Siklotron

Tarihçe

19. yüzyıl sonlarında X-ışının keşfinden sonra hızlandırıcıların temel ve uygulamalı araştırma alanlarında ve aynı zamanda tıbbi alanlardaki uygulamaları çok artmıştır. Yüksek enerji ve nükleer fizikte temel araştırmalar için hızlandırıcılar kullanılır. Örneğin, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezinde (CERN) birçok hızlandırıcı tipleri kullanılmaktadır. Tıp alanında teşhis ve tedavi amaçlı daha fazla sayıda hızlandırıcı bulunabilir. Kanser teşhis ve tedavisi, nötron veya proton radyoterapisi ve yine teşhis ve tedavide kullanılan radyoizotopların üretimi için de hızlandırıcılar geliştirilmiş ve yaygınlaştırılmıştır. Türkiye'de 8 farklı merkezde farklı boyutlarda ve amaçlarda kullanılan hastane bünyesinde çalıştırılan hızlandırıcılar vardır. Elektronların hızlandırılması sonucu oluşan yüksek enerjili elektron demeti istenilen istikamete kullanılan mıknatıslar yardımıyla yöneltilir. Oluşan sinkrotron radyasyonu diğer klasik yöntemlerle oluşturulan X-ışınlarından farklı özelliklere sahiptir. Bu özellikler, doğa bilimlerini araştırma konusunda neredeyse sınırsız bir araştırma alanı açmış olmakla birlikte tıp alanında da teşhis ve tedavi amaçlı olarak kullanım imkanı vermiştir. Yüksek teknolojiye sahip sinkrotron araştırma merkezlerinde mikro hatta nano mertebelerde malzeme üretimi yapılarak bu tür malzemelerin daha farklı alanlarda ihtiyaç duyulan materyallerin kullanımına izin vermiştir. Örneğin, USA, LA (Los Angeles) da bulunan CAMD araştırma merkezinde bulunan sinkrotron, katı maddelerin, moleküler yapılarını, atomik yapılarını, yüzey ve içyapısı olarak ayrı ayrı inceleme amaçlı kullanılmaktadır. Yine aynı merkezde mikro-teknoloji olarak adlandırılan mikroskobik boyutta malzeme üretimi yapılmaktadır. Tüm bunlara ek olarak bu merkezde X-ışını spektroskopisi ve mikroskopisi yoluyla malzemelerin incelemesi yapılmaktadır. Bu yolla 21. yüzyıla uygun kullanım alanlarına sahip materyallerin üretilmesi ve yapılarının incelenmesi sağlanmaktadır. Bu konuda istekli araştırmacıların bu tür laboratuvarları kullanmalarına imkânlar tanınmış ve araştırıcıların buralardaki çalışmalarını doktora tezi olarak hazırlamalarına imkan tanınmıştır. Bu tür merkezlerin radyoizotop üretim merkezi olarak kullanılması ve yine tıpta teşhis ve tedavi amaçlı kullanılması tamamen ayrı bir makale konusudur. Sinklotron 1920'lerde Almanya'da tasarlanmıştı. 1926 yılında Aachen Üniversitesi'nde, sinklotron oluşturmak için , bir grup öğrenci tarafından önerilen fikir  Rolf Widerøe tarafından çok karmaşık bulunarak reddedildi. 1927 yılında, Max Steenbeck Siemens sinklotron kavramını geliştirdi, ama bir yanlış anlama yayıncılık ve aparatları bina onu engelledi.  İlk sinklotron patent, 1929 yılında Macar fizikçi Leo Szilard ile doluydu Berlin Humboldt Üniversitesinde çalışırkendi. Sinklotron nihayet geliştirilmiş ve patenti alınmıştır  ve ilk olarak  California, Berkeley, University of Ernest Lawrence tarafından 1932  Lawrence aslında Federal Telegraph Company tarafından sağlanan Poulsen ark radyo vericilerinin büyük elektromıknatıslar kullanarak çalışma sinklotron yapmak için gitti.Bir yüksek lisans öğrencisi, M. Stanley Livingston, çalışma donanım içine fikri tercüme işinin çok şey yaptı. Lawrence Rolf Widerøe bir sürüklenme tüpü Linak kavramı ile ilgili bir makale, ayrıca betatron kavramı ile aynı doğrultuda çalışan olmuştu. Berkeley Lawrence California Üniversitesi'nden Radyasyon Laboratuvarı anda dünyanın en güçlü hızlandırıcılar olan sinklotronların bir dizi inşa; 69 cm  (1932) 4.8 MeV makinesi, 8 MeV makinesi (1937)  94 cm ve 152 cm (60) 16 MeV makinesi (1939). O da (184) synchrocyclotron (1945) bir 467 cm geliştirdi.
İlk Avrupa sinklotron Vitaly Khlopin  başkanlığında Radyum Enstitüsü'nün fizik bölümünde Leningrad inşa edildi. Bu Leningrad enstrüman ilk George Gamow ve Lev Mysovskii  tarafından 1932 yılında önerilen ve yüklendiği ve 1937  Nazi Almanyası bir sinklotron Walther Bothe ve gözetiminde Heidelberg inşa edildi tarafından inşa edildi. Wolfgang Heereswaffenamt ve Gentner desteğiyle 1943 yılında yürürlüğe girmiştir.

