סינכרוציקלוטרון

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
הסינכרו-ציקלוטרון במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN
סינכרו-ציקלוטרון בו השתמשו במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN. המאיץ כיום לא בשימוש מחקרי והוא בתצוגה בה מסופר סיפורו הפיזיקלי, ההיסטורי והאנשים מאחורי הפעלתו ותגליותיו.

הסינכרו-ציקלוטרון הוא מאיץ חלקיקים שנועד להאיץ חלקיקים באנרגיות גבוהות.[1]

הסינכרו-ציקלוטרון הומצא על ידי אדווין מקמילן והוא מאיץ חלקיקים המהווה צורה משופרת של ציקלטרון, מכשיר המאיץ חלקיקים תת-אטומיים לאנרגיות גבוהות.[2]

הסינכרו-ציקלוטרון אמנם אינו פועל עוד במתכונתו המקורית כיום אך המצאתו הובילה לפיתוחים רבים וחשובים בתחום הרפואה ובתחום חקר פיזיקת החלקיקים. ההבדלים המהותיים בין הסינכרו-ציקלוטרון לקודמיו הינו השימוש בשדה חשמלי משתנה (בעזרת תדירויות רדיו), צורת המאיץ והאנרגיות אליהן הגיעו החלקיקים המואצים.

משמע, השיפור העיקרי בסינכרו-ציקלוטרון הוא האנרגיה הגבוהה אליהם הגיעו החלקיקים, בהשוואה למאיצים הקודמים.

צורת הפעולה של הסינכרוציקלוטרון

ההבדלים העיקריים בין סינכרו-ציקלוטרון למאיצים שהיו עד המצאתו הוא השימוש בשדה חשמלי משתנה (בעזרת תדירויות רדיו), צורת המאיץ והאנרגיות אליהם הגיעו החלקיקים המואצים. במאיץ זה משתמשים בשדה חשמלי משתנה בעזרת תדירות רדיו RF, זאת על מנת לפצות על אפקט היחסות על פי תורת היחסות של איינשטיין כאשר החלקיק נע במהירות המתקרבת למהירות האור.[3]

ישנו הבדל מהותי בין הסינכרו-ציקלטרון לבין הצייקלטרון הקלאסי; ב-ציקלטרון הקלאסי התדירות הזוויתית של השדה החשמלי מוגדרת על ידי:

כש- ω (אומגה) הינה מהירות זוויתית של השדה החשמלי

q- הינו המטען החשמלי של החלקיק

B- השדה המגנטי

m- מסת החלקיק

קשר זה נכון עבור חלקיק קלאסי ללא אפקטים יחסותיים. (על פי תורת היחסות, כמו התכווצות אורכו וכו').

תהליכים אלו אשר הוזנחו, החלו להיות משמעותיות כשמהירות החלקיק גדלה במאיץ והגיע למהירות מסדר גודל של שליש ממהירות האור, הפיזיקה הקלאסית הופכת לפיזיקה יחסותית. . כדי לתקן זאת, משתמשים במסה היחסית של החלקיק ולא במסתו במנוחה. ולכן, מקדם מכפיל את המסה בנוסחה:

כש:

.

דבר זה מתרחש כאשר התדירות הזוויתית של השדה גדלה בזמן שהחלקיק מואץ סביב הסינכרו-צייקלטרון.

כלומר מאיצים שבהם התדירות של המתח המאיץ משתנה כשהחלקיק מואץ הינם מאיצי סינכרו-ציקלוטרון.[4]

יתרונות

היתרון המרכזי של הסינכרו-ציקלוטרון הוא שאין צורך להגביל את כמות הסיבובים שעושה יון לפני שהוא יוצא . על כן ההבדלים הפוטנציאלים הנראים בין ה"די" (שני חצאי גליל הנקראים "די" (בשל צורתם, המזכירה את האות האנגלית D) אשר מהם בנוי הסינכרו-ציקלוטרון שמוחזקים בהפרש  פוטנציאלים זה מזה, כך שביניהם נמצא אזור בו קיים שדה חשמלי אשר מאיץ חלקיקים טעונים כשהם עוברים דרכו)קטנים באופן משמעותי.

