Циклотрон

<час />

Фон

В современном циклотроне используются два полых D-образных электрода, удерживаемых в вакууме между полюсами электромагнита. Затем на каждый электрод подается высокочастотное переменное напряжение. В пространстве между электродами ионный источник производит положительные или отрицательные ионы в зависимости от конфигурации. Эти ионы ускоряются в одном из электродов за счет электростатического притяжения, и когда переменный ток смещается с положительного на отрицательный, ионы ускоряются в другой электрод. Из-за сильного электромагнитного поля ионы движутся по круговой траектории. Каждый раз, когда ионы перемещаются от одного электрода к другому, они набирают энергию, их радиус вращения увеличивается, и они образуют спиральную орбиту. Это ускорение продолжается до тех пор, пока они не вырвутся из электрода. Ускоренные частицы извлекаются из циклотрона, когда они достигают конца спирального пути ускорения. Этот пучок ускоренных субатомных частиц можно использовать для бомбардировки различных материалов мишеней для получения радиоактивных изотопов.

Различные изотопы используются в медицине в качестве индикаторов, которые вводятся в организм, а также при лучевой терапии некоторых видов рака. Циклотроны также используются для исследовательских целей в академических и промышленных условиях, а также для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - это метод измерения концентрации позитронно-излучающих радиоизотопов в тканях живых людей. Полезность ПЭТ заключается в том, что в определенных пределах он может оценивать биохимические изменения в организме. Любую область тела, в которой происходят аномальные биохимические изменения, можно увидеть с помощью ПЭТ. ПЭТ оказала огромное влияние на клиническое применение неврологических заболеваний, включая сосудистые заболевания головного мозга, эпилепсию и опухоли головного мозга.

История

Э. О. Лоуренс и его аспиранты из Калифорнийского университета в Беркли испробовали множество различных конфигураций циклотрона, прежде чем они увенчались успехом в 1929 году. Самый ранний циклотрон был очень маленьким, с использованием электродов, радиочастотного генератора мощностью 10 Вт, вакуума, водорода. ионы, и электромагнит 4 дюйма (10 см). Ускоряющая камера первого циклотрона имела диаметр 5 дюймов (12,7 см) и нагнетала ионы водорода до энергии 5-45 МэВ в зависимости от настроек. Один мегаэлектронвольт (МэВ) равен 1,602 × 1013 Дж (Дж - Джоуль, стандартная единица измерения энергии). В проектировании, создании и эксплуатации все более крупных циклотронов участвовало все большее число физиков, инженеров и химиков. Лоуренс никогда не был уверен, следует ли относить его исследования к ядерной физике или ядерной химии.

Сырье

Магниты в циклотроне изготовлены из 25-тонной низкоуглеродистой стали с двумя никелированными полюсами. Физически циклотрон весит 55 тонн и расположен внутри внутреннего хранилища с бетонными стенами и дверьми толщиной около 6,6 футов (2 м), чтобы защитить окружающую среду от ядерного излучения, присутствующего во время работы машины. К счастью, период полураспада большей части этого излучения составляет от нескольких секунд до минут, поэтому долгосрочных проблем с удалением отходов нет. Фактические размеры составляют примерно 100 × 100,5 × 39 футов (30,5 × 30,6 × 11,9 м). Катушки изготовлены из отожженной меди, изолированы стекловолокном и покрыты эпоксидной смолой. Алюминиевый вакуумный бак герметизирован полиуретановыми кольцами круглого сечения. В источнике ионов используется вольфрамовая нить для возбуждения газообразного водорода, а набивка из борированного полиэтилена используется для уменьшения накопления тепловых нейтронов вокруг компонентов циклотрона. Устройство смены мишени позволяет оператору циклотрона выбирать различные мишени на каждом из пучков, подлежащих облучению, и они в основном изготовлены из алюминия с минимумом нержавеющей стали для минимизации нейтронной активации.

Дизайн

Конструкция циклотрона варьируется в зависимости от технических требований покупателя. Ebco Technologies Inc. создает два разных типа циклотронов с отрицательными ионами:один способен ускорять протоны до максимального уровня энергии 19 МэВ (TR19), а другой - до 32 МэВ (TR32). Стандартная конфигурация циклотрона TR19 - с двумя внешними линиями пучка, но есть уменьшенная версия с опцией одного канала. Стандартная конфигурация цели TR19 состоит из двух внешних лучей и восьми целей. Существует вариант конструкции от двух до четырех целей на одном канале луча с возможностью модернизации до восьми целей в более позднее время. TR19 также доступен в самоэкранированной или неэкранированной конфигурации. Функция самозащиты устраняет необходимость в хранилище циклотрона или серьезной модернизации существующих объектов. Кроме того, магнитный зазор в TR19 расположен вертикально, чтобы минимизировать пространство.

