סינכרוציקלוטרון

סינכרוציקלוטרון הוא מאיץ חלקיקים שנועד להאיץ חלקיקים באנרגיות גבוהות. הסינכרוציקלוטרון הומצא על ידי אדווין מקמילן והוא גרסה משופרת לציקלוטרון, מכשיר המאיץ חלקיקים תת-אטומיים לאנרגיות גבוהות. הסינכרוציקלוטרון אומנם אינו פועל עוד במתכונתו המקורית כיום אך המצאתו הובילה לפיתוחים רבים וחשובים בתחום הרפואה ובתחום חקר פיזיקת החלקיקים. ההבדלים המהותיים בין הסינכרוציקלוטרון לקודמיו הוא השימוש בשדה חשמלי משתנה (בעזרת תדירויות רדיו), צורת המאיץ והאנרגיות אליהן הגיעו החלקיקים המואצים. משמע, השיפור העיקרי בסינכרוציקלוטרון הוא האנרגיה הגבוהה אליהם הגיעו החלקיקים, בהשוואה למאיצים הקודמים. ההבדלים העיקריים בין סינכרוציקלוטרון למאיצים שהיו עד המצאתו הוא השימוש בשדה חשמלי משתנה (בעזרת תדירויות רדיו), צורת המאיץ והאנרגיות אליהם הגיעו החלקיקים המואצים. במאיץ זה משתמשים בשדה חשמלי משתנה בעזרת תדירות רדיו RF, זאת על מנת לפצות על אפקט היחסות על פי תורת היחסות של איינשטיין כאשר החלקיק נע במהירות המתקרבת למהירות האור. ישנו הבדל מהותי בין הסינכרוציקלוטרון לבין הציקלטרון הקלאסי; ב-ציקלטרון הקלאסי התדירות הזוויתית של השדה החשמלי מוגדרת על ידי: ω = q B m {\displaystyle \omega ={\frac {qB}{m}}} כש- ω (אומגה) היא מהירות זוויתית של השדה החשמלי q- הוא המטען החשמלי של החלקיק B- השדה המגנטי m- מסת החלקיק קשר זה נכון עבור חלקיק קלאסי ללא אפקטים יחסותיים. (על פי תורת היחסות, כמו התכווצות אורכו וכו'). תהליכים אלו אשר הוזנחו, החלו להיות משמעותיות כשמהירות החלקיק גדלה במאיץ והגיע למהירות מסדר גודל של שליש ממהירות האור, הפיזיקה הקלאסית הופכת לפיזיקה יחסותית. כדי לתקן זאת, משתמשים במסה היחסית של החלקיק ולא במסתו במנוחה. ולכן, מקדם מכפיל את המסה בנוסחה: ω = q B m γ {\displaystyle \omega ={\frac {qB}{m\gamma }}} כש: γ = 1 1 − v 2 c 2 {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\tfrac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} . דבר זה מתרחש כאשר התדירות הזוויתית של השדה גדלה בזמן שהחלקיק מואץ סביב הסינכרוציקלוטרון. כלומר מאיצים שבהם התדירות של המתח המאיץ משתנה כשהחלקיק מואץ הם מאיצי סינכרוציקלוטרון. היתרון המרכזי של הסינכרוציקלוטרון הוא שאין צורך להגביל את כמות הסיבובים שעושה יון לפני שהוא יוצא. על כן ההבדלים הפוטנציאלים הנראים בין ה"די" (שני חצאי גליל הנקראים "די" (בשל צורתם, המזכירה את האות האנגלית D) אשר מהם בנוי הסינכרוציקלוטרון שמוחזקים בהפרש  פוטנציאלים זה מזה, כך שביניהם נמצא אזור בו קיים שדה חשמלי אשר מאיץ חלקיקים טעונים כשהם עוברים דרכו)קטנים באופן משמעותי. להבדל הפוטנציאלי הקטן יותר אשר נדרש בין ה"די" יש מספר שימושים: אין צורך לצמצם את הרווח בין ה"די" כמו במאיץ רגיל מאחר שאין צורך בשדה חשמלי חזק אשר יצור תאוצה. כך יש אפשרות להשתמש אך ורק ב"די" אחד במקום בשניים, החלק השני של המתח החשמלי מחובר לכדור הארץ. ניתן לקרב את המוטות המגנטים כך שצפיפות השטף המגנטי תגדל באופן משמעותי. תדירות מתנד השסתום מסוגלת לפעול ביעילות רבה יותר יתרון נוסף של מאיץ זה הוא שהחלקיקים אינם יוצאים מהפאזה  עם האצת המתח, כך שההגדלה במסה היחסית אינה מטילה מגבלה על האנרגיה. יתר על כן, ההתמקדות המגנטית יכולה להיות חזקה יותר, כך שהשדה המגנטי לא צריך להיות מעוצב בצורה מדויקת כל כך. החיסרון  המרכזי של הסינכרוציקלוטרון הוא שכתוצאה מהווריאציה בתדירות אספקת המתח, רק חלק קטן של היונים העוזבים את המקור נתפשים במסלולים יציבים  של רדיוס ואנרגיה מקסימליים, יחד עם העובדה שלזרם הפלט יש מחזור פעילות קטן והזרם הממוצע הוא רק שבריר קטן של זרם הקרן  המידית. כך מפיק המכשיר יונים באנרגיה גבוהה, אך עם עוצמה יחסית נמוכה. חיסרון נוסף של המכשיר הוא העובדה כי הוא מתחמם בקלות ובנוסף על כך עלות בניות גבוהה מאוד עקב הצורך במתכות מסוימות המשמשות לבנייתו בשנת 1945 רוברט לייסטר תורנטון, במעבדת הקרינה של ארנסט לורנס היה ראש צוות הבנייה של הסיקלוטרון 184 אינץ'. בשנת 1946, פיקח תורנטון על ההמרה של סיקולטרון