להבדל הפוטנציאלי הקטן יותר אשר נדרש בין ה"די" יש מספר שימושים:

תרשים בסיסי של הציקלטרון (עיגולים קטנים המכילים נקודה עם האות B לידם מציינים שדה שדה מגנטי המצביע מתוך המסך לכיוון הקורא ) חצאי העיגולים המצוירים בקו שחור הם ה"דיי" עליהם מדובר בקטע.

1. אין צורך לצמצם את הרווח בין ה"די" כמו במאיץ רגיל מאחר שאין צורך בשדה חשמלי חזק אשר יצור תאוצה. כך יש אפשרות להשתמש אך ורק ב"די" אחד במקום בשניים, החלק השני של המתח החשמלי מחובר לכדור הארץ .

2.ניתן לקרב את המוטות המגנטים כך שצפיפות השטף המגנטי תגדל באופן משמעותי.

3. תדירות מתנד השסתום מסוגלת לפעול ביעילות רבה יותר

יתרון נוסף של מאיץ זה הוא שהחלקיקים אינם יוצאים מהפאזה  עם האצת המתח, כך שההגדלה במסה היחסית אינה מטילה מגבלה על האנרגיה. יתר על כן, ההתמקדות המגנטית יכולה להיות חזקה יותר, כך שהשדה המגנטי לא צריך להיות מעוצב בצורה מדויקת כל כך.[5]

חסרונות

החיסרון  המרכזי של הסינכרו-ציקלוטרון הוא שכתוצאה מהווריאציה בתדירות אספקת המתח, רק חלק קטן של היונים העוזבים את המקור נתפשים במסלולים יציבים  של רדיוס ואנרגיה מקסימליים ,יחד עם העובדה שלזרם הפלט יש מחזור פעילות קטן והזרם הממוצע הוא רק שבריר קטן של זרם הקרן  המידית .

כך מפיק המכשיר יונים באנרגיה גבוהה, אך עם עוצמה יחסית נמוכה .

חיסרון נוסף של המכשיר הוא העובדה כי הוא מתחמם בקלות ובנוסף על כך עלות בניות גבוהה מאד עקב הצורך במתכות מסוימות המשמשות לבנייתו[6]

היסטוריה

בשנת 1945 רוברט לייסטר תורנטון, במעבדת הקרינה של ארנסט לורנס היה ראש צוות הבנייה של הסיקלוטרון 184 אינץ '. בשנת 1946, פיקח תורנטון על ההמרה של סיקולטרון לתכנון החדש שנעשה על ידי מקמילין- הסינכרו-ציקלטרון עם היכולת לייצר 195 MeV דיטרון ו-390 MeV חלקיקי אלפא

לאחר המצאתו של הסינכרו-ציקלוטרון הראשון, משרד המחקר הימי (ONR) במימון שתי יוזמות בנייה השיקו את הסינכרו-ציקלוטרון 435-Mev ב-1946 והתחילו את תוכנית מחקר הפיזיקה הגרעינית  בהנהגת אדוארד קרוטז במכשיר. בשנת1947 בהנהגת אנריקו פרמי הושק הסינכרו-ציקלוטרון 450-Mev. לאחר מכן, בשנת 1948 אוניברסיטת רוצ'סטר השלימו את בניית 240-Mev ולאחר מכן בשנת 1950 השלימה אוניברסיטת קולמביה את בניית הסינכרו-ציקלטרון 380-Mev. יתרה מכך, בשנת 1950 החל לפועל במכון לטכנולוגיה "קרנגי" הסינכרו-ציקלטרון 435MeV ואחריו ב-1951 הסינכרו-ציקלטרון 450MeV של אוניברסיטת שיקגו. באותה שנה בדצמבר 1951, בפגישת אונסק"ו בפאריס התקיים דיון בנושא מציאת פתרון למאיץ של אנרגיה בינונית לארגון האירופאי למחקר גרעיני (CERN).  

הסינכרו-ציקלטרון הוצע כפתרון כדי לגשר על הפער לפני הוצאתו לאור של הסיקלטרון  של פרוטונים28GeV .

