Cyklotron – definition, användning och hur den fungerar
Upptäck vad en cyklotron är, hur den fungerar och dess användningsområden — från historik till modern forskning och medicin.
En cyklotron är en typ av partikelaccelerator som uppfanns av Ernest Lawrence vid University of California, Berkeley 1930. Den används för att accelerera laddade partiklar genom att tvinga dem att röra sig i spiralbanor, så att de korsar ett accelererande elektriskt fält många gånger och successivt får högre energi. De första cyklotronerna var små nog att rymmas på ett skrivbord; moderna anläggningar kan vara meter- eller till och med tiotals meterstora beroende på ändamål.
Hur den fungerar — grundprincipen
En cyklotron kombinerar ett starkt, nästan homogen magnetfält med ett växelrikt elektriskt fält. Magnetfältet är riktat vinkelrätt mot partiklarnas plan och böjer deras rörelser i cirkulära eller halvcirkelformade banor. Det elektriska fältet finns i språnget mellan två halvcirkelformade elektroder, ofta kallade D-elektroder eller dees. Partikeln snurrar i en dee, passerar gapet där den träffas av en spänningspuls som ökar dess hastighet, och fortsätter sedan i en större cirkel till nästa passage över gapet.
En viktig egenskap är att frekvensen för pulserna kan väljas så att fältets växling matchar partiklarnas omloppsfrekvens. För icke-relativistiska partiklar ges cyklotronfrekvensen av f = qB / (2πm), där q är partikelns laddning, B magnetfältets styrka och m partikelns massa. När partiklarna blir snabba nog att relativistiska effekter ökar (massa effektivt ökar) förändras frekvensen, vilket begränsar den enkla cyklotronens övre energi.
Komponenter och drift
- Bana och dees: De halvmånformade elektroderna (dees) ligger inne i ett vakuumkammare och bildar det område där partiklarna roterar.
- Magnet: En stor elektromagnet skapar det nödvändiga fältet som böjer partiklarnas bana.
- Högfrekvent generator: Ger växelspänningen över gapet mellan dees så att partiklarna accelereras vid varje passage.
- Injektionssystem: För in partiklar i cyklotronens mitt — kan vara ett spritesystem eller en extern källa.
- Extraktionssystem: När banradien blir tillräckligt stor extraheras partiklarna, ofta med en elektrostatisk deflektor eller med en stripperfolie som omvandlar negativa joner till neutrala/positiva och därmed ändrar banan.
Varianter
- Klassiskt cyklotron: Enkel drift för icke-relativistiska partiklar och lägre energier.
- Synkrocyklotron: Justerar frekvensen för att kompensera för relativistisk massökning och når högre energier.
- Isochronous (synkroton-känslig) cyklotron: Håller omloppsperioden konstant genom att variera magnetfältet med radien (fokuserade sektormagneter) och används ofta i modern medicinsk produktion.
- AVF-cyklotron (azimuthally varying field): Har sektorformade magneter för stark skilda fokuseringsegenskaper och högre ström/energi.
Användningsområden
- Medicinsk radioisotopframställning: Många cyklotroner producerar isotoper för diagnostik (t.ex. 18F för PET) och behandling.
- Strålterapi/protonterapi: Högenergetiska protoner används för cancerbehandling med god doskonformitet.
- Grundforskning: Nukleär- och partikel- fysik använder cyklotroner för att studera kärnreaktioner och materialegenskaper.
- Materialanalys och industri: Implantaion, jonstråleanalys och bestrålning för materialmodifiering.
Begränsningar och säkerhet
En begränsning för den enkla cyklotronen är relativistiska effekter: när partiklar som till exempel elektroner når höga hastigheter ökar deras relativistiska massa snabbt och frekvensvillkoret bryts. Därför används oftast tyngre jonarter (protoner, deuteroner, tunga joner) i vanliga cyklotroner. För höga energier används istället synkrocyklotroner, synkrotroner eller linjära acceleratorer.
Säkerhet och strålskydd är centralt: högenergetiska partiklar aktiverar material i och runt anläggningen, så omfattande skärmning, kontrollerad åtkomst och rutiner för hantering av aktiverade komponenter krävs.
Sammanfattning
Cyklotronen är en effektiv och relativt kompakt teknik för att accelerera partiklar till medelhöga energier med tillämpningar inom medicin, industri och forskning. Genom att kombinera ett starkt magnetfält och växlande elektriska fält låter den samma partikel passera ett accelererande gap många gånger och därigenom uppnå betydande energier innan extraktion.
En modern cyklotron för strålbehandling
Cyklotronfrekvens
En laddning i rörelse i en cyklotron kommer att röra sig i en cirkulär bana under påverkan av ett konstant magnetfält. Om tiden för att fullfölja en omloppsbana beräknas:
T = π 2r v = π 2m v q B v = π 2m q B {\displaystyle T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}}
.
Man finner att perioden är oberoende av radien. Om en fyrkantsvåg appliceras med en vinkelfrekvens qB/m kommer laddningen därför att spiralformas utåt och öka i hastighet.
När en fyrkantsvåg med vinkelfrekvensen ω=qB/m appliceras mellan de magnetiska polerna på båda sidor, kommer laddningen att öka igen vid precis rätt tidpunkt för att accelerera den över klyftan. Den konstanta cyklotronfrekvensen kan alltså fortsätta att accelerera laddningen (så länge den inte är relativistisk).
Frågor och svar
F: Vad är en cyklotron?
S: En cyklotron är en typ av partikelaccelerator som accelererar laddade partiklar genom att virvla dem i en cirkel.
F: Vem uppfann cyklotronen?
Svar: Ernest Lawrence från University of California, Berkeley, uppfann cyklotronen 1930.
F: Hur fungerar en cyklotron?
S: Cyklotroner använder ett vinkelrätt magnetfält för att böja elektroner och partiklar i en halvcirkelform med hjälp av ett elektriskt fält. Det elektriska fältet accelererar elektroner mellan D-elektroderna (även kallade "dees") i magnetfältet. Det accelererande elektriska fältet vänder om precis när elektronerna avslutar sin halvcirkel, så att det accelererar dem över gapet. Med högre hastighet rör de sig i en större halvcirkel. Efter att ha upprepat denna process flera gånger kommer de ut ur utloppsporten med hög hastighet.
F: Vad är storleken på tidiga cyklotroner?
S: De tidiga cyklotronerna var lika stora som en hand.
F: Hur stora är moderna cirkulära acceleratorer?
S: Vissa moderna cirkulära acceleratorer använder en cirkel som är lika bred som en stad.
F: Vilken typ av fält används i cyklotroner?
S: Cyklotroner använder ett vinkelrätt magnetfält för att böja elektroner och partiklar i en halvcirkelform med hjälp av ett elektriskt fält.
F: Hur accelereras elektroner i en cyklotron?
S: Elektroner accelereras mellan D-elektroderna (även kallade "dees") i magnetfältsområdet genom ett elektriskt fält.
Sök