✨Cyclotron

thumb|right|Máy cyclotron của Lawrence, , cho thấy chùm [[ion được gia tốc (có thể là proton hoặc deuteron) thoát ra khỏi máy và làm ion hóa không khí xung quanh gây ra ánh sáng xanh lam.]]

Cyclotron là một loại máy gia tốc hạt do Ernest Lawrence phát minh vào năm 1929–1930 tại Đại học California, Berkeley, và được cấp bằng sáng chế vào năm 1932. Cyclotron gia tốc các hạt tích điện hướng ra ngoài từ tâm của một buồng chân không hình trụ phẳng dọc theo đường xoắn ốc. Các hạt được giữ theo quỹ đạo xoắn ốc bằng từ trường tĩnh và được gia tốc bằng điện trường thay đổi nhanh chóng. Lawrence đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1939 cho phát minh này.

Cyclotron là máy gia tốc "theo chu kỳ" được phát minh đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, chúng vẫn được sử dụng rộng rãi để tạo ra các chùm hạt cho y học hạt nhân và nghiên cứu cơ bản. Tính đến năm 2020, gần 1.500 cyclotron đã được sử dụng trên toàn thế giới để sản xuất hạt nhân phóng xạ cho y học hạt nhân. Ngoài ra, cyclotron có thể được sử dụng cho liệu pháp hạt, trong đó các chùm hạt được áp dụng trực tiếp cho bệnh nhân.

Lịch sử

thumb|Cyclotron ban đầu của Lawrence. thumb|Ách nam châm cho cyclotron trên khuôn viên của Hội trường Khoa học Lawrence, Berkeley, California.

Vàocuối năm 1928 và đầu năm 1929, nhà vật lý người Hungary Leó Szilárd đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế ở Đức (sau đó bị bỏ rơi) cho máy gia tốc hạt tuyến tính, cyclotron và betatron. Trong những ứng dụng này, Szilárd trở thành người đầu tiên thảo luận về điều kiện cộng hưởng (cái mà ngày nay được gọi là tần số cyclotron) cho một thiết bị gia tốc tròn. Vài tháng sau, vào đầu mùa hè năm 1929, Ernest Lawrence đã hình thành khái niệm cyclotron một cách độc lập sau khi đọc một bài báo của Rolf Widerøe mô tả một máy gia tốc ống trôi. Ông xuất bản một bài báo trên tạp chí Science năm 1930, và được cấp bằng sáng chế cho thiết bị vào năm 1932.

Để chế tạo thiết bị đầu tiên như vậy, Lawrence đã sử dụng các nam châm điện lớn được tái chế từ các bộ chuyển đổi hồ quang lỗi thời do Công ty Điện báo Liên bang cung cấp. Ông được hỗ trợ bởi một sinh viên tốt nghiệp, M. Stanley Livingston Máy cyclotron hoạt động đầu tiên của họ bắt đầu hoạt động vào tháng 1 năm 1931. Máy này có bán kính và gia tốc các proton tới năng lượng lên tới 80 keV.

Tại Phòng thí nghiệm Bức xạ trong khuôn viên của Đại học California, Berkeley (nay là Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley), Lawrence và các cộng tác viên của ông đã tiếp tục chế tạo một loạt cyclotron là những máy gia tốc mạnh nhất trên thế giới vào thời điểm đó; máy 4,8 MeV (1932), máy 8 MeV (1937) và máy 16 MeV (1939). Lawrence nhận giải Nobel Vật lý năm 1939 cho việc phát minh và phát triển cyclotron cũng như các kết quả đạt được với nó.

Máy cyclotron châu Âu đầu tiên được chế tạo ở Liên Xô tại khoa vật lý của Viện Radium VG Khlopin ở Leningrad, do Vitaly Khlopin đứng đầu. Máy móc Leningrad này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1932 bởi George Gamow và Lev Mysovskii và được lắp đặt và đi vào hoạt động vào năm 1937.

