Магнитная структура циклотрона

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 
 

Введение

История развития ускорителей

Циклотрон 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение.

   Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых другими заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным. Ускорители заряженных частиц следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

     Ускорители заряженных частиц — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в других областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителей заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообрабатывающей промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, для «бескровной хирургии», для получения трековых мембран и в ряде других отраслей.

1 История развития ускорителей.

     Толчком к развитию ускорителей заряженных частиц послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (в 1919г. Э. Резерфордом обнаружен протон в реакции: ) с помощью потока α - частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.

     В 1931 американским физиком Р. Ван-де-Граафом  был построен электростатический генератор, а в 1932 английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор. В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, — расщепление ядра лития протонами.

     Период 1931—1944 — время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при  котором ускоряемые частицы многократно  проходят ускоряющий промежуток, набирая  большую энергию даже при умеренном  ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклические ускорители — циклотроны (Э. О. Лоуренс).

     Разработка  ускорителей современного типа началась с 1944, когда физики В. И. Векслер и независимо от него (несколько позже) Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц.

     Вначале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (американские учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных ускорителях заряженных частиц. В 1956г. Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.

2 Циклотрон.

Циклотрон  —  циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов). Частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты. 

2.1 Принцип действия

      В циклотроне, ускоряемые тяжёлые частицы из инжектора, помещаются в камеру в области её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона. При не слишком больших скоростях эта частота не зависит от радиуса окружности и скорости частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же промежуток времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения превращается в плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. 
 
 

2.2 Основные компоненты.

      Магнит.

      Магниты ускорителей, строились всевозможных размеров, относительные величины которых в разных измерениях значительно отличаются друг от друга, поэтому установка с наибольшим диаметром полюсов не обязательно является самой тяжелой. Первоначальные эксперименты были проведены на магнитах диаметром 10 и позже 28 см. Обычно магниты ускорителей классифицируют по диаметру полюсных наконечников независимо от размера наибольшей замкнутой орбиты. Величина магнитного поля большей частью выбирается в пределах от 1,4 до 1,8 Тл, хотя есть машины, в которых она составляет 0,6 или 2 Тл.

                           

Рис.1. Вакуумная камера диамет -                               Рис.2. Вакуумная камера и дуант

ром 10 см с одним  дуантом была                                Берклеевского циклотрона с диа-

использована М.С. Ливингстоном                              метром полюсов 28 см, на кото-

в 1931 г. для демонстрации справи -                           ром в 1931 г. были получены по-  

дливости принципа работы циклотрона.                   лучены протоны с энергией 1,2               

                                                                                        МэВ 

Магниты в основном имеют двухяремную конструкцию: две вертикальные боковые стойки расположены между верхним и нижним горизонтальными блоками, к которым прикреплены цилиндрические полюса. Полюсные наконечники иногда бывают отчасти скошенными до меньшего диаметра. Если же машина настолько большая, что каждая из этих шести основных частей не может быть сделана из одной поковки, то они делаются в виде сборных конструкций из как можно более тяжелых деталей. Для обеспечения  параллельности и соосности полюсных наконечников соприкасающиеся поверхности деталей магнита должны быть обработаны с большой точностью. Обычно ось полюсов вертикальна, так что орбиты лежат в горизонтальной плоскости.

Протонный циклотрон  для медицинских применений.

Обмотки возбуждения магнита.

