ציקלוטרון

ציקלוטרון (Cyclotron) הוא סוג של מאיץ חלקיקים בו נעשה שימוש בשדה מגנטי על מנת לגרום לחלקיקים לנוע במסלולים מעגליים ולחזור כל פעם לאזור קטן בו הם מואצים על ידי שדה חשמלי.
הציקלוטרון הומצא בתחילת שנות ה-30 של המאה העשרים על ידי המדען האמריקני ארנסט לורנס, שקיבל על המצאתו זו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1939. מאז המצאתו ועד אמצע שנות ה-40 שלט הציקלוטרון בתחום המאיצים לאנרגיות גבוהות. 
גם כיום, כשקיימים מאיצים חזקים בהרבה, עדיין נעשה שימוש בציקלוטרונים לצרכים מחקריים ומעשיים מסוימים, בין היתר באבחון וטיפול במחלת הסרטן.

עקרון פעולת הציקלוטרון

הציקלוטרון בנוי משני חצאי גליל הנקראים "די" (בשל צורתם, המזכירה את האות האנגלית D) שמוחזקים בהפרש פוטנציאלים זה מזה, כך שביניהם נמצא אזור בו קיים שדה חשמלי אשר מאיץ חלקיקים טעונים כשהם עוברים דרכו. בכל הציקלוטרון, כולל בחצאי הגליל, שורר שדה מגנטי אשר גורם לתנועה מעגלית של החלקיקים הטעונים, וכך הוא מחזיר אותם שוב ושוב לאזור ההאצה. מפני שתדירות הסיבוב של חלקיק טעון בשדה מגנטי אינה משתנה עם מהירותו, ניתן להשתמש בשדה חשמלי שמתנודד באותה תדירות, כך שבכל פעם שהחלקיק יוצא מאחד מחצאי הגלילים, השדה החשמלי יהיה בכיוון שמאיץ אותו בדרכו לחצי-הגליל השני.