Hai cyclotron được chế tạo ở Đức Quốc xã. Cái đầu tiên được chế tạo vào năm 1937, trong phòng thí nghiệm của Otto Hahn tại Viện Kaiser Wilhelm ở Berlin, và cũng được Rudolf Fleischmann sử dụng. Đây là máy cyclotron đầu tiên có hệ số nhân Greinacher để tăng điện áp lên 2,8 MV và dòng điện 3 mA. Một cyclotron thứ hai được chế tạo ở Heidelberg dưới sự giám sát của Walther Bothe và Wolfgang Gentner, với sự hỗ trợ từ Heereswaffenamt, và bắt đầu hoạt động vào năm 1943.

Vào cuối những năm 1930, rõ ràng là có một giới hạn thực tế đối với năng lượng chùm tia có thể đạt được với thiết kế cyclotron truyền thống, do ảnh hưởng của thuyết tương đối đặc biệt. Khi các hạt đạt tốc độ tương đối tính, khối lượng hiệu dụng của chúng tăng lên, điều này làm cho tần số cộng hưởng của một từ trường nhất định thay đổi. Để giải quyết vấn đề này và đạt được năng lượng chùm tia cao hơn bằng cách sử dụng cyclotron, hai phương pháp chính đã được thực hiện, synchrocyclotron (giữ từ trường không đổi, nhưng giảm tần số gia tốc) và cyclotron đẳng thời (giữ tần số gia tốc không đổi, nhưng thay đổi từ trường).

Nhóm của Lawrence đã chế tạo một trong những synchrocyclotron đầu tiên vào năm 1946. Chiếc máy này cuối cùng đã đạt được năng lượng chùm tối đa là 350 MeV đối với proton. Tuy nhiên, synchrocyclotron chịu cường độ chùm tia thấp (< 1 µA) và phải được vận hành ở chế độ "xung", làm giảm thêm tổng chùm tia khả dụng. Do đó, chúng nhanh chóng bị các cyclotron đẳng thời vượt mặt về mức độ phổ biến.

Cyclotron đẳng thời đầu tiên (không phải là các nguyên mẫu được phân loại) được chế tạo bởi F. Heyn và KT Khoe ở Delft, Hà Lan, vào năm 1956. Các cyclotron đẳng thời ban đầu bị giới hạn ở năng lượng ~50 MeV mỗi nucleon, nhưng khi chế tạo và thiết kế kỹ thuật dần dần được cải thiện, việc chế tạo các cyclotron "khu vực xoắn ốc" cho phép tăng tốc và điều khiển các chùm tia mạnh hơn. Những phát triển sau này bao gồm việc sử dụng các nam châm siêu dẫn mạnh hơn và tách các nam châm thành các khu vực riêng biệt, trái ngược với một nam châm lớn duy nhất.

Cấu tạo

thumb|center|upright=2.8|Sơ đồ của một cyclotron. Các mảnh cực của nam châm được hiển thị nhỏ hơn trong thực tế; chúng thực sự phải rộng ít nhất bằng các điện cực gia tốc ("dee") để tạo ra một trường đồng nhất.

Nguyên lý hoạt động

thumb|upright=2.5|Hình minh họa máy gia tốc tuyến tính, cho thấy khoảng cách ngày càng tăng giữa các khoảng trống. right|thumb|Sơ đồ hoạt động của cyclotron từ bằng sáng chế năm 1934 của Lawrence. Các [[điện cực hình chữ "D" (trái) được đặt trong một buồng chân không phẳng, được lắp đặt trong một khe hẹp giữa hai cực của một nam châm lớn (phải).]]

Trong máy gia tốc hạt, các hạt tích điện được gia tốc bằng cách đặt một điện trường qua một khe hở. Lực tác dụng lên hạt đi qua khe này được cho bởi định luật lực Lorentz:

trong đó: là điện tích trên hạt, là điện trường, là vận tốc của hạt và là mật độ từ thông. Không thể gia tốc các hạt chỉ bằng từ trường tĩnh, vì lực từ luôn tác dụng vuông góc với hướng chuyển động, và do đó chỉ có thể thay đổi hướng của hạt chứ không thể thay đổi tốc độ.

