سيكلوترون

A modern Cyclotron for radiation therapy

من أجل استخدامات أخرى، انظر سيكلوترون (توضيح).

السيكلوترون Cyclotron جهاز يعجل الجسيمات الذّرية المشحونة كهربائياً إلى طاقات عليا. وهونوع من معجلات الجسيمات يجعل الجسيمات تتحرك في دائرة محددة. ويُسرع السَّيكلوترون الجسيمات التي تتراوح كتلتها ما بين كتلة البروتون وكتلة النواة الثقيلة. وتبلغ معظمها طاقات تتراوح ما بين عشرة و50 مليون إلكترون فولت، ويصل القليل منها إلى طاقات أعلى.

كيف يعمل السيكلوترون

Diagram of cyclotron operation from Lawrence's 1934 patent.

Beam of electrons moving in a circle. Lighting is caused by excitation of gas atoms in a bulb.

تتحرك الجسيمات داخل السيكلوترون ـ في غرفة مفرغة بين قطبين كهرومغنطيسيين قويين. ويولد المغنطيس الكهربائي مجالاً كهربائيًا يجبر الجسيمات على حتى تتحرك في مسار دائري. وتحتوي الغرفة المفرَّغة أيضًا على قطبين كهربائيين شبيهين بحرف D الإنجليزية، وبينهما فُرجة. ويطبق مجال كهربائي متردد داخل هذه الفرجة. ويؤثر على الشحنة الكهربائية للجسيمات ويعطيها دفعة حدثا مرت عبر الفرجة. ونتيجة لذلك تزداد سرعة الجسيمات تدريجيًا وتتبع مساراً دائريًا يتناسب قطره مع سرعتها. إلى غير ذلك تتخذ الجسيمات مدارًا حلزونيًا، يتباعد إلى الخارج. وعندما تقترب الجسيمات من حافة المجال المغنطيسي، فإنها تكون في سرعتها القصوى. وتوجه بعد ذلك نحوهدف ما، أوتقدف من الجهاز في شكل حزمة جسيمات.

اخترع السيكلوترون الفيزيائي الأمريكي إرنست لورنس عام 1930م، ونال عن اختراعه جائزة نوبل للفيزياء لعام 1939م.

مشاكل حلها السيكلوترون

60-inch cyclotron, circa 1939, showing a beam of accelerated ions (likely protons or deuterons) escaping the accelerator and ionizing the surrounding air causing a blue glow. This phenomenon of air ionization is analogous to the one responsible for producing the "blue flash" infamously noted by witnesses of criticality accidents. Though the effect is often mistaken for Cherenkov radiation, this is not the case.

اختُرع السيكلوترون أساسًا لاستخدامه في دراسة الهجريب النووي إلا أنه يؤدي اليوم عدة وظائف. وتستطيع بعض السيكلوترونات التي أُنشئت حديثًا حتى تُسرِّع النوى الذرية لأيٍّ من العناصر، التي توجد طبيعيًا في باطن الأرض، أوعلى سطحها.

قيود على السيكلوترون

The magnet portion of a large cyclotron. The gray object is the upper pole piece, routing the magnetic field in two loops through a similar part below. The white canisters held conductive coils to generate the magnetic field. The D electrodes are contained in a vacuum chamber that was inserted in the central field gap.

رياضيات السيكلوترون

اللا نسبية

The centripetal force is provided by the transverse magnetic field B, and the force on a particle travelling in a magnetic field (which causes it to be angularly displaced, i.e spiral) is equal to Bqv. So,

{\displaystyle {\frac {mv^{2 {r =Bqv

(Where m is the mass of the particle, q is its charge, B the magnetic field strength, v is its velocity and r is the radius of its path.)

The speed at which the particles enter the cyclotron due to a potential difference, V.

{\displaystyle v={\sqrt {\frac {2Vq {m

Therefore,

{\displaystyle {\frac {v {r ={\frac {Bq {m

v/r is equal to angular velocity, ω, so

{\displaystyle \omega ={\frac {Bq {m

And since the angular frequency is

{\displaystyle \omega ={2\pi f

Therefore,

{\displaystyle f={\frac {Bq {2\pi m

But this is for one complete loop and cyclotron must switch twice every cycle, therefore

{\displaystyle f_{c ={\frac {Bq {\pi m

A pair of "dee" electrodes with loops of coolant pipes on their surface at the Lawrence Hall of Science. The particle exit point may be seen at the top of the upper dee, where the target would be positioned

طالع أيضاً

Beamline
Cyclotron radiation
Synchrotron light
Bremsstrahlung radiation
Electron cyclotron resonance
Gyrotron
Ion cyclotron resonance
Linear accelerator
Particle accelerator
Storage ring
Synchrocyclotron
سنكروترون
TRIUMF - largest cyclotron in the world
Radiation reaction

وصلات خارجية

U.S. Patent 1٬948٬384 -- Method and apparatus for the acceleration of ions
Indiana University Cyclotron Facility MPRI treats first patient using robotic gantry system.
"The 88-Inch Cyclotron at LBNL"
"The NSCL at Michigan State University" Home of coupled K500 and K1200 cyclotrons; the K500, being the first superconducting cyclotron and the K1200 currently the most powerful in the world.
Rutgers Cyclotron and "Building a Cyclotron on a Shoestring" Tim Koeth, now a graduate student at Rutgers University, built a 12-inch 1 MeV cyclotron as an undergraduate project, which is now used for a senior-level undergraduate and a graduate lab course.
"Cyclotron java applet"
"Resonance Spectral Analysis with a Homebuilt Cyclotron" an experiment done by Fred M. Niell, III his senior year of high school (1994-95) with which he won the overall grand prize in the ISEF.
Relativistic accelerator physics PDF
Wired news article about a neighborhood cyclotron in Anchorage, Alaska
web site of company IBA
The Cyclotron Kids A group of high schooled students building their own 2.3 MeV cyclotron for experimentation.