Cyklotron
Cyklotron to pierwszy akcelerator cykliczny, który przyspiesza naładowane cząstki poruszające się po torach zbliżonych do kołowych. Został zbudowany w 1931 roku pod kierownictwem Ernesta Lawrence’a na Uniwersytecie Kalifornijskim i był używany do eksperymentów w fizyce cząstek.
Zastosowanie cyklotronów
Obecnie cyklotrony mają szerokie zastosowanie, w tym:
- Produkcja wiązek cząstek wysokiej energii do badań i terapii nowotworowej.
- Generacja promieniowania rentgenowskiego.
- Produkcja izotopów do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET).
- Selekcja cząstek w spektrometrach masy.
Historia w Polsce
Pierwszy polski cyklotron C-48 uruchomiono w 1956 roku w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN. Kolejne modele, w tym U-120, zostały zakupione z ZSRR i zainstalowane w latach 50. i 70. XX wieku. Obecnie cyklotrony działają w kilku miastach, w tym w Krakowie, Warszawie i Gliwicach.
Zasada działania
Cyklotron składa się z elektromagnesu, komory próżniowej oraz duantów (półkolistych elektrod). Wytwarzane jest zmienne pole elektryczne, które przyspiesza cząstki w obszarze między duantami. Cząstki są przyspieszane podczas kolejnych przelotów, co prowadzi do ich większej energii i promienia toru. Gdy promień jest wystarczający, cząstka może opuścić akcelerator.
Częstotliwość cyklotronowa
Częstotliwość cyklotronowa jest związana z masą i ładunkiem cząstki oraz indukcją pola magnetycznego. Przy stałym polu magnetycznym, częstotliwość nie zależy od prędkości cząstek, co pozwala na selektywne przyspieszanie jednego rodzaju cząstek.
Efekty relatywistyczne
Przyspieszanie cząstek do prędkości bliskich prędkości światła prowadzi do relatywistycznego wzrostu ich masy. Aby to zredukować, zmienia się częstotliwość prądu zasilającego. Cyklotrony, które dostosowują częstotliwość w miarę przyspieszania cząstek, nazywane są synchrocyklotronami. Alternatywą są synchrotrony, które zwiększają pole magnetyczne.
Promieniowanie cyklotronowe
Naładowane cząstki poruszające się w polu magnetycznym emitują promieniowanie cyklotronowe, którego moc rośnie wraz z kwadratem prędkości cząstek. To zjawisko prowadzi do utraty energii przez cząstki, co jest kluczowym elementem w analizie i zastosowaniach cyklotronów.