Trong thực tế, cường độ của một điện trường không thay đổi có thể đặt qua một khe hở bị giới hạn bởi nhu cầu tránh sự đánh thủng tĩnh điện.  Như vậy, các máy gia tốc hạt hiện đại sử dụng điện trường (tần số vô tuyến) xoay chiều để tăng tốc. Do trường xoay chiều ngang qua một khe hở chỉ cung cấp gia tốc theo hướng thuận trong một phần chu kỳ của nó, nên các hạt trong máy gia tốc RF di chuyển theo chùm, thay vì dòng liên tục. Trong máy gia tốc hạt tuyến tính, để một chùm "nhìn thấy" điện áp chuyển tiếp mỗi khi nó đi qua một khe hở, các khe hở phải được đặt ngày càng xa nhau, để bù cho tốc độ ngày càng tăng của hạt.

Ngược lại, một cyclotron sử dụng một từ trường để bẻ cong quỹ đạo của các hạt thành hình xoắn ốc, do đó cho phép sử dụng cùng một khoảng trống nhiều lần để tăng tốc một chùm đơn lẻ. Khi chùm xoắn ốc hướng ra ngoài, khoảng cách ngày càng tăng giữa các lần đi qua của khoảng trống được cân bằng chính xác với sự gia tăng tốc độ, do đó, mỗi lần một chùm sẽ đến được khoảng cách tại cùng một điểm trong chu kỳ RF.

Tần số mà một hạt sẽ quay quanh trong một từ trường vuông góc được gọi là tần số cyclotron, và trong trường hợp phi tương đối tính, chỉ phụ thuộc vào điện tích và khối lượng của hạt, và cường độ của từ trường:

trong đó: là tần số (tuyến tính), là điện tích của hạt, là độ lớn của từ trường vuông góc với mặt phẳng mà hạt đang chuyển động và là khối lượng của hạt. Tính chất mà tần số không phụ thuộc vào vận tốc của hạt là thứ cho phép sử dụng một khe hở duy nhất, cố định để gia tốc một hạt chuyển động theo hình xoắn ốc.

Nguyên lý cyclotron

Giả sử lúc đầu ta có một hạt mang điện tích dương xuất phát từ một điểm rất gần với tâm máy cyclotron và đi vào một hộp. Người ta phải điều chỉnh nguồn điện để cho lúc đó cái hộp ấy tích điện âm, còn hộp còn lại tích điện dương. Lúc này lực Lorentz xuất hiện và làm cho hạt chuyển động theo nửa đường tròn trong hộp có điện tích âm. Khi hộp vừa đến cạnh thẳng của cái hộp đó thì nguồn đổi chiều, tức là hộp này mang điện tích âm bây giờ thì mang điện tích dương và ngược lại. Vì vậy, khi đi vào khoảng hẹp giữa hai cạnh thẳng của chúng, điện trường sẽ tăng tốc cho hạt. Và tiếp theo, nó lại di chuyển sang hộp kia vừa mang điện tích âm và lực Lorentz lại làm nhiệm vụ như trên. Nhưng thay vì như cũ, bán kính của nửa đường tròn quỹ đạo lúc này lớn hơn trước. Cần biết một điều rằng, vận tốc của hạt càng lớn thì bán kính quỹ đạo càng lớn. Tuy vậy,thời gian chuyển động của hạt mang điện mà ta đang xét tới thì lại không phụ thuộc vào quỹ đạo. Thế nên, người ta điều chỉnh sao cho chu kỳ thay đổi cực của nguồn điện bằng 2 lần thời gian chuyển đông trên mỗi nửa đường tròn của hạt mang điện. Thế là quỹ đạo của hạt trong mỗi hộp có bán kính tăng dần, những khi hạt đi vào khoảng hẹp thì điện trường ở đó thay đổi chiều (như đã nói ở trên), làm cho hạt được tăng tốc. Vì hạt được tăng tốc nhiều lần nên dần dần nó thu được vận tốc lớn.

