Циклотрон в пространстве магнитного поля

В 1930 году американский физик Эрнест Лоуренс создал первый в мире циклотрон, за который в 1939 году он был удостоен Нобелевской премии – «За изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов». Этот прорыв принёс учёному международную известность.

А начиналось все с простой зарисовки на обычном клочке бумаги. В 1929 году Лоуренс ознакомился со статьей Рольфа Видероэ (норвежский физик) и глубоко заинтересовался одним из представленных изображений устройства, которое получало частицы с высокой энергией при помощи возникновения небольших «толчков». В этот самый прибор входили электроды, выложенные в виде прямой линии по мере увеличения их длины.

Эрнест Орландо Лоуренс (1901-1958)

Эрнест Орландо Лоуренс (1901-1958)

Источник - Википедия 

Тогда Лоуренс и подумал, что это устройство скоро станет слишком длинным и громоздким, поэтому нужно было создать что-то более универсальное и компактное. Учёный решил установить круговую высокоскоростную камеру, расположенную между полюсами электромагнита. Там протоны ускорялись посредством двух полукруглых электродов, а магнитное поле задавало бы этим протонам спиральную траекторию.

Лоуренс считал, что после ста оборотов образуется на выходе пучок частиц с высокой энергией. Это был способ получения частиц с очень высокой энергией без использования увеличенного напряжения. Первый образец циклотрона Лоуренса был собран из латуни, проволоки и сургуча с диаметром 4 дюйма (10 см).

Таким образом, циклотрон – это резонансный циклический ускоритель тяжелых заряженных частиц, внутри которого идет беспрерывное движение этих частиц в постоянном и однородном магнитном поле. В первых циклотронах выделялось 4 основные системы: магнитная (магнит с источником постоянного тока), ускоряющая (ускоряющие электроды – дуанты, которые получили своё назвали благодаря D-образной форме, и генератор высокочастотного напряжения), ионный источник и вакуумная система (вакуумная камера с системой вакуумной откачки). По мере создания новых циклотронов их системы постоянно улучшались. Для более точного формирования спада магнитного поля по радиусу, с целью обеспечения вертикальной фокусировки, были придуманы кольцевые шиммы – специальные ферромагнитные пластины, которые крепились на полюсах магнита и позволяли более аккуратно формировать градиент магнитного поля вдоль всего радиуса. 

Схема циклотрона из патента Э. Лоуренса - 1934 год

Схема циклотрона из патента Э. Лоуренса - 1934 год

Источник - Википедия 

Начало следующего этапа развития циклотронов относится к 1970-м годам, когда возникла настоятельная необходимость в сооружении так называемых мезонных фабрик. Требовалось разработать новые ускорительные установки, чтобы получить высокоинтенсивные пучки мезонов для проведения специальных экспериментов в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Как только такие пучки были получены, они нашли применение и в других областях, таких как физика твердого тела и медицина. Первоначально появились три мезонные фабрики, в которых для получения мезонов использовались различные типы ускорителей. Большинство экспериментов с высокоинтенсивными мезонными пучками проводятся во многих научных центрах мира, в том числе и в России. Сейчас циклотроны с пространственной вариацией магнитного поля широко используются для научных исследований в ядерной физике, радиационной химии и биологии, а также в медицине – для лечения онкологических больных, и в промышленности – например, в металлургии. 

 

Материал подготовлен на основе открытых источников. 

Источник изображения в тексте - Артефакт: Циклотрон Эрнеста Лоуренса

Источник изображения на главной странице - up-pro.ru