Ciclotron

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Magnetul primului ciclotron belgian (1947).

Un ciclotron , sau accelerator circular , este o mașină folosită pentru a accelera fascicule de particule încărcate electric (de obicei ioni de lumină) folosind un curent alternativ de înaltă frecvență și înaltă tensiune , în asociere cu un câmp magnetic perpendicular. Inventat la 27 ianuarie 1930 și perfecționat în 1932 de către fizicianul Ernest Orlando Lawrence și este folosit și astăzi în medicină , în principal pentru tratamentul cancerului . Traiectoria parcursă de particule este spirală pornind de la centru. Ajuns la marginea exterioară a mașinii, fasciculul iese la viteză mare, aproape de viteza luminii .

Operațiune

Un ciclotron cu un diametru de 150 de centimetri din 1939, din care iese un fascicul de particule accelerate ( protoni și deuteroni ), ionizând aerul, provocând o strălucire albastră.

Principiul utilizat este rezonanța ionului ciclotron . În interiorul camerei de vid circulare există doi electrozi în formă de D , semicirculari. Cei doi electrozi sunt ca niște cochilii unul lângă altul pentru deschideri (partea plană a D ). Acești electrozi pot fi loviți de particule false care îi determină să se încălzească și trebuie răcite circulând apa în tuburi speciale. Camera este plasată între piesele polare ale unui magnet puternic, astfel încât câmpul să traverseze planul pe care se află electrozii.

Când o particulă este introdusă tangențial în cameră, ortogonal câmpului magnetic, aceasta este deviată și păstrată pe o orbită circulară datorită forței Lorentz . În vid, particula este liberă să se rotească, dar pierde încet energie (toate sarcinile electrice, dacă sunt accelerate, emit fotoni, numiți fotoni Bremsstrahlung ), parcurge o traiectorie spirală spre centru.

Dacă acum se aplică o diferență de potențial alternativă adecvată de înaltă frecvență între cei doi electrozi, particulele se accelerează de fiecare dată când trec prin spațiul dintre ele. Pe măsură ce accelerați, diametrul orbitei crește, până când fasciculul iese tangențial de marginea dispozitivului.

Principiul de funcționare

Forța centripetă care reține particulele în calea circulară este generată de câmpul magnetic transvers B datorită forței Lorentz . Mărimea forței este echivalentă cu B qv , deci:

unde m este masa particulei, q este sarcina , v este viteza și r este raza traiectoriei .

de la care:

Diagrama unui ciclotron.

deoarece v / r este echivalent cu viteza unghiulară ω , avem:

frecvența de rotație este legată de viteza unghiulară în funcție de relație:

din care, înlocuind ω , obținem:

Se poate observa că pentru o particulă cu masă constantă frecvența necesară este independentă de raza orbitei. Pe măsură ce fasciculul spiralează, frecvența de rotație nu scade, deoarece particula continuă să accelereze, parcurgând în același timp cea mai mare lungime a orbitei.
Când particula se apropie de viteza luminii, tratamentul non-relativist dat mai sus nu mai este suficient și acest lucru necesită corecții ale frecvenței sau intensității câmpului magnetic.

Beneficii

Magnetul unui sincrociclotron într-un centru de terapie cu protoni din Orsay

Ciclotronul a fost proiectat cu intenția de a depăși limitele acceleratorului liniar . În acest dispozitiv, particulele încărcate sunt accelerate în linie dreaptă în interiorul unui tub de vid care conține o serie de electrozi cilindrici. La acești electrozi se aplică un potențial electric alternativ, astfel încât potențialul care urmează poziția particulelor să fie întotdeauna atractiv.

În acel moment nu era posibil să se genereze unde radio în același timp la frecvență mare și putere mare, astfel încât treptele de accelerație trebuiau distanțate (pentru a avea timp să schimbe potențialul electrodului înainte de sosirea particulei) sau erau necesare mai multe etape (pentru a compensa puterea limitată). Pentru a obține energii mari a fost necesar să se construiască acceleratoare lungi și peste o anumită limită prea costisitoare. Mai târziu, acceleratoarele liniare ar putea avea mai multă putere, dar ciclotronul este încă mai convenabil.

Chiar și ciclotronul are unele limitări. Cel mai mare accelerator liniar de funcționare este Stanford Linear Accelerator (SLAC), care are 3,2 km lungime și mult mai puternic decât cel mai mare ciclotron. Această performanță ridicată este atinsă și datorită utilizării generatoarelor de înaltă frecvență, klystrons .
Deoarece ciclotronul accelerează particulele pe o cale circulară, traseele lungi pot fi realizate într-un spațiu mic și pot fi alimentate cu un sistem electronic unic și relativ ieftin.

Limite

În ciuda îmbunătățirilor semnificative realizate de-a lungul timpului, structura dispozitivului limitează confortul său economic pentru puteri foarte mari. Principala problemă este că pentru a obține energii mari este necesar să se mărească diametrul tubului, deci al camerei de vid , al magnetului și al intensității câmpului produs de acesta.

Această limită a fost depășită cu invenția sincrociclotronului care rezolvă problemele cauzate de efectele relativiste și de sincrotronul care depășește problema câmpului magnetic limitat și a dimensiunii ciclotronului.

Tehnologii derivate

Mișcarea în spirală a electronilor dintr-o cameră de vid într-un câmp magnetic este, de asemenea, utilizată în magnetron , un dispozitiv utilizat pentru a genera microunde .

În sincrotron particulele sunt făcute să ruleze pe o traiectorie cu rază constantă, făcând posibilă crearea unei mașini sub forma unui tub (mai precis, un toroidal ) de dimensiuni mari, mai practic decât ciclotronul.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 20955 · LCCN (RO) sh85035113 · BNF (FR) cb11950681c (data)
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica