Den cyklotron er en type partikelaccelerator opfundet af Ernest Orlando Lawrence og Milton Stanley Livingston af University of California, Berkeley i begyndelsen af 1930'erne .
I en cyklotron følger partiklerne, der er anbragt i et konstant magnetfelt, en spiralformet bane, der består af på hinanden følgende halvcirkler med stigende radius med hver puls ved et alternerende elektrisk felt med konstant frekvens. I en synkrotron følger partiklerne en cirkulær bane med radius, der holdes konstant af et magnetfelt, der øges med partiklenes energi. Frekvensen af det accelererende elektriske felt øges.
I en cyklotron accelereres partiklerne til energier på nogle få MeV til 70 MeV. De andre typer cirkulær accelerator ifølge nyere opfindelse gør det muligt at nå højere energier: synkrocyclotron (hundredvis af MeV) og synchrotron (millioner MeV eller TeV).
Næsten 1.500 cyclotroner anvendes i nuklearmedicin rundt om i verden til produktion af radionuklider .
En cyklotron er en enhed, der består af tre hovedelementer:
Til denne enhed skal vi tilføje:
Driften af en cyklotron er vist i animation i referencen.
Cyklotroner blev designet til at fremskynde partikler ved ikke- relativistiske hastigheder , dvs. meget lavere end lysets hastighed . Under disse betingelser udsættes partiklerne af masse , ladning og hastighed , der cirkulerer på en cirkulær bane med radius , for to antagonistiske kræfter, centrifugalkraften .
og den centripetale kraft skabt af Lorentz-kraften i magnetfeltet .
Ifølge den grundlæggende princip om dynamik , = derfor:
Det følger af denne ligning, at:
Når partiklernes hastighed nærmer sig lysets hastighed, skal cyklotronfrekvensen og pulsationen omskrives:
og ,eller
er cyklotronfrekvensen under klassiske ikke-relativistiske forhold, er pulsering under ikke-relativistiske forhold, er den relative hastighed, og er Lorentz-faktoren .Den rotationsradius for en partikel bevæger sig i et statisk magnetfelt er givet ved
,Afslutningsvis, under relativistiske forhold , falder cyclotronfrekvensen, og radius af banen stiger. Isokronismen er tabt. Der vises et skift mellem og som fører til tab af strålen. For at genoprette det, må vi enten tilpasse til eller øge det magnetiske felt til at sætte partiklerne tilbage på rette vej og genvinde synkronisering mellem og .
I synkrocyclotronen bliver frekvensen af det elektriske felt variabel med tiden for at forblive lig med hvilket falder, når den lineære hastighed nærmer sig lysets hastighed.
Derfor fungerer synkrocyclotronen i sekvenser. For eksempel leverer Orsay SC200 synchrocyclotron protonpakker, der varer 20 mikrosekunder hver 2,2 millisekunder.
Alternativt er det nødvendigt at øge intensiteten af magnetfeltet med for at opretholde isokronisme . Men at opretholde bjælkens lodrette stabilitet kræver tværtimod, at feltet falder med den . I 1938 foreslog Llewellyn Thomas at løse dette dilemma ved at indføre rumlige variationer af magnetfeltet, samtidig med at frekvensen af det elektriske felt med konstant acceleration opretholdes og fikseres på cyclotronfrekvensen under ikke-relativistiske forhold. Ændringerne af magnetfeltet introduceret af Thomas er af to typer:
Det skal bemærkes, at disse ændringer af magnetfeltet er rent rumlige og ikke afhænger af tid. Felt B forbliver statisk. Cyklotronfrekvensen holdes konstant. Dette gør det muligt for partiklerne at blive accelereret kontinuerligt med hver periode af det elektriske felt radiofrekvens, snarere end i klaser som i synkrocyclotronen og i de fleste andre acceleratorer. Princippet om variation af magnetfeltet med bakker og dale skiftevis efter sektor har en stærk fokuseringseffekt. AVF-cyklotroner giver meget mere intense strålestrømme end synkrocyclotroner. Derfor bruger alle moderne cyclotroner azimutale feltvariationer, selv cyclotroner, hvis partikelenergi forbliver i det ikke-relativistiske domæne.
Den Arronax cyklotron , installeret ved universitetet i Nantes i 2007-2008 og idriftsat i 2010, er en isokron cyklotron er bestemt til forskning og produktion af radioaktive isotoper til medicin. ARRONAX blev designet til at producere protoner og alfapartikler på 70 MeV. Den er sammensat af en elektromagnet, der er beregnet og produceret til at producere et statisk magnetfelt til protonerne og fire polsektorer, der sikrer banernes tværgående stabilitet. Derudover er disse sektorer også udstyret med spoler, som radialt korrigerer hovedmagnetfeltet for at være i stand til at skifte fra acceleration af protoner til alfapartikler, mens isochronisme opretholdes.
En cyklotron er en accelerator af partikler af minimal størrelse: i størrelsesordenen 6 m 3 . Det tillader produktion af radioaktive isotoper og især ilt 15 ( 15 O), kulstof 11 ( 11 C), nitrogen 13 ( 13 N) og fluor 18 ( 18 F), der især anvendes i medicin. Isotoper opnås ved at bestråle et mål med protoner, der accelereres af cyclotronen.
Fluor-18 (isotop med kort halveringstid: 109 minutter) gør det muligt at fremstille fluorodeoxyglucose (FDG), et radioaktivt sukker, der ikke kan bruges af cellen, som fortrinsvis vil akkumulere i kræftområder, som bruger meget glukose. En positronemissionstomografi (PET) gør det muligt at opdage visse kræftformer på en særlig fin måde og derefter behandle dem i meget tidlige stadier.