Радиочастотная (RF) система состоит из усилителя RF, коаксиальной линии передачи от усилителя RF к циклотрону, источника питания, контрольно-измерительных приборов и устройств считывания, осциллографа, датчиков тока / напряжения, мощности и интерфейсов с компьютеризированная система управления. Регулятор массового расхода, игольчатый клапан и пневматический клапан регулируют давление и расход газа.

Внутри источника ионов помещается вольфрамовая нить, которая при нагревании ионизирует водородный газ. Плазменный фильтр помещается на апертуру источника ионов для улучшения условий образования отрицательных ионов.

Образовавшиеся отрицательные ионы будут инжектироваться в циклотрон по оси X. Система впрыска состоит из набора управляющих магнитов для фокусировки отрицательных ионов в плоскости ускорения с помощью наклонного спирального инфлектора.

Эрнест Орландо Лоуренс.

Эрнест Орландо Лоуренс родился в Южной Дакоте 8 августа 1901 года. В 1922 году он получил степень бакалавра физики в Университете Южной Дакоты. Лоуренс поступил в аспирантуру Университета Миннесоты, получив степень магистра за один год. Он получил докторскую степень. в Йельском университете в 1925 году, оставаясь там в течение трех лет в качестве члена Национального исследовательского совета, а затем в качестве доцента. В 1928 году он стал адъюнкт-профессором Калифорнийского университета в Беркли. Два года спустя Лоуренс стал самым молодым профессором в Беркли.

Лоуренс задумал свое самое известное изобретение, циклотрон, в 1929 году. Он понял, что для достижения энергии частиц в несколько МэВ (миллионов электрон-вольт), необходимых для ядерных экспериментов, он может преобразовать линейную траекторию частицы в круговую, наложив магнитное поле. под прямым углом к ​​траектории частицы. Лоуренс сразу же доказал, что частота вращения частицы зависит только от силы магнитного поля и отношения заряда к массе частицы, а не от радиуса ее орбиты. Это был основной принцип циклотрона, о котором Лоуренс впервые сообщил осенью 1930 года.

В 1932 году Лоуренс женился и имел шестерых детей. Он был избран членом Национальной академии наук в 1934 году, награжден Нобелевской премией по физике в 1939 году, получил медаль за заслуги в 1946 году и премию Ферми в 1957 году. Лоуренс оставался в Беркли до своей смерти 27 августа 1958 года от кишечного тракта. язва.