Çalışma Prensibi

Bir sinklotron bir vakum odası içinde iki içi boş "D" arasındaki şeklindeki metal levha elektrotlar denilen "Dees" uygulanan yüksek frekanslı alternatif gerilim kullanarak yüklü bir parçacık demeti hızlandırır. Dees yüze yerleştirilir ve  dar bir boşluk ile karşı aralarında, partiküller için içlerinde bir silindirik boşluk yaratarak hareket etmektedir. Parçacıkları bu alanı merkezine enjekte edilir. Dees elektrot düzlemine dik olan bir statik manyetik alan B geçerli olduğu büyük elektromıknatıs kutbu arasında bulunmaktadır. Manyetik alan parçacıklar yolu dikey hareket yönlerine bağlı olarak Lorentz kuvveti için bir çevreye eğilmesine neden olur.
Parçacığın hızı sabit olsaydı, manyetik alanın etkisi altında GYE'lerin içindeki dairesel bir yol içinde ilerlemektedir olacaktır. Bununla birlikte birkaç bin voltluk bir radyo frekansı (RF) değişen voltaj GYE'lerin arasına tatbik edilir. Parçacıklar geriliminin tek bir döngü sırasında bir devre oluşturacak şekilde frekansı ayarlanır. Bunu başarmak için, frekans parçacığın sinklotron rezonans frekansı ile uyumlu olmalıdır.
Parçacıkların  her zaman diğer dee elektrot RF voltaj tersine çevrilir kutuplarını geçmektedir. Bu nedenle parçacıklar diğer bir dee elektrottan boşluğu çapraz her zaman, elektrik alan, onları hızlandırmak için doğru yöndedir. Bu itme nedeniyle parçacığın artan bir hızla her bir dönüşüyle bir geniş açılı bir daire içinde hareket etmelerine neden olmaktadır, bu nedenle parçacıkların GYE'lerin ağız merkezden dışarı doğru spiral bir yol içinde hareket. Onlar jant ulaştığınızda parçacıklar aralarında küçük bir boşluktan Dees çıkın ve odanın kenarında bulunan çıkış noktasında bulunan bir hedefi vurmak veya uzak hedefi vurmak için boşaltılmış bir ışın tüp aracılığıyla sinklotron bırakın. Çeşitli malzemeler hedefi için kullanılabilir ve çarpışmalar nedeniyle nükleer reaksiyonlar sinklotron dışında ve analiz araçları haline güdümlü olabilir ikincil parçacıklar oluşturur.
Sinklotron ilk "döngüsel" hızlandırıcı oldu. Böyle Cockcroft-Walton hızlandırıcı ve Van de Graaff jeneratör gibi zaman mevcut "elektrostatik" hızlandırıcılar üzerinde sinklotron tasarımın avantajı, bu makinelerde parçacıklar sadece gerilimi ile bir kez hızlandırılmış, bu yüzden partiküllerin enerji oldu birkaç milyon volt hava arıza ile sınırlı makine üzerinde hızlandırma gerilimine eşittir. Sinklotron olarak, aksine, parçacıklar  ve çıkış enerjisi hızlanma gerilimi pek çok kez olabilir, birçok kez de spiral yolu boyunca bir ivmelendirici gerilim birçok kez karşı karşıya kalır ve böylece hızlandırılmaktadır.