Princippet om acceleration af ioner ved gentagne elektriske impulser (lineær resonansacceleration) blev foreslået af Gustav Ising, en svensk forsker, i 1928. Princippet blev implementeret af Rolf Widerøe , en norsk forsker, der forberedte sin afhandling ved University of Aix- la-Chapelle i 1927. Hans afhandling blev offentliggjort i 1928. Widerøe udviklede ikke den cirkulære accelerator, hvis idé imidlertid blev foreslået af en af hans kammerater. Samtidig udviklede Max Steenbeck konceptet med en cyklotron på Siemens på samme tid, men havde ikke midlerne til at offentliggøre sin opdagelse eller til at bygge enheden. Det første cyclotron-patent blev indgivet af den ungarske fysiker Leo Szilard i 1929, mens han arbejdede på Humboldt-universitetet i Berlin .
I Frankrig fik Jean Thibaud , dengang en ung forsker i Maurice de Broglie's laboratorium , at vide om Widerøes speciale i 1929. Han producerede igen en lineær accelerator, der fungerede. Men han bemærker, at det for at opnå betydelige accelerationer ville være nødvendigt at være i stand til at bygge et apparat, der overskrider laboratoriets grænser. Derefter designede og byggede han i november 1930 en cirkulær accelerator. Han holdt en præsentation om dette emne på den internationale elektricitetskongres, der blev afholdt i Paris i 1932. Efter opførelsen af et par prototyper opgav Jean Thibaud denne forskningslinje. Han offentliggjorde nogle fotos af sine cyklotroner i sin bog Power of the Atom . Han søgte aldrig at hævde sine rettigheder til denne opdagelse.
Ernest Orlando Lawrence , professor ved University of California i Berkeley , læser Widerøes artikel om den lineære accelerator og forestiller sig, at det samme princip kan anvendes på en cirkulær accelerator. Han overlod realiseringen til en studerende, Mr. Stanley Livingston, der byggede den første cyklotron bestilt i 1932. På strålelaboratoriet i Berkeley byggede Lawrence derefter en række stadig mere kraftfulde cyklotroner: en 69 cm til 4, 8 MeV i 1932, en 94 cm , 8 MeV i 1937, en 152 cm , 19 MeV i 1939 og en 465 cm synkrocyclotron i 1945. Han modtog Nobelprisen for fysik i 1939.
Den første europæiske cyklotron er bygget på fysikafdelingen ved Radium Institute i Leningrad , ledet af Vitali Khlopin. Dette instrument, der først blev foreslået af George Gamow og Lev Misowski, blev produceret af Igor Kourtchatov og bestilt i 1937. I Tyskland blev der bygget en cyklotron i Heidelberg under ledelse af Walther Bothe og Wolfgang Gentner og blev operationel i 1943.
I Frankrig ville Frédéric Joliot have en cyklotron, da han blev udnævnt til professor ved Collège de France i 1937. Han opfordrede Lawrence, der sendte ham planer. Cyklotronen blev bygget i Zürich og installeret i kælderen i en ny College de France-bygning i 1939. Udviklingen af maskinen blev først suspenderet, da tyskerne besatte Paris. Den tyske officer med ansvar for overvågning af installationerne viser sig at være en fysiker, en kollega til Frédéric Joliot. Han hjælper med at få de sidste prikker og tage maskinen i brug. Cyklotronen producerer protoner på 7 MeV . Det fungerede på Collège de France indtil 1958, derefter på Orsay indtil 1966. Det blev derefter demonteret. Magneten genbruges. Accelerationskammeret, der indeholder terningerne, doneres til Museum of Arts and Crafts.
For at lykkes med den første cyklotron bestiller Irène Joliot-Curie en Philips 160 MeV- synkrocyclotron, der er installeret på Institut de Physique Nucléaire i Orsay . Denne enhed fungerede mellem 1958 og 1975.
Den 20. november 1968 blev cyklotronen fra Institute of Nuclear Sciences installeret på den videnskabelige polygon i Grenoble taget i brug . Det vil blive forbedret fra 1978 til 1980 af en postaccelerator med akronymet SARA og brugt indtil 1998.
Yderligere 200 MeV synchrocyclotron er designet og bygget i Orsay. Det fungerede til forskning mellem 1978 og 1990, derefter til protonterapi mellem 1990 og 2010. I 2010 blev en IBA C230 cyclotron installeret i det nye protonterapicenter på Orsay.
I 1963 udviklede forsker Henri-Paul Lenders fra Air Liquide under kodenavnet “Dragon project” den første franske cyklotron.
TRIUMF cyclotron, den største cyclotron i verden fremstillet i 1968 i Vancouver , Canada , med en radius på 7,9 m , producerede i 2010 protoner, der når 3/4 lysets hastighed, dvs. en energi på 520 MeV . Cyclotronringen ved Paul Scherrer-instituttet i Villigen , Schweiz , er mere kraftfuld, fordi den accelererer protoner til 590 MeV , mens den er mindre, fordi den bruger et stærkere magnetfelt.
Cyklotronen er nævnt i mangaserien Silent Möbius . En gammel mand siger, at væsenerne fra Nemesis (en anden dimension) havde til formål at overtage alle cyclotronerne.
En anden optræden i tegneserien: Felix , oprettet af Maurice Tillieux. I afsnit 27 The Tumulus skrevet i 1951 indikerer et tegn, at en cyklotron kan skabe guld, mens han indrømmer, at han ikke har midlerne til at installere denne type maskine.
Cyklotronen er nævnt i bogen The Strike of Ayn Rand (1957) under John Galts tale: "Han [mand] kan ikke grave et hul eller bygge en cyclotron uden kendskab til de nødvendige midler til disse præstationer".