Ciklotronas: kas tai? Dalyelių greitintuvo apibrėžimas ir veikimas

Sužinokite, kas yra ciklotronas, kaip veikia dalelių greitintuvas, jo istorija, veikimo principas ir praktinė taikymo sritis mokslui bei medicinai.

Autorius: Leandro Alegsa

11-01-2026 04:03

Ciklotronas yra dalelių greitintuvas, kurį 1930 m. išrado Ernestas Lawrence'as iš Kalifornijos universiteto Berklyje. Jis pagreitina įkrautas daleles sukdamas jas ratu. Pirmieji ciklotronai buvo plaštakos dydžio. Kai kurie šiuolaikiniai žiediniai greitintuvai naudoja tokio pločio apskritimą kaip miestas.

Ciklotronai naudoja statmeną magnetinį lauką elektronams ir dalelėms išlenkti į pusapskritimio formos kelią veikiant elektriniam laukui. Taikomas elektrinis laukas pagreitina elektronus tarp "D" elektrodų (dar vadinamų "dees") magnetinio lauko srityje.

Greitinantis elektrinis laukas pasikeičia kaip tik tuo metu, kai elektronai užbaigia savo pusiaukelę, todėl jis pagreitina juos per tarpą. Didesniu greičiu jie juda didesniu puslankiu. Kelis kartus pakartoję šį procesą, jie dideliu greičiu išeina iš išėjimo angos.

Kaip tai veikia paprasčiau

Veikimo esmė — derinys tarp nuolatinio magnetinio lauko, kuris priverčia daleles judėti apskritime, ir kintamo elektrinio lauko, kuris kiekvieną kartą perėjus tarp “D” elektrodų jas pagreitina. Kiekvieną pusapskritimį dalelė įveikia būdama lauke, o artėjant prie tarpo tarp elektrodų suaktyvėja elektrovariklis (RF), suteikiantis papildomą energiją. Dėl to spindulys palaipsniui išeina į didesnį apskritimą ir galiausiai išvedamas per ekstrakcijos sistemą.

Pagrindiniai komponentai

Magnetas — sukuria pastovų magnetinį lauką, kuris laiko daleles žiede.
"D" elektrodai (dees) — du pusapvaliai elektriniai elektrodai, tarp kurių veikia kintamas RF laukas.
Jonų šaltinis — gamina įkrautas daleles (jonus arba protonus), kurias reikia pagreitinti.
RF generatorius — sukuria kintamą elektrinį lauką, sinchronizuotą su dalelių judėjimu.
Vakuuminė kamera — užtikrina, kad dalelės juda be susidūrimų su dujomis.
Ekstrakcijos sistema — nukreipia pagreitintas daleles į taikinius ar eksperimentines linijas.

Fizikos principai ir svarbios savybės

Be detalios matematikos, svarbu žinoti, kad ciklotrono veikimo dažnis (taip vadinama ciklotrono dažnis arba ciklotroninė dažnis) nepriklauso nuo dalelės spindulio priklausomybės, jei dalelė juda neperžengus reliatyvistinių greičių. Šis dažnis yra proporcingas dalelės krūviui ir magnetinio lauko stiprumui, o atvirkščiai proporcingas masės dydžiui. Praktikoje tai leidžia naudoti pastovų RF dažnį ir taip sutaupyti energetinę sudėtingumą.

Ribojimai ir adaptacijos

Tradiciniai ciklotronai turi svarbią ribą — kai dalelės artėja prie šviesos greičio, jų efektyvi masė didėja (reliatyvistinis efektas) ir jos nebeatitinka RF lauko sinchronizacijos. Dėl to klasikiniai ciklotronai yra efektyvūs iki tam tikrų energijų (dažniausiai dešimčių MeV lygmenyse). Norint pasiekti aukštesnes energijas, sukurta keletas variantų:

Synchrocyclotron — keičia RF dažnį, kad kompensuotų reliatyvistinį masės augimą.
Isochronous (sinchroninis) ciklotronas — pritaiko magnetinį lauką taip, kad kelionės laikas išliktų pastovus, net didėjant greičiui.
AVF (azimuthally varying field) ciklotronas — naudoja vietiškai kintantį magnetinį lauką fokusavimui ir didesnėms energijoms pasiekti.

Panaudojimas

Medicina: radioizotopų gamyba diagnostikai (pvz., PET) ir protonų terapija vėžio gydymui.
Moksliniai tyrimai: branduolinės fizikos, medžiagų mokslo ir dalelių fizikos eksperimentai.
Pramonė: medžiagų modifikavimas, gama spinduliuotės šaltinių gamyba ir kt.

Saugumas ir eksploatavimas

Ciklotronai veikia vakuume, su galingais magnetais ir intensyvia elektromagnetine spinduliuote. Todėl jų eksploatavimas reikalauja:

tinkamos spindulinės apsaugos ir monitoringavimo,
šaldymo sistemų magnetams ir elektronikai,
griežtų procedūrų jonų šaltiniams ir ekstrakcijai,
reguliarių techninių patikrinimų dėl vakuumo ir RF sistemos stabilumo.

Trumpa istorija ir reikšmė

Ernestas Lawrence'as už šio aparato išradimą sulaukė didelio pripažinimo — ciklotronas atvėrė kelią