פיתוח הציקלוטרון והשימוש בו

עידן הפיזיקה הגרעינית החל ב-1919, כאשר ארנסט רתרפורד הפציץ אטומי חנקן בחלקיקי אלפא שנוצרו בהתפרקות רדיואקטיבית טבעית, וכתוצאה מכך חלק מאטומי החנקן הפכו לאטומי חמצן. אולם, במהלך שנות ה-20 לא חלה התפתחות בתחום, משום שהאנרגיה של חלקיקי האלפא הייתה מוגבלת, ומקרים אחרים לא הספיקה בשביל להתגבר על כוחות הדחיה החשמלית בין החלקיק לבין גרעיני המטרה. לכן במקום להשתמש באנרגיה שחלקיקי האלפא מקבלים בהתפרקות הגרעינית הטבעית, קרא רתרפורד ב-1927 לאמץ גישה אחרת: הוא הציע להאיץ חלקיקים באופן מלאכותי כך שהאנרגיה שלהם תגיע לערכים של מאות אלפי ואפילו מיליוני אלקטרון וולט. 
האצה על ידי הפרש מתחים יחיד לא הספיקה, שכן באותה תקופה לא ניתן היה ליצור את הפרש המתחים הדרוש לשם כך, והמדענים החלו לנסות להאיץ חלקיקים בסדרה של צעדים. רוב הניסיונות כללו האצה בקו ישר. ב-1929 עלה בדעתו של ארנסט לורנס להשתמש בשדה מגנטי על מנת לעקל את מסלול החלקיקים המואצים, וכך להשתמש שוב ושוב באותו הפרש מתחים, ללא צורך במכשיר גדול. לורנס, והסטודנטים שלו ובראשם סטנלי ליווינגסטון, החלו ב-1930 בבניית המודל הראשון של הציקלוטרון, בקוטר של 4.5 אינץ'. המודל הופעל לראשונה בהצלחה ב-2 בינואר 1931. בעזרת הפרש מתחים של 1800 וולט, הם האיצו חלקיקים טעונים לאנרגיה קינטית של 80,000 אלקטרון וולט. ב-1932 לורנס ביקש להוציא פטנט על המצאתו, ובקשתו התקבלה אחרי שנתיים.
ב-1932 בנה לורנס ציקלוטרון בקוטר 27 אינץ' שהאיץ בתחילה חלקיקים לאנרגיות של עד 3MeV, ובשנים הבאות הגיע עד לאנרגיות של 6MeV. באותה תקופה נבנו, בעזרתו של לורנס, ציקלוטרונים במוסדות אקדמיים נוספים בארצות הברית ובאירופה. ב-1937 בנה לורנס ציקלוטרון בקוטר 37 אינץ', איתו הגיע להאצת חלקיקים עד אנרגיה של 8MeV, וב-1939 בנה ציקלוטרון בקוטר 60 אינץ' שהאיץ חלקיקים עד אנרגיות של 16MeV. בגלל המגבלה שמתעוררת בשל אפקטים יחסותיים לא ניתן היה להגיע בציקלוטרון לאנרגיות גבוהות מכך, והחל מאמצע שנות ה-40 החל שימוש בסוגים מתקדמים יותר של מאיצי חלקיקים, שסימלו את המעבר מפיזיקה גרעינית לפיזיקת חלקיקים. 
השימוש העיקרי של הציקלוטרונים היה ייצור איזוטופים רדיואקטיביים מגרעינים יציבים, על ידי הפצצתם בחלקיקים כמו פרוטונים וגרעיני דאוטריום בעלי אנרגיה מספיק גדולה כך שהם יוכלו להתגבר על כוח הדחיה בינם לבין הגרעינים במטרה, וליצור ראקציה גרעינית, כלומר להתמזג איתם (עם או בלי פליטה של חלקיקים אחרים) ובכך ליצור גרעינים מסוג חדש. לעצם התהליך הייתה חשיבות רבה בחקר מבנה הגרעין, והאינטראקציות השולטות בו. גם לתוצרים הייתה חשיבות רבה. בדרך זו יוצרו בהתחלה איזוטופים רדיואקטיביים של אטומים ידועים, והחל השימוש בהם לצרכים שונים, בהם צרכים רפואיים. לאחר מכן התגלו בדרך זו יסודות חדשים. הראשון בהם היה הטכנציום, ואחר כך גם יסודות טרנס אורניים, ובראשם הפלוטוניום. 
גם היום, למרות שהציקלוטרונים אינם בחזית המחקר המדעי, משתמשים בהם הן לצורך הפקת איזוטופים רדיואקטיביים (כולל לצרכים רפואיים), והן לצרכים שונים של מחקר יישומי. יש שימוש בציקלוטרון גם בטיפולים בסרטן, הן על ידי הקרנת גידולים באלומת פרוטונים שמואצים במכשיר, והן על ידי הקרנה באלומת נייטרונים שנוצרת מפגיעה של פרוטונים או גרעיני דאוטוריום שהואצו בציקלוטרון במטרות בריליום.

ציקלוטרונים בישראל

בישראל קיימים כיום מספר ציקלוטרונים. שניים מהם בבי"ח הדסה עין כרם. המכשירים משמשים הן לצורכי יצור שוטפים והן לצורכי מחקר באוניברסיטה העברית. מכשיר שלישי נמצא במרכז למחקר גרעיני בנחל שורק ומשמש לצורכי יצור שוטפים. מכשיר רביעי נמצא בחברת איזוטופיה מולקולר אימג'ינג, המייצרת חומרים גרעיניים לשימושים רפואיים. הציקלוטרון בשורק קטן יותר ולכן יכול להגיע לשטפי קרינה נמוכים יותר. עיקר הייצור בשני המרכזים הוא של איזוטופ פלואור-18 המיועד לשימוש בבתי חולים לאבחון מחלת הסרטן בעזרת טומוגרפית PET. במרכז בהדסה יש גם יצור שוטף של איזוטופים נוספים המיועדים לסימון של מולקולות כגון אצטט וכולין.