Κύκλοτρο

Κύκλοτρο ονομάζεται η συσκευή επιτάχυνσης φορτισμένων σωματιδίων, δηλαδή είναι επιταχυντής. Σημαντική καινοτομία του κυκλότρου σε σχέση με προηγούμενους επιταχυντές ήταν ότι επιτάχυνε σωματίδια χωρίς τη χρήση υψηλών τάσεων.

Αρχή λειτουργίας

Η συγκράτηση των σωματιδίων γίνεται μέσα σε κενό με ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετο στην τροχιά τους. Αν τα φορτία κινούνταν μόνο υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου, τότε αυτά θα εκτελούσαν κυκλική κίνηση. Η επιτάχυνση γίνεται από ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο εναλλάσσεται, ώστε αυτά να επιταχυνθούν. Το μαγνητικό πεδίο προσαρμόζεται κάθε φορά, ώστε η συχνότητα περιστροφής των σωματιδίων να συμπίπτει με τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Έτσι, η επιτάχυνση δεν είναι συνεχής αλλά περιοδική. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η επιτάχυνση των σωματιδίων σε μία περίπου σπειροειδή τροχιά. Μόλις τα σωματίδια αποκτήσουν την επιθυμητή ταχύτητα, αυτά θα βγουν έξω από το κύκλοτρο.

Οι ταχύτητες που αναπτύσσονται από ένα τυπικό κύκλοτρο είναι πολύ μεγάλες, αλλά μπορούν να θεωρηθούν με καλή προσέγγιση αρκετά μικρές σε σχέση με το φως, ώστε να χρησιμοποιηθούν οι νόμοι της κλασσικής μηχανικής. Από αυτό επιπλέον συνεπάγεται ότι η συχνότητα περιστροφής δεν εξαρτάται από την ενέργεια των σωματιδίων. Αν η ταχύτητα όμως γίνει πολύ μεγαλύτερη, τότε η συχνότητα περιστροφής είναι μικρότερη από αυτήν που προβλέπει η κλασσική μηχανική.

Ιστορία
Εφευρέτης του κύκλοτρου είναι ο Λόρενς. Υλοποίησε την ιδέα του στο LeConte Hall του Berkeley μαζί με το Λίβινγκστρον και ανακοίνωνε ανά τακτά διαστήματα την πρόοδό του. Ο πρώτος επιταχυντής ήταν ένα κύκλοτρο πρωτονίων ενέργειας 1ΜeV, ο οποίος χρησιμοποιούσε μαγνήτη 11 ιντσών.

Το κύκλοτρο μαζί με το σύγχοτρο είναι οι πρόδρομοι του σύγχρονου επιταχυντή. Αρχικά το κύκλοτρο χρησιμοποιούταν για την επιτάχυνση ελαφρών σωματιδίων. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας πλέον υπάρχει δυνατότητα της επιτάχυνσης αδρονίων από σύγχρονους επιταχυντές. Υπάρχουν περίπου έξι τέτοια μηχανήματα ανά τον κόσμο, ενώ ο πιο ισχυρός είναι προς το παρόν ο CERN.

Διαφορές με γραμμικούς επιταχυντές

Μέχρι την ανακάλυψη του κυκλότρου η επιτάχυνση των σωματιδίων γινόταν με γραμμικούς επιταχυντές, όπως είναι καθοδικοί σωλήνες. Το κύκλοτρο παρουσίαζε τα εξής πλεονεκτήματα:
Διαστάσεις: Λόγω της συγκράτησης των σωματιδίων, το κύκλοτρο μπορούσε να συγκρατήσει τα σωματίδια σε έναν συγκεκριμένο χώρο, ενώ οι γραμμικοί επιταχυντές απαιτούσαν ένα μήκος. Για αντιστάθμισμα στους γραμμικούς επιταχυντές χρησιμοποιούνταν υψηλές τάσεις.
Μικρές τάσεις: Ίσως είναι η σημαντικότερη διαφορά, αφού το κύκλοτρο είχε το ίδιο αποτέλεσμα με τουλάχιστον 300 φορές λιγότερη τάση.
Μικρότερες απώλειες φορτισμένων σωματιδίων, γιατί το κύκλοτρο τα συγκρατούσε με μαγνητικό πεδίο.
Ακρίβεια στην εξερχόμενη δέσμη: Η ακρίβεια της ακτίνας σωματιδίων του κυκλότρου ήταν μικρότερη του ενός χιλιοστού, ιδανική για πειράματα.

Το κύκλοτρο, λοιπόν, αύξησε θεαματικά την απόδοση των επιταχυντών στην εποχή του.

Αναφορές

Επιταχυντές
Πυρηνική ιατρική