ב-1952 קורנליוס באקר הוביל את היוזמה לבנות ולעצב את הסינכרו-ציקלוטרון (SC) הראשון בסרן בעל היקף של  15.7 מטר (52 רגל).עיצובו החל בשנת 1953. הבנייה עצמה החלה ב-1954 כאשר באוגוסט 1957 לבסוף הושג מאיץ הפרוטונים 600 MeV. יתרה מכך, ותוכנית ניסיונית יצאה לפועל ב-1958.

הסינכרו-ציקלטרון 600Mev הינו המאיץ הראשון של סרן, אשר מספק אלומות אור לניסוים בחלקיקים ולפיזיקת גרעינית. ב-1964 המכונה החלה להתמקד בפיזיקה גרעינית בלבד והשאירה את נושא פיזיקת החלקיקים למאיצי פרוטונים חדשים וחזקים יותר.[7]

הסינכרו-ציקלטרון הראשון בסרן התברר כמכונה מאריכת ימים, ב-1967 המכונה החלה לספק אלומות אור עבור  מתקן רדיואקטיבי-יון-קרן ייעודי הנקרא ISOLDE, אשר עדיין מבצעים בו מחקרים המתפרשים מפיזיקת חלקיקים ועד לפיזיקה רפואית. ב-1990 ISOLDE הועבר לסינכרוטרון מאיץ הפרוטונים והסינכרו-ציקלוטרון (SC) הראשון בסרן נסגר לאחר 33 שנים של עבודה.[8]

שימוש כיום

כיום לסינכרו-ציקלוטרון  קיימים בעיקר שימושים רפואיים הקשורים  להקרנת פרוטונים  (סוג של רדיו טרפיה),.

בגלל יכולתו של המכשיר ליצור מערכות קומפקטיות על ידי שימוש בשדה מגנטי בעל מתח גבוה.

חברות פיזיקה רפואית כמו Ion Beam Applications[9] ו- Mevion Medical Systems[10] פיתחו סינכרו-ציקלטרונים מוליכי-על. מאיץ  מסוג זה שוקל פי עשרה פחות ובעל עלות מתונה ולכן יכול להתאים לבתי החולים בצורה נוחה[11].

בנוסף, כיום במרכז לחקר פיזיקה חלקיקים CERN קיימת תצוגה מרשימה על הסינכרו-ציקלוטרון הראשון שהיה בשימוש במקום. התצוגה מתארת בעזרת חזיון אור קולי את ההיסטוריה של המכשיר, התגליות הפיזיקליות המשמעותיות והסיפור של האנשים שהשתמשו בו לטובת מחקרם הפיזיקלי .בתמונות, מוצג חלק מהתצוגה המרשימה הכוללת הקרנה על הסינכרו-ציקלוטרון עצמו.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

  1. ^ Synchrocyclotron (Inventions), what-when-how
  2. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica, [The Editors of Encyclopaedia Britannica Synchrocyclotron], Encyclopaedia Britannica
  3. ^ The Synchrocyclotron, CERN
  4. ^ Constant-Voltage Accelerators, encyclopedia britannica
  5. ^ Constant-Voltage Accelerators, encyclopedia britannica
  6. ^ H. Blosser. D. Johnson. B. Milton. and J. Riedel National Superconducting Cyclotron Laboratory. Michigan State University. East Lansing. MI 48824. and W.E. Powers. R.L. Maughan, C.G. Orton, D.P. Ragan, G.F. Blosser, R.J. Burleigh, and E.B. Jemison, Harper-Grace Hospitals, Detroit, MI 48201, CYCLOTRONS AND SYNCHROCYCLOTRONS FOR ONCOLOGY THERAPY
  7. ^ The Synchrocyclotron, CERN
  8. ^ The Synchrocyclotron, CERN
  9. ^ Shaping the future of proton therapy, iba-worldwide
  10. ^ WHY PROTON THERAPY, mevion
  11. ^ Compact superconducting synchrocyclotron systems for proton therapy, sciencedirect
סמל המכלול גמרא 2.PNG
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0