Tuy có hữu ích như vậy, nhưng máy cyclotron có một nhược điểm mà hầu như máy gia tốc nào cũng mắc phải, đó là khi vận tốc của hạt rất lớn, do hiệu ứng tương đối tính, hạt có khối lượng thay đổi. Khi đó chu kỳ quay sẽ không cùng pha với hiệu điện thế của nguồn điện. Vì vậy, máy cyclotron chỉ có thể tăng tốc cho hạt tới một giới hạn nhất định nào đó.

Năng lượng hạt

Mỗi khi một hạt đi qua khe gia tốc trong cyclotron, nó được cung cấp một lực gia tốc bởi điện trường ngang qua khe, và năng lượng tổng thu được của hạt có thể được tính bằng cách nhân mức tăng trên mỗi lần đi qua với số lần hạt đi qua khe đó. khoảng cách.

Hệ số K

Trong phép tính gần đúng phi tương đối tính, động năng cực đại trên mỗi khối lượng nguyên tử của một cyclotron đã cho được tính bởi:

trong đó: $e$ là điện tích cơ bản, $B$ là sức mạnh của nam châm, $r\_\{\backslash max\}$ là bán kính tối đa của chùm tia, $m\_a$ là một đơn vị khối lượng nguyên tử, $Q$ là điện tích của các hạt chùm tia, và $A$ là khối lượng nguyên tử của các hạt chùm tia. Giá trị của K được tính theo công thức:

Giá trị này được gọi là "hệ số K" và được sử dụng để mô tả năng lượng chùm tia cực đại của cyclotron. Nó đại diện cho năng lượng cực đại theo lý thuyết của các proton (với Q và A bằng 1) được gia tốc trong một cỗ máy nhất định.

Quỹ đạo hạt

thumb|Quỹ đạo theo sau bởi một hạt trong cyclotron xấp xỉ với [[đường xoắn ốc Fermat.]]

Trong khi quỹ đạo theo sau bởi một hạt trong cyclotron thường được gọi là "xoắn ốc", nó được mô tả chính xác hơn là một loạt các cung có bán kính không đổi. Tốc độ hạt, và do đó bán kính quỹ đạo, chỉ tăng ở những khoảng trống gia tốc. Rời xa các vùng đó, hạt sẽ quay quanh (theo một xấp xỉ đầu tiên) ở một bán kính cố định.

Tuy nhiên, một hình xoắn ốc đơn giản có thể là một xấp xỉ hữu ích. Coi hạt nhận được năng lượng trong mỗi vòng quay thì năng lượng của nó sau vòng quay sẽ là:

Kết hợp nó với phương trình động năng của một hạt trong cyclotron cho công thức:

Đây là phương trình của một đường xoắn ốc Fermat.

Ổn định và lấy nét

Khi một chùm hạt di chuyển xung quanh một cyclotron, hai hiệu ứng có xu hướng làm cho các hạt của nó lan rộng ra. Đầu tiên chỉ đơn giản là các hạt được bơm vào từ nguồn ion có một số vị trí và vận tốc ban đầu. Sự lan truyền này có xu hướng được khuếch đại theo thời gian, làm cho các hạt di chuyển ra khỏi tâm chùm. Thứ hai là lực đẩy lẫn nhau của các hạt chùm tia do điện tích của chúng. Giữ cho các hạt hội tụ để tăng tốc đòi hỏi phải giới hạn các hạt trong mặt phẳng gia tốc (tiêu điểm trong mặt phẳng hoặc "dọc"), ngăn không cho chúng di chuyển vào trong hoặc ra ngoài khỏi quỹ đạo chính xác của chúng ("ngang" lấy nét) và giữ cho chúng được đồng bộ hóa với chu kỳ trường RF đang tăng tốc (lấy nét theo chiều dọc). Sự thay đổi cường độ trường được cung cấp bằng cách định hình lõi thép của nam châm thành các cung.

