Cyclotron
Lịch sử

Vàocuối năm 1928 và đầu năm 1929, nhà vật lý người Hungary Leó Szilárd đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế ở Đức (sau đó bị bỏ rơi) cho máy gia tốc hạt tuyến tính, cyclotron và betatron. Trong những ứng dụng này, Szilárd trở thành người đầu tiên thảo luận về điều kiện cộng hưởng (cái mà ngày nay được gọi là tần số cyclotron) cho một thiết bị gia tốc tròn. Vài tháng sau, vào đầu mùa hè năm 1929, Ernest Lawrence đã hình thành khái niệm cyclotron một cách độc lập sau khi đọc một bài báo của Rolf Widerøe mô tả một máy gia tốc ống trôi. Ông xuất bản một bài báo trên tạp chí Science năm 1930, và được cấp bằng sáng chế cho thiết bị vào năm 1932.
Để chế tạo thiết bị đầu tiên như vậy, Lawrence đã sử dụng các nam châm điện lớn được tái chế từ các bộ chuyển đổi hồ quang lỗi thời do Công ty Điện báo Liên bang cung cấp. Ông được hỗ trợ bởi một sinh viên tốt nghiệp, M. Stanley Livingston Máy cyclotron hoạt động đầu tiên của họ bắt đầu hoạt động vào tháng 1 năm 1931. Máy này có bán kính 4,5 inch (11 cm) và gia tốc các proton tới năng lượng lên tới 80 keV.
Tại Phòng thí nghiệm Bức xạ trong khuôn viên của Đại học California, Berkeley (nay là Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley), Lawrence và các cộng tác viên của ông đã tiếp tục chế tạo một loạt cyclotron là những máy gia tốc mạnh nhất trên thế giới vào thời điểm đó; máy 27 in (69 cm) 4,8 MeV (1932), máy 37 in (94 cm) 8 MeV (1937) và máy 60 in (152 cm) 16 MeV (1939). Lawrence nhận giải Nobel Vật lý năm 1939 cho việc phát minh và phát triển cyclotron cũng như các kết quả đạt được với nó.
Máy cyclotron châu Âu đầu tiên được chế tạo ở Liên Xô tại khoa vật lý của Viện Radium VG Khlopin ở Leningrad, do Vitaly Khlopin Vitaly Khlopin [ru] đứng đầu. Máy móc Leningrad này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1932 bởi George Gamow và Lev Mysovskii Lev Mysovskii [ru] và được lắp đặt và đi vào hoạt động vào năm 1937.
Hai cyclotron được chế tạo ở Đức Quốc xã. Cái đầu tiên được chế tạo vào năm 1937, trong phòng thí nghiệm của Otto Hahn tại Viện Kaiser Wilhelm ở Berlin, và cũng được Rudolf Fleischmann sử dụng. Đây là máy cyclotron đầu tiên có hệ số nhân Greinacher để tăng điện áp lên 2,8 MV và dòng điện 3 mA. Một cyclotron thứ hai được chế tạo ở Heidelberg dưới sự giám sát của Walther Bothe và Wolfgang Gentner, với sự hỗ trợ từ Heereswaffenamt, và bắt đầu hoạt động vào năm 1943.
Vào cuối những năm 1930, rõ ràng là có một giới hạn thực tế đối với năng lượng chùm tia có thể đạt được với thiết kế cyclotron truyền thống, do ảnh hưởng của thuyết tương đối đặc biệt. Khi các hạt đạt tốc độ tương đối tính, khối lượng hiệu dụng của chúng tăng lên, điều này làm cho tần số cộng hưởng của một từ trường nhất định thay đổi. Để giải quyết vấn đề này và đạt được năng lượng chùm tia cao hơn bằng cách sử dụng cyclotron, hai phương pháp chính đã được thực hiện, synchrocyclotron (giữ từ trường không đổi, nhưng giảm tần số gia tốc) và cyclotron đẳng thời (giữ tần số gia tốc không đổi, nhưng thay đổi từ trường).
Nhóm của Lawrence đã chế tạo một trong những synchrocyclotron đầu tiên vào năm 1946. Chiếc máy 184 in (4,7 m) này cuối cùng đã đạt được năng lượng chùm tối đa là 350 MeV đối với proton. Tuy nhiên, synchrocyclotron chịu cường độ chùm tia thấp (< 1 µA) và phải được vận hành ở chế độ "xung", làm giảm thêm tổng chùm tia khả dụng. Do đó, chúng nhanh chóng bị các cyclotron đẳng thời vượt mặt về mức độ phổ biến.
Cyclotron đẳng thời đầu tiên (không phải là các nguyên mẫu được phân loại) được chế tạo bởi F. Heyn và KT Khoe ở Delft, Hà Lan, vào năm 1956. Các cyclotron đẳng thời ban đầu bị giới hạn ở năng lượng ~50 MeV mỗi nucleon, nhưng khi chế tạo và thiết kế kỹ thuật dần dần được cải thiện, việc chế tạo các cyclotron "khu vực xoắn ốc" cho phép tăng tốc và điều khiển các chùm tia mạnh hơn. Những phát triển sau này bao gồm việc sử dụng các nam châm siêu dẫn mạnh hơn và tách các nam châm thành các khu vực riêng biệt, trái ngược với một nam châm lớn duy nhất.