      Обмотки возбуждения для машин с диаметром полюсов около 150 см обычно изготавливают отдельно и укладывают их в кожуха, а затем ставят в рабочее положение вокруг полюсов уже собранного магнита и закрепляют. Иногда при  этом снимают полюсные наконечники, чтобы освободить пространство для введения катушек. При монтаже очень больших машин вокруг полюсов воздвигается временный повторный стол, и намотка катушек производится непосредственно на месте. Обмотки часто изготавливаются из медной или алюминиевой проволоки прямоугольного или квадратного сечения с внутренним каналом для охлаждения воды. Изоляцию витков обычно делают из бумаги, заполняя пространство между слоями какой-либо феноловой смолой. В некоторых случаях используются сплошные проводники, а тепло отводится посредством охлаждаемых водой дисков, расположенных между витками. Иногда намотка катушек делается с небольшими зазорами, а охлаждение ее производится циркулирующим маслом. Если витки катушек соединить не последовательно, а каким- либо смешанным способом, то число ампер-витков в верхней и нижней катушках может быть неодинаковым из-за того, что в процессе изготовления проводников для обмоток рабочие поверхности оборудования изнашиваются и, как следствие этого, площадь поперечного сечения проводников меняется. Отличие в ампер-витках вызовет смещение медианной плоскости магнитного поля относительно средней геометрической. Такое положение может быть исправлено шунтированием соответствующих частей обмоток. Твердо установленных норм на количество материала обмоток, приходящегося на 1 кг железа магнита, не существует; отношение веса железа к весу меди меняется в пределах от 29 до 4,5. Большее постоянство наблюдается в значении отношения весов железа и алюминия, которое выдерживается близким к 10. Такое различие обусловлено конструктивными соображениями, либо сравнительной величиной капитальных затрат и эксплуатационных расходов.  

Вакуумная Камера. 

  В небольших циклотронах вакуумная  камера обычно представляет собой коробку из латуни, бронзы или нержавеющей стали, с крышками в виде дисков из железа, которые непосредственно входят в магнитную цепь. Эти крышки должны быть достаточно толстыми, чтобы они заметно не прогибались под совместным действием магнитного поля и атмосферного давления. В циклотроне с диаметром полюсов 150 см их толщина достигает 12—13 см. В больших машинах вся внутренняя поверхность камеры покрывается охлаждаемыми водой медными листами, так называемая плакировка или обшивка, так. как эта поверхность образует часть резонансной цепи. Для установок на небольшую энергию обычно бывает достаточным меднение всех железных поверхностей.

Полная  высота собранной камеры на 3—5 см меньше зазора между полюсами магнита. Когда камера установлена на место на три небольших латунных подставки, то между внешними поверхностями крышек и полюсными наконечниками магнита остаются одинаковой высоты зазоры для шиммирования. В эти зазоры могут быть помещены симметрично расположенные диски различных диаметров из листового железа для создания наиболее подходящего спада магнитного поля по радиусу. С этой же целью к внутренней поверхности крышек часто прикрепляют шиммы в виде так называемых колец Розе, представляющих собой железные кольца толщиной от 6 до 12 мм и шириной от 25 до 50 мм, помещаемые на различных радиусах вблизи края магнита. Они обеспечивают уменьшение спада магнитного поля в этой области, что дает возможность увеличить диаметр последней рабочей орбиты. В ряде случаев при условии тщательного изучения топографии магнитного поля на масштабной модели магнита профиль шимм непосредственно вытачивается на .крышках. В зазор могут также помещаться несимметричные куски железных листов, если поле внутри камеры азимутально неоднородно или искажена медианная плоскость. Это может быть связано с необнаруженными раковинами внутри металлаполюсов, различием в качестве железа или невозможностью затянуть полностью крепежные болты из-за их низкого качества. Когда оптимальное положение таких локальных шимм найдено, их приклепывают к вдвигаемым в зазор для шиммирования алюминиевым листам для того, чтобы можно было легко устанавливать их в правильном положении после каждого перемещения вакуумной камеры.

В настоящее  время никогда не пытаются запустить  в работу циклотрон без предварительного тщательного измерения магнитного поля и коррекции всех неоднородностей с точностью до сотых долей процента. Раньше необходимость этого не была известна, так как не была развита теория движения ускоряемых частиц. После каждой повторной сборки вакуумной камеры почти всегда занимались шиммированием магнитного поля, которое заключалось в практически бессистемном размещении в зазоре для шиммирования железных листов произвольной формы да тех пор, пока не получали наилучшие характеристики пучка ускоренных частиц. Так как эти шиммы можно было передвигать только в отсутствие магнитного поля, то это был длительный процесс, отнимающий по крайней мере часы, а иногда и дни. Эта работа усложнялась еще и тем, что не всегда согласовывалось оптимальное размещение шимм с положением ионного источника. При этом часто различные комбинации могли быть одинаково удовлетворительными.