Việc lấy nét "ngang" xảy ra như một kết quả tự nhiên của chuyển động cyclotron. Vì đối với các hạt giống hệt nhau chuyển động vuông góc với một từ trường không đổi, bán kính cong quỹ đạo chỉ là một hàm của tốc độ của chúng, nên tất cả các hạt có cùng tốc độ sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn có cùng bán kính và hạt có quỹ đạo hơi sai sẽ đơn giản chuyển động trong một vòng tròn với một tâm hơi lệch. So với một hạt có quỹ đạo ở tâm, một hạt như vậy dường như trải qua một dao động ngang so với hạt ở tâm. Dao động này ổn định đối với các hạt có độ lệch nhỏ so với năng lượng tham chiếu.

Phân loại

Các loại cyclotron

Có một số loại cyclotron cơ bản:

Các loại chùm tia

Các hạt cho chùm cyclotron được tạo ra trong các nguồn ion thuộc nhiều loại khác nhau.

Các loại mục tiêu

Để sử dụng chùm cyclotron, nó phải được hướng tới mục tiêu.

Cách sử dụng

thumb|upright|Một cyclotron hiện đại được sử dụng cho [[trị liệu bức xạ. Nam châm được sơn màu vàng.]]

Nghiên cứu cơ bản

Trong nhiều thập kỷ, cyclotron là nguồn cung cấp chùm năng lượng cao tốt nhất cho các thí nghiệm vật lý hạt nhân. Với sự ra đời của synchrotron hội tụ mạnh, cyclotron được thay thế thành máy gia tốc có khả năng tạo ra năng lượng cao nhất.

Sử dụng y tế

Sản xuất đồng vị phóng xạ

Các chùm cyclotron có thể được sử dụng để bắn phá các nguyên tử khác để tạo ra các đồng vị có thời gian sống ngắn với nhiều ứng dụng y tế, bao gồm chụp ảnh y tế và trị liệu bức xạ. Các đồng vị phát positron và gamma, chẳng hạn như fluor-18, carbon-11 và techneti-99m được sử dụng cho chụp ảnh PET và SPECT. Trong khi các đồng vị phóng xạ do cyclotron sản xuất được sử dụng rộng rãi cho mục đích chẩn đoán, thì việc sử dụng điều trị phần lớn vẫn đang được phát triển. Các đồng vị được đề xuất bao gồm astatin-211, paladi-103, rheni-186 và brom-77.

Liệu pháp chùm tia

Gợi ý đầu tiên rằng các proton năng lượng có thể là một phương pháp điều trị hiệu quả được Robert R. Wilson đưa ra trong một bài báo xuất bản năm 1946 khi ông tham gia thiết kế Phòng thí nghiệm Cyclotron Harvard.

Chùm từ cyclotron có thể được sử dụng trong liệu pháp hạt để điều trị ung thư. Các chùm ion từ cyclotron có thể được sử dụng, như trong liệu pháp proton, để thâm nhập vào cơ thể và tiêu diệt các khối u do tổn thương bức xạ, đồng thời giảm thiểu tổn thương cho các mô khỏe mạnh trên đường đi của chúng.

Tính đến năm 2020, có khoảng 80 cơ sở trên toàn thế giới dành cho trị liệu bức xạ sử dụng chùm proton và ion nặng, bao gồm hỗn hợp cyclotron và synchrotron. Cyclotron chủ yếu được sử dụng cho các chùm proton, trong khi synchrotron được sử dụng để tạo ra các ion nặng hơn.

Ưu điểm và hạn chế

thumb|M. Stanley Livingston và [[Ernest O. Lawrence (phải) trước máy cyclotron của Lawrence tại Phòng thí nghiệm Bức xạ Lawrence. Khung kim loại uốn cong là lõi của nam châm, các hộp hình trụ lớn chứa các cuộn dây tạo ra từ trường. Buồng chân không chứa các điện cực "dee" nằm ở trung tâm giữa các cực của nam châm.]]