Sabit Aralıklı(İzokron) Sinklotron

Sinklotron birden çok alternatif  yarıçap ile artan bir manyetik alana sahiptir ve  izokron sinklotron vardır. Eşzamanlı sinklotron  çok daha fazla demeti akımı üretebilen fakat güçlü odaklama etkisini sağlamak ve spiral yörünge yakalanan parçacıkların tutmak için alan kuvvetinde azimutal varyasyonları gerektirir. Bu nedenle, bir sabit zaman aralıklı sinklotron aynı zamanda bir "sinklotron AVF (alanla değişen Azimutsal)" olarak adlandırılır
Bu radyal alan derecede enine de odaklama etkisi azimut ve alanı değişir. Mıknatıs yüzlerine sırtlar tarafından telafi edilir. Bu parçacıklar diğer birçok hızlandırıcı türleri olarak değil patlamaları daha radyo frekansı (RF), her dönemde, sürekli olarak hızlandırılmasını sağlar. Alternatif alan gradyanları net odaklama etkisi bu prensip odaklama güçlü denir.  Bu uygulamaya daha önce konulmuştur.  Teorik olarak  uzun zamandır biliniyordu .Birçok örnek vardır bu konu hakkında; aslında hemen hemen tüm modern sinklotron kullanım alanlarını  değiştirebilir. Aşağıda belirtilen TRIUMF sinklotron ışık hızının 3/4 kadar 510 MeV, en protonları ayıklanması, 7.9 metre dış yörünge yarıçapının en büyüğüdür. PSI sinklotron yüksek enerji ulaşır fakat daha yüksek bir manyetik alan kullanılarak daha küçüktür.

Kullanımı

Birkaç on yıl için, sinklotron nükleer fizik deneyleri için yüksek enerjili ışınların en iyi kaynak olduğunu; Birkaç sinklotron araştırma bu tür hala kullanımda bulunmaktadır. Sonuçta atomu ve çeşitli çarpışma ürünlerin oluşturulması arasındaki ortalama boşluk gibi çeşitli özellikleri, hesaplanmasını sağlar. Hedef maddenin müteakip kimyasal ve partikül analizi hedefin kullanılan elemanların nükleer transmutasyonuna içgörü verebilir.
Sinklotron kanseri tedavi etmek için partikül terapisinde kullanılabilir. Bunların yol boyunca, sağlıklı dokuya zarar vererek sinklotron, vücut nüfuz ederek radyasyon hasarı ile tümörleri öldürmek için proton tedavisi gibi, kullanılabilir iyon ışınları. Cyclotron kirişler PET görüntüleme için uygun olan kısa ömürlü pozitron yayan izotoplar üretmek için başka atomlar bombardıman için kullanılabilir. Daha yakın zamanlarda, şu anda parçacık tedavisi için hastanelerde kurulu sinklotronların teknesyum-99m üretmek için bunları sağlamak için sonradan edilmiştir. Teknesyum-99m kısa kaynağı bir tanı izotop nedeni Kanada'nın Chalk River tesisinde zorluklardır.

