Co to jest cyklotron?

Historia Fizyka cząsteczek to historia poszukiwania coraz mniejszych kawałków materii. Kiedy naukowcy zagłębili się w skład atomu, musieli znaleźć sposób na jego rozdzielenie, aby zobaczyć jego elementy składowe. Są to tak zwane „cząstki elementarne”. Rozdzielenie ich wymagało dużej ilości energii. Oznaczało to również, że naukowcy musieli wymyślić nowe technologie, aby wykonać tę pracę.

W tym celu opracowali cyklotron, rodzaj akceleratora cząstek, który wykorzystuje stałe pole magnetyczne do utrzymywania naładowanych cząstek, gdy poruszają się one coraz szybciej po spiralnym wzorze kołowym. W końcu trafiają w cel, w wyniku czego fizycy badają cząstki wtórne. Cyklotrony są stosowane w eksperymentach fizyki wysokoenergetycznej od dziesięcioleci, a także są przydatne w leczeniu raka i innych chorób.

Pierwszy cyklotron został zbudowany na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w 1932 roku przez Ernesta Lawrence'a we współpracy z jego studentem M. Stanley Livingston. Umieścili duże elektromagnesy w okręgu, a następnie opracowali sposób wystrzeliwania cząstek przez cyklotron w celu ich przyspieszenia. Ta praca przyniosła Lawrence'owi Nagrodę Nobla z 1939 roku w dziedzinie fizyki. Wcześniej głównym akceleratorem cząstek był liniowy akcelerator cząstek,

Od czasu pracy Lawrence'a nad cyklotronem te jednostki testowe zostały zbudowane na całym świecie. Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley zbudował kilka z nich dla swojego Laboratorium Radiacyjnego, a pierwszy europejski zakład powstał w Leningradzie w Rosji w Instytucie Radium. Kolejny został zbudowany w pierwszych latach II wojny światowej w Heidelbergu.

Cyklotron był wielką poprawą w porównaniu z linakiem. W przeciwieństwie do konstrukcji liniowej, która wymagała szeregu magnesów i pól magnetycznych w celu przyspieszenia naładowanych cząstek w linii prostej, zaletą koła projekt polegał na tym, że strumień naładowanych cząstek wciąż przepływałby przez to samo pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy w kółko, zyskując trochę energii za każdym razem, gdy to robił więc. W miarę jak cząstki zyskiwały energię, tworzyły coraz większe pętle wokół wnętrza cyklotronu, nadal zdobywając więcej energii z każdą pętlą. W końcu pętla byłaby tak duża, że ​​wiązka elektronów o wysokiej energii przejdzie przez okno, w którym wejdą do komory bombardowania na badania. W gruncie rzeczy zderzyły się z płytą i rozproszonymi cząsteczkami wokół komory.

Cyklotron był pierwszym z cyklicznych akceleratorów cząstek i zapewnił znacznie bardziej skuteczny sposób na przyspieszenie cząstek do dalszych badań.

Obecnie cyklotrony są nadal używane w niektórych obszarach badań medycznych i mają rozmiary od z grubsza blatów po rozmiary budynków i większe. Innym typem jest synchrotron akcelerator, zaprojektowany w latach 50. XX wieku i ma większą moc. Największe cyklotrony to Cyklotron TRIUMF 500 MeV, który nadal działa na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver, Kolumbii Brytyjskiej, Kanadzie oraz nadprzewodzącym pierścieniem cyklotronowym w laboratorium Riken w Japonii. Ma 19 metrów średnicy. Naukowcy używają ich do badania właściwości cząstek, czegoś zwanego skondensowaną materią (gdzie cząstki przylegają do siebie.

Bardziej nowoczesne konstrukcje akceleratorów cząstek, takie jak te stosowane w dużym zderzaczu hadronów, mogą znacznie przekroczyć ten poziom energii. Te tak zwane „niszczyciele atomów” zostały zbudowane w celu przyspieszenia cząstek do prędkości bardzo zbliżonej do prędkości światła, gdy fizycy poszukują coraz mniejszych cząstek materii. Poszukiwanie bozonu Higgsa jest częścią pracy LHC w Szwajcarii. Inne akceleratory istnieją w Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku, w Fermilab w Illinois, KEKB w Japonii i innych. Są to bardzo drogie i złożone wersje cyklotronu, wszystkie poświęcone zrozumieniu cząstek, które tworzą materię we wszechświecie.