Что такое циклотрон?

Что такое циклотрон?

Циклотрон — это ускоритель заряженных частиц (отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов, ионов и т. д.), который многократно закручивает заряженные частицы для увеличения их скорости.

Циклотрон — это тип ускорителя, который ускоряет частицы, прикладывая разность потенциалов, которая переключается на высокой скорости в зазор между двумя прямыми секциями электродов (дуантные электроды), которые имеют форму буквы D в алфавите.

Применение циклотронов

Циклотроны используются в различных областях для использования эффектов, возникающих при столкновении ускоренных заряженных частиц с мишенью (например, для производства изотопов, не существующих в природе, для модификации полупроводников и т. д.). Одним из примеров является производство короткоживущих радиоактивно меченых соединений для ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии).

Радиоактивно меченые соединения, используемые в ПЭТ, имеют короткое время жизни и должны производиться в циклотронах по мере использования. В последнее время медицинские учреждения все чаще оснащаются небольшими циклотронами для ПЭТ.

Другое применение — улучшение характеристик полупроводников путем облучения полупроводников. Полупроводники можно модифицировать, облучая их заряженными частицами, чтобы улучшить их электрические свойства.

Другие применения включают производство радиоизотопов для использования в SPECT (однофотонная эмиссионная компьютерная томография), исследовательских радиоизотопах, радиофармацевтических препаратах и ​​ядерно-физических исследованиях.

Принцип работы циклотрона

Циклотроны используют силу, действующую на заряженные частицы при прохождении через магнитное поле (сила Лоренца). Основа циклотрона представляет собой дисковую часть, состоящую из двух электродов Ди в форме буквы D. Изображение круглой формы формируется путем склеивания вертикальных полос буквы D и обратной стороны буквы D.

Электрод D помещается в магнитное поле, созданное электромагнитом. Это делается для того, чтобы использовать силу Лоренца для перемещения ионов. Когда заряженная частица вводится в магнитное поле циклотрона, сила Лоренца заставляет частицу изгибаться и двигаться по круговой орбите. В это время они будут вращаться по круговой траектории вдоль формы диска, образованного двумя дуантными электродами.

На полпути вокруг диска частица достигает другого дуантного электрода, и в этот момент между электродами создается разность потенциалов для ускорения частицы. Когда частицы возвращаются к исходному электроду после завершения половины окружности, разность потенциалов может быть обращена вспять, чтобы снова ускорить их. Этот процесс повторяется для ускорения заряженных частиц.

По мере увеличения скорости заряженной частицы радиус инерции увеличивается, что позволяет извлечь частицу из периферии диска.

Другая информация о циклотронах

1. Предел ускорения

По мере того, как скорость заряженной частицы приближается к скорости света, ее масса увеличивается из-за эффектов относительности, что затрудняет ее изгиб. Поэтому радиус увеличивается за пределы первоначального расчета, и ускорение не может быть достигнуто так, как изначально было задумано. Поэтому существует предел ускорения с использованием циклотрона.

Поэтому были рассмотрены синхроциклотроны и синхротроны. Синхроциклотроны — это циклотроны, которые обеспечивают ускорение до высоких скоростей за счет замедления переключения электрического поля в соответствии со скоростью ионов.

С другой стороны, синхротроны построены по иной концепции, чем циклотроны. В отличие от циклотронов, которые постепенно увеличивают радиус орбиты, синхротроны ускоряются за счет изменения напряженности магнитного поля и периода переключения электрического поля, сохраняя при этом постоянную круговую орбиту.

2. Преимущества циклотронов

Хотя циклотроны имеют ограничения по ускорению, одно преимущество, которого нет у синхротронов, — это способность непрерывно ускорять частицы, заливая их в циклотрон одну за другой.

Они также могут производить пучки частиц высокой интенсивности. Эти особенности подходят для производства изотопов и модификации полупроводников, и эти особенности успешно используются в приложениях.