Производственный
процесс

1. Проектные группы координируют трубопровод, кабельный лоток, канал в полу и сопутствующее оборудование. Пример откачанной ускорительной камеры с крупным планом вакуумной камеры. перед отправкой, такелажем и установкой циклотрона и его подсистем.
2. Производственный процесс начинается с 25-тонного стального магнита. Он изготавливается из плит диаметром 10 дюймов (25,4 см) и помещается между полюсами мощного электромагнита до тех пор, пока не будет точно измерена площадь магнитного поля.
3. Два никелированных магнитных полюса выкованы из низкоуглеродистой стали.
4. Две катушки магнита в сборе изготавливаются из отожженной полой меди и твердеют после придания формы. Они установлены в ярме магнита, подключены к коллекторам водяного охлаждения, изолированы стекловолокном и покрыты эпоксидной смолой.
5. Алюминиевый вакуумный бак помещается между никелированными стойками и прикручивается болтами. Вакуумный резервуар имеет крионасосы, которые привинчены снаружи для охлаждения резервуара до -459 ° F (-273 ° C), чтобы заморозить любые присутствующие газы.
6. Электроды изготовлены из единого листа меди с низким сопротивлением толщиной 0,06 дюйма (1,6 мм) (для оптимизации передачи энергии от ВЧ-системы к ускоряющимся ионам водорода), вырезаны и протравлены с помощью инструментов для бурения и сверл. .
7. Затем резервуар герметизируется полиуретановыми кольцевыми уплотнениями после установки внутри медных электродов. Электроды устанавливаются с помощью нейлоновых винтов и распорок в круглый кусок промышленного нейлона лисекс. В нейлоне просверливается несколько отверстий. Два предназначены для проводки генератора. Третий предназначен для вакуумного насоса; к этому порту также прикреплен вакуумметр.
8. Поверх нейлона и вокруг электродов находится кольцо из трубы из поливинилхлорида (ПВХ). В нем просверлено несколько отверстий, самое большое из которых - трубка для хранения детектора. В этом материале также расположены отверстия меньшего размера, достаточные для подачи источника напряжения на пластину дефлектора, для установочных винтов, необходимых для контроля его положения, и отверстия для крепления сплошного латунного крюка, который будет использоваться для подвешивания всего устройства на комплекте Катушки Гельмгольца.
9. Поверх трубы из ПВХ прикреплен кусок прочного промышленного прозрачного пластика. Это необходимо для того, чтобы люди могли видеть внутреннюю работу механизма, если что-то пойдет не так, а также для увеличения прочности корпуса.
10. По обе стороны от ПВХ находится силиконовый гель, чтобы поддерживать достаточную герметичность вокруг основной камеры. Это сделано для того, чтобы вакуум был максимально эффективным. Вакуум необходим, потому что на альфа-частицы сильно влияют частицы любого типа, особенно воздух. Вот почему альфа-частицы считаются такими безопасными; к тому времени, когда они контактируют с человеком через какую-либо среду, их энергия настолько сильно пострадала, что они не в состоянии нанести ущерб.
11. Стенки фиксируются тонким надрезом I на поверхности верхнего и нижнего листа, а оба электрода удерживаются вместе с помощью нейлоновых винтов 2 дюйма (5,1 см). В этих деталях не использовался припой, чтобы внутренняя камера оставалась как можно более чистой и постоянной. В одной стене вырезано окно длиной примерно 2 см (0,79 дюйма).
12. На нейлоновый винт закреплена медная пластина немного меньшего размера (дефлектор), электрически отделенная от остального компонента. Наружные установочные винты могут управлять положением дефлектора, и он, и каждый электрод имеют электрическое соединение. Это необходимо для того, чтобы осциллятор подавался на электроды, а большой отрицательный заряд был нанесен на пластину дефлектора.
13. ВЧ-система собрана внутри квадратного металлического шасси 19 дюймов (48 см) и высотой 1,8 м (6 футов). Здесь резисторы, передатчики, переключатели, схемы настройки, катушки индуктивности и конденсаторы собираются вручную.
14. Приобретены и собраны шкафы питания для водоохлаждаемых мишеней и магнитов, источников ионов, крионасоса и водяного контура.
15. Ионный источник будет введен после сборки циклотрона. Магнитный цилиндр диаметром 4 дюйма (10 см) и длиной 4,7 дюйма (12 см) содержит источник ионов. Газообразный водород будет вводиться через капиллярную трубку.
16. Наклонный спиральный инфлектор заключен в заземленный электрод спиральной формы. Электрод обрабатывают на фрезерном станке с фиксированной осью.
17. Далее, тела мишеней изготовлены из серебра, алюминия и титана высокой чистоты и оснащены окнами из тонкой фольги, охлаждаемыми гелием. Два окна из фольги отделяют целевой материал от высокого вакуума внутри циклотрона.
18. Рециркуляционная система охлаждения с замкнутым контуром размещена в металлическом шкафу целевого оборудования для охлаждения окон из фольги с помощью высокоскоростных потоков газообразного гелия.
19. Соединения труб, электромагнитные клапаны, ограничители пучка с водяным охлаждением и электрически изолированные коллиматоры собираются и прикрепляются к сборке мишени.
20. Узел мишени имеет прочную алюминиевую заглушку, в которой имеется отверстие 4 дюйма (10 см), которое будет действовать как коллиматор мишени.
21. Канавки выточены на внешней стороне плунжера, а уплотнительное кольцо установлено для создания вакуумного уплотнения между корпусом мишени и четырехпозиционным переключателем мишени.
22. Коллимирующий диск помещается между пробкой и целевым телом с окном с обеих сторон.
23. Наконец, вся система интегрирована с управляющим программным обеспечением для управления и мониторинга оборудования ПЛК.

Контроль качества

Каждый этап производственного процесса необходимо контролировать, чтобы гарантировать, что детали стандартного качества. Если какой-либо из компонентов имеет трещину или течь, радиация может попасть в окружающую среду. Сталь, используемая в магнитах циклотрона, тщательно контролируется, чтобы гарантировать, что она имеет желаемые свойства. Магнитные поля постоянно проверяются методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Побочные продукты / отходы

В процессе производства образуется 2-3 тонны металлических отходов. Это перерабатывается для будущих производственных процессов. Из-за количества деталей избыточный материал при производстве циклотрона велик. Если обнаруживаются какие-либо дефектные детали, они восстанавливаются в меру своих возможностей, но большинство списывается.

Будущее

Усовершенствования в герметизации блока циклотрона требуют, чтобы на месте установки обеспечивалась меньшая бетонная защита, а также создавался более безопасный и компактный блок циклотрона. Конструируются более мощные циклотронные установки для промышленного производства изотопов. Циклотроны последней серии представляют собой современные, компактные, сильно фокусирующие, четырехсекторные циклотроны с отрицательными ионами, с внешними источниками ионов, крионасосами, высокоточными системами питания и управления и превосходным качеством изготовления. Теперь они имеют модульную конструкцию и используют общую технологию независимо от размера и типа циклотрона.

Где узнать больше

Книги

Лоуренс, Эрнест О. и Ирвинг Ленгмюр. Молекулярные пленки:Циклотрон и Новая биология. Нью-Брансуик:издательство Rutgers University Press, 1942.

Периодические издания

Burgerjon, J. J., and A. Strathdee, eds. Циклотроны - 1972 г. Нью-Йорк:Американский институт физики, 1972 г.

Приятно П. Макклейн