לתכנון החדש שנעשה על ידי מקמילן - הסינכרוציקלוטרון עם היכולת לייצר 195 MeV דיטרון ו-390 MeV חלקיקי אלפא לאחר המצאתו של הסינכרוציקלוטרון הראשון, משרד המחקר הימי (ONR) במימון שתי יוזמות בנייה השיקו את הסינכרוציקלוטרון 435-Mev ב-1946 והתחילו את תוכנית מחקר הפיזיקה הגרעינית  בהנהגת אדוארד קרוטז במכשיר. בשנת 1947 בהנהגת אנריקו פרמי הושק הסינכרוציקלוטרון 450-Mev. לאחר מכן, בשנת 1948 אוניברסיטת רוצ'סטר השלימו את בניית 240-Mev ולאחר מכן בשנת 1950 השלימה אוניברסיטת קולומביה את בניית הסינכרוציקלוטרון 380-Mev. יתרה מכך, בשנת 1950 החל לפועל במכון לטכנולוגיה "קרנגי" הסינכרוציקלוטרון 435MeV ואחריו ב-1951 הסינכרוציקלוטרון 450MeV של אוניברסיטת שיקגו. באותה שנה בדצמבר 1951, בפגישת אונסק"ו בפריז התקיים דיון בנושא מציאת פתרון למאיץ של אנרגיה בינונית לארגון האירופאי למחקר גרעיני (CERN).   הסינכרוציקלוטרון הוצע כפתרון כדי לגשר על הפער לפני הוצאתו לאור של הסיקלטרון של פרוטונים 28GeV. ב-1952 קורנליוס באקר הוביל את היוזמה לבנות ולעצב את הסינכרוציקלוטרון (SC) הראשון בסרן בעל היקף של 15.7 מטר (52 רגל). עיצובו החל בשנת 1953. הבנייה עצמה החלה ב-1954 כאשר באוגוסט 1957 לבסוף הושג מאיץ הפרוטונים 600 MeV. תוכנית ניסיונית יצאה לפועל ב-1958. הסינכרוציקלוטרון 600Mev הוא המאיץ הראשון של סרן, אשר מספק אלומות אור לניסוים בחלקיקים ולפיזיקת גרעינית. ב-1964 המכונה החלה להתמקד בפיזיקה גרעינית בלבד והשאירה את נושא פיזיקת החלקיקים למאיצי פרוטונים חדשים וחזקים יותר. הסינכרוציקלוטרון הראשון בסרן התברר כמכונה מאריכת ימים, ב-1967 המכונה החלה לספק אלומות אור עבור מתקן רדיואקטיבי-יון-קרן ייעודי הנקרא ISOLDE, אשר עדיין מבצעים בו מחקרים המתפרשים מפיזיקת חלקיקים ועד לפיזיקה רפואית. ב-1990 ISOLDE הועבר לסינכרוטרון מאיץ הפרוטונים והסינכרוציקלוטרון (SC) הראשון בסרן נסגר לאחר 33 שנים של עבודה. כיום לסינכרוציקלוטרון קיימים בעיקר שימושים רפואיים הקשורים להקרנת פרוטונים (סוג של רדיותרפיה). בגלל יכולתו של המכשיר ליצור מערכות קומפקטיות על ידי שימוש בשדה מגנטי בעל מתח גבוה. חברות פיזיקה רפואית כמו Ion Beam Applications ו- Mevion Medical Systems פיתחו סינכרוציקלוטרונים מוליכי-על. מאיץ  מסוג זה שוקל פי עשרה פחות ובעל עלות מתונה ולכן יכול להתאים לבתי החולים בצורה נוחה. בנוסף, כיום במרכז לחקר פיזיקה חלקיקים CERN קיימת תצוגה מרשימה על הסינכרוציקלוטרון הראשון שהיה בשימוש במקום. התצוגה מתארת בעזרת חיזיון אור-קולי את ההיסטוריה של המכשיר, התגליות הפיזיקליות המשמעותיות והסיפור של האנשים שהשתמשו בו לטובת מחקרם הפיזיקלי. בתמונות, מוצג חלק מהתצוגה המרשימה הכוללת הקרנה על הסינכרוציקלוטרון עצמו. מדיה וקבצים בנושא סינכרוציקלוטרון בוויקישיתוף סינכרוציקלוטרון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) סינכרוציקלוטרון - הסבר מתוך האתר הרשמי של סרן סינכרוציקלוטרון - שימושים רפואיים מתוך IBA proton therapy סינכרוציקלוטרון - שימושים רפואיים מתוך MEVION proton therapy Synchrocyclotron (Inventions), what-when-how The Editors of Encyclopaedia Britannica, [The Editors of Encyclopaedia Britannica Synchrocyclotron], Encyclopaedia Britannica The Synchrocyclotron, CERN Constant-Voltage Accelerators, encyclopedia britannica Constant-Voltage Accelerators, encyclopedia britannica H. Blosser. D. Johnson. B. Milton. and J. Riedel National Superconducting Cyclotron Laboratory. Michigan State University. East Lansing. MI 48824. and W.E. Powers. R.L. Maughan, C.G. Orton, D.P. Ragan, G.F. Blosser, R.J. Burleigh, and E.B. Jemison, Harper-Grace Hospitals, Detroit, MI 48201, CYCLOTRONS AND SYNCHROCYCLOTRONS FOR ONCOLOGY THERAPY The Synchrocyclotron, CERN The Synchrocyclotron, CERN Shaping the future of proton therapy, iba-worldwide WHY PROTON THERAPY, mevion Compact superconducting synchrocyclotron systems for proton therapy, sciencedirect