Avantajları ve Sınırlamalar

Sinklotron nedeniyle hızlanan alanı ile parçacıkların tekrarlanır etkileşimi daha maliyet ve uzay-etkili olan, icat edildiğinde kullanılabilir lineer hızlandırıcılar (elektron ışın demetlerinin) üzerinde bir gelişme oldu. 1920'lerde, o (Klystron tarafından üretilen) Modern Linak kullanılan yüksek güç, yüksek frekanslı radyo dalgaları üretmek mümkün değildi. Bu nedenle, mümkün olamayacak kadar Linak yapıları yüksek enerjili parçacıklar için gerekli idi. Sinklotron kompakt vakıf, radyasyon koruma ve çevreleyen bina yanı sıra diğer maliyetleri azaltır. Sinklotron para ve güç tasarrufu sağlar, tek bir elektrik sürücü var. Ayrıca, sinklotron hedefe partiküllerin sürekli bir akımın üretilmesi mümkün, yani hedef bir parçacık demetinin geçirilen ortalama güç nispeten yüksektir.
Hızlandırılmış parçacıkların yaklaşık Newton'un Hareket Yasaları uyarak yalnızca klystron-tipi (sabit frekans) voltaj kaynakları ile "senkronize" olabilir sinklotron ışınının sarmal yolu. Parçacıklar yeterince hızlı göreli etkilerin önemli bir hale geldiğinde, kiriş titreşen elektrik alan ile faz dışı olur ve herhangi bir ek hızlanma alamazsınız. Klasik sinklotron nedenle ışık hızının birkaç yüzde kadar partikülleri hızlandırmak yeteneğine sahiptir. Manyetik alan uygun herhangi biri azalan maliyet etkinliği ile sınırlıdır, bir atımlı modda çalışan ve synchrocyclotron olarak GYE'lerin uygulanmıştır frekansı değiştirilerek, eşzamanlı sinklotron olarak şekillendirici kutup parçaları ile modifiye edilebilir artmış kütle ile yerleştirilmesi için, büyük makineleri yapmaktadır. Maliyet sınırlamaları makineleri daha büyük yapılmış gibi geliştirilmiş maliyet yapısı içinde daha fazla güç sunan daha karmaşık sinkrotron veya ölçeklenebilirlik avantajı var, her ikisi de, modern, klystron odaklı lineer hızlandırıcılar, kullanılarak aşılmıştır.

Önemli Örnekler

Dünyanın en büyük sinklotron biri Japonya'da RIKEN laboratuvarında yer almaktadır. Süperiletken Halka sinklotron için SRC denilen bu 6 ayrı süper iletken sektörleri vardır ve çapı 19 m ve 8 m yüksekliğindedir. Ağır iyonlar hızlandırmak için inşa edilen maksimum manyetik alan 8 T · m eğilme kabiliyeti veren, 3.8 T. sinklotron toplam ağırlığı 8300 tondur. RIKEN manyetik alan yaklaşık 5 m (200 inç) maksimum ışın yarıçapı ile 3,5 m yarıçaplı m 5.5 ila kapsar. Bu atom kütlesi birimi başına 345 MeV uranyum iyonları hızlandırmıştır.
TRIUMF, nükleer ve parçacık fiziği Kanada'nın ulusal laboratuvar, dünyanın en büyük sinklotron ev sahipliği yapmaktadır. 23 MHz 94 kV elektrik alanı 300 uA hızlandırmak için kullanılır ve  18 m çapındadır, 4000 ton ana mıknatıs 0.46 T bir alan üretir .The TRIUMF alan  813 santimetrekare maksimum ışın yarıçapı ile gider. Onun büyük boyutlu kısmen proton yerine negatif hidrojen iyonlarının bir sonucudur. Bu EM gevşek bağlı elektronların sıyırmasını azaltmak için daha düşük bir manyetik alan gerektirir. Avantajı, ekstraksiyon işlemini daha basit olmasıdır. Çok enerji, çok kirişler uygun yarıçapında folyolar sıyırma ince karbon takarak elde edilebilir. TRIUMF on sekiz Kanadalı üniversitelilerin oluşturduğu grup tarafından çalıştırılan ve British Columbia, Vancouver, Kanada Üniversitelerinde yer almaktadır.

İlgili Teknolojiler

Enine manyetik alan içinde bir silindirik vakum odasında elektronların helezonik de yüksek frekanslı radyo dalgaları (mikrodalga) üretmek için, magnetron bir aygıtı kullanılmaktadır. Sinkrotron, bir boru gibi hazırlandı ve sinklotron ve synchrocyclotron pratiktir daha büyük yarıçaplı şekilde sağlayan, sabit yarıçaplı bir yol boyunca partikülleri taşır. daha büyük bir yarıçap açısal momentum kazandıran her biri çok sayıda mıknatıs, kullanımına izin verir ve bu nedenle daha yüksek hızda (kütle) partikülleri tahliye boru sınırlar içinde tutulmasına izin verir. Parçacıklar bükülme açısı sabit tutmak için enerji kazanmak eğilme her bir mıknatısın manyetik alan şiddeti arttırılmaktadır.

Kurgu

Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı ünlü Süpermen bir sinklotrondan radyasyon bombardımanına olması için Nisan 1945'te çekilecek Superman çizgi roman gazetelerinden istedi. 1950 yılında ise Superman vs Atom Adam, Lex Luthor da sinklotron bir deprem başlattı.