радиально-фазовые колебания).
Можно показать, что в азимутально-симметричном поле вертикальное движение оказывается устойчивым лишь в том случае, если индукция магн. поля не растёт, а убывает с радиусом. Обычно такое поле и создаётся. Складываясь с релятивистским увеличением массы, этот эффект накладывает дополнит. ограничение на макс. энергию ускоряемых частиц. У Ц., используемых для ускорения протонов, максимально достижимая энергия лежит в области 30 МэВ.
Увеличить энергию, к-рую могут достичь частицы, ускоряемые в Ц., возможно двумя способами. Можно отказаться от постоянства частоты ускоряющего напряжения, снижая её, по мере того как падает частота обращения частиц. Такие ускорители наз. фазотронами. При изменяющейся во времени частоте становится невозможным описанный выше режим ускорения, когда в ускорителе сосуществуют частицы, находящиеся на разных стадиях процесса ускорения. Частота ускоряющего поля при этом соответствует ускорению одного или группы близко расположенных банчей. T. о., увеличение максимально достижимой энергии частиц в фазотроне происходит за счёт существенного снижения интенсивности.
Другой путь достижения макс. энергии заключается в отказе от азимутальной симметрии магн. поля. В таких ускорителях частицы попеременно пересекают области, в к-рых поле с увеличением радиуса растёт и уменьшается. При правильном выборе параметров в результате такого движения появляется вертикальная устойчивость даже при увеличивающейся с радиусом ср. индукции магн. поля. Ускорители, построенные по этому принципу, наз. изохронным и Ц. Изохронные Ц. работают при пост. частоте ускоряющего поля и поэтому способны выдавать большие токи ускоренных частиц. Азимутальное изменение магн. поля, совмещённое с радиальным, требует магн. полюсов сложной формы. Полюса изохронных Ц. обычно составляются из неск. секторов или снабжаются спиралевидными гребнями.
Внеш. вид одного из современных Ц., работающего в Институте ядерных исследований, представлен на рис. 2. Он может ускорять как протоны, так и ионы (до неона включительно). На внеш. витке спирали энергия протонов составляет 35 МэВ. Cp. ток ускоренных протонов 30 ткА. Мощность ускоренного пучка составляет
1 кВт. Магн. ярмо Ц. весит 300 т, вес катушек возбуждения
70 т, диаметр магн. полюсов 150 см, потребляемая от сети мощность
180 кВт. Габаритные размеры Ц. 8 13 м 2 в плане и 4,5 м по высоте.
Рис. 2. Внешний вид циклотрона Института ядерных исследований на 35 МэВ по протонам.
Лит. см. при ст. Ускорители заряженных частиц.