Ưu điểm rõ ràng nhất của máy cyclotron so với máy gia tốc tuyến tính là do khoảng cách gia tốc giống nhau được sử dụng nhiều lần nên nó tiết kiệm không gian hơn và tiết kiệm chi phí hơn; các hạt có thể được đưa đến năng lượng cao hơn trong không gian ít hơn và với ít thiết bị hơn. Sự nhỏ gọn của cyclotron cũng làm giảm các chi phí khác, chẳng hạn như nền móng, che chắn bức xạ và tòa nhà bao quanh. Cyclotron có một trình điều khiển điện duy nhất, giúp tiết kiệm cả chi phí thiết bị và điện năng. Hơn nữa, cyclotron có thể tạo ra chùm hạt liên tục vào mục tiêu, do đó công suất trung bình truyền từ chùm hạt vào mục tiêu tương đối cao so với chùm xung của synchrotron.

Tuy nhiên, như đã thảo luận ở trên, phương pháp gia tốc tần số không đổi chỉ có thể thực hiện được khi các hạt được gia tốc xấp xỉ tuân theo các định luật chuyển động của Newton. Nếu các hạt trở nên đủ nhanh để các hiệu ứng tương đối tính trở nên quan trọng, thì chùm tia sẽ lệch pha với điện trường dao động và không thể nhận thêm bất kỳ gia tốc nào. Do đó, cyclotron cổ điển (trường và tần số không đổi) chỉ có khả năng gia tốc các hạt lên tới vài phần trăm tốc độ ánh sáng. Đồng bộ, đẳng thời và các loại cyclotron khác có thể khắc phục hạn chế này, với sự đánh đổi về độ phức tạp và chi phí tăng lên.

Một hạn chế nữa của cyclotron là do hiệu ứng điện tích không gian – lực đẩy lẫn nhau của các hạt trong chùm tia. Khi lượng hạt (dòng chùm) trong chùm cyclotron tăng lên, tác động của lực tĩnh điện ngày càng mạnh cho đến khi chúng phá vỡ quỹ đạo của các hạt lân cận. Điều này đặt ra một giới hạn chức năng đối với cường độ chùm tia, hoặc số lượng hạt có thể được gia tốc cùng một lúc, khác với năng lượng của chúng.

Ví dụ đáng chú ý

Công nghệ liên quan

Chuyển động xoắn ốc của các electron trong một buồng chân không hình trụ trong một từ trường ngang cũng được sử dụng trong máy phát cao tần (magnetron, một thiết bị tạo ra sóng vô tuyến tần số cao (vi ba). Trong máy phát cao tần, các electron bị từ trường uốn cong thành một đường tròn và chuyển động của chúng được sử dụng để kích thích các khoang cộng hưởng, tạo ra bức xạ điện từ.

Một betatron sử dụng sự thay đổi trong từ trường để tăng tốc các electron theo đường tròn. Mặc dù từ trường tĩnh không thể tạo ra gia tốc, vì lực luôn tác dụng vuông góc với hướng chuyển động của hạt, nhưng trường thay đổi có thể được sử dụng để tạo ra lực điện động theo cách tương tự như trong máy biến áp. Betatron được phát triển vào năm 1940, mặc dù ý tưởng này về cơ bản đã được đề xuất sớm hơn.

Trong tiểu thuyết

Bộ Chiến tranh Hoa Kỳ đã nổi tiếng yêu cầu rút các nhật báo về truyện tranh Siêu nhân vào tháng 4 năm 1945 vì đã để Siêu nhân bị bắn phá bằng bức xạ từ một cyclotron.

Trong bộ phim Biệt đội săn ma năm 1984, một cyclotron thu nhỏ tạo thành một phần của gói proton được sử dụng để bắt ma.