sincrocíclotron - Synchrocyclotron

Esboço de uma sincrocíclotron de patente da McMillan.

Um sincrocíclotron é um tipo especial de ciclotrão , patenteado por Edwin McMillan , em que a frequência da condução de RF do campo eléctrico é alterada para compensar os efeitos relativistas como a velocidade das partículas começa a aproximar-se da velocidade da luz . Isto está em contraste com a clássica ciclotrão, onde esta frequência é constante.

Existem duas grandes diferenças entre o sincrocíclotron eo ciclotron clássica. No sincrocíclotron, apenas um dee (oco "D" eléctrodo de metal em forma de folha) mantém a sua forma clássica, ao passo que o outro pólo é aberto (ver desenho da patente). Além disso, a frequência do campo eléctrico oscilante num sincrocíclotron está a diminuir em vez de continuamente mantida constante, de modo a manter a ressonância de ciclotrão para velocidades relativistas. Um terminal do potencial eléctrico oscilante variando periodicamente é aplicada ao dee e o outro terminal está no potencial de terra. Os protões ou deutério para ser acelerado são feitos para se moverem em círculos de raio crescente. A aceleração de partículas ocorre à medida que entrar ou sair do dee. Na borda exterior, o feixe de iões pode ser removido com o auxílio de deflector electrostático. O primeiro sincrocíclotron produziu 195 dêuterons MeV e 390 MeV partículas alfa .

Diferenças do ciclotron clássica

Em um ciclotrão clássica, a frequência angular do campo eléctrico é dada pela

${\ Displaystyle \ omega = {\ frac {qB} {m}}}$,

Onde é a frequência angular do campo elétrico, é a carga sobre a partícula, é o campo magnético, e é a massa da partícula. Isso faz com que a suposição de que a partícula é clássico, e não experimentar fenômenos relativísticos tais como contração do comprimento. Estes efeitos começam a tornar-se significativa quando a velocidade da partícula maior do que . Para corrigir isso, a massa relativística é usada em vez da massa de repouso; assim, um factor de multiplica a massa, tal que ${\ Displaystyle \ omega}$${\ Displaystyle q}$${\ Displaystyle B}$${\ Displaystyle m}$${\ Displaystyle v}$${\ Displaystyle \ approx {\ frac {c} {3}}}$${\ Displaystyle \ gamma}$

${\ Displaystyle \ omega = {\ frac {qB} {m \ gamma}}}$,

Onde

${\ Displaystyle \ gama = {\ frac {1} {\ sqrt {1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}$.

Este é, em seguida, a frequência angular do campo aplicado às partículas como eles são acelerados em torno do sincrocíclotron.

vantagens

Uma parte da antiga Orsay sincrocíclotron

A principal vantagem do sincrocíclotron é que não há necessidade de restringir o número de revoluções executadas pelo ion antes de sua saída. Como tal, a diferença de potencial fornecida entre os dês pode ser muito menor.

A menor diferença de potencial necessário em toda a diferença tem os seguintes usos:

1. Não há necessidade de um intervalo estreito entre os dês como no caso de ciclotrão convencional, porque fortes campos eléctricos para a produção de grande aceleração não são necessários. Assim, apenas um dee pode ser usado em vez de dois, a outra extremidade da alimentação de tensão de oscilação a ser ligado à terra.
2. Os pólos magnéticos podem ser aproximados, tornando assim possível aumentar consideravelmente a densidade de fluxo magnético.
3. O oscilador de frequência de válvula é capaz de funcionar com uma eficiência muito maior.

desvantagens

O principal inconveniente deste dispositivo é que, como resultado da variação da frequência da alimentação de tensão de oscilação, apenas uma pequena fracção dos iões saem da fonte são capturadas nas órbitas de fase estável do raio e o máximo de energia com o resultado que a corrente do feixe de saída tem um ciclo de trabalho de baixo, e a média da corrente de feixe é apenas uma pequena fracção da corrente de feixe instantânea. Assim, a máquina produz iões de alta energia, embora com intensidade relativamente baixa.

O passo seguinte desenvolvimento do conceito ciclotron, o ciclotrão isócrono , mantém uma frequência de condução RF constante e compensa os efeitos relativísticos, aumentando o campo magnético com raio. Ciclotrões isócronos são capazes de produzir muito maior do que a corrente do feixe synchrocyclotrons. Como resultado, cyclotrons isochronous se tornou mais popular no campo da pesquisa.

História

O sincrocíclotron (SC) no CERN

Em 1945, Robert Lyster Thornton em Ernest Lawrence 's Radiation Laboratory levou a construção do ciclotrão 184 polegadas (470 cm). Em 1946, ele supervisionou a conversão do ciclotron para o novo design feita por McMillan, que se tornaria o primeiro sincrocíclotron com poderia produzir 195 deuterons MeV e 390 MeV partículas alfa .

Após a primeira sincrocíclotron estava operacional, o Office of Naval Research (ONR) financiou duas iniciativas de construção sincrocíclotron. O primeiro financiamento foi em 1946 para Carnegie Institute of Technology para construir um 435-MeV sincrocíclotron liderada por Edward Creutz e para começar seu programa de pesquisa em física nuclear. A segunda iniciativa foi em 1947 para Universidade de Chicago para construir uma sincrocíclotron 450 MeV sob a direcção de Enrico Fermi .

Em 1948, Universidade de Rochester concluída a construção do seu sincrocíclotron 240 MeV, seguido por uma conclusão de 380 MeV sincrocíclotron na Columbia University em 1950.

Em 1950, a sincrocíclotron 435 MeV no Carnegie Institute of Technology estava operacional, seguido de 450 MeV sincrocíclotron da Universidade de Chicago em 1951.

Em um UNESCO reunião em Paris em dezembro de 1951, houve uma discussão em encontrar uma solução para ter um acelerador de médio de energia para o logo-a-ser-formada Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN). O sincrocíclotron foi proposto como uma solução para a ponte antes de a 28 GeV Proton Synchrotron foi completada. Em 1952, Cornelis Bakker levou o grupo para conceber e construir o sincrocíclotron chamado Synchro-Ciclotrão (SC) no CERN. O desenho da Synchro-ciclotrão com 15,7 metros (52 ft) de circunferência começou em 1953. A construção começou em 1954 e que alcançou 600 MeV aceleração de protões em Agosto de 1957, com o programa experimental iniciada em abril 1958.

Os desenvolvimentos actuais

Synchrocyclotrons são atraentes para utilização em terapia de protões devido à capacidade de fazer sistemas compactos utilizando campos magnéticos elevados. Empresas física médica Aplicações Ion Beam e Mevion Medical Systems desenvolveram synchrocyclotrons supercondutores que podem caber confortavelmente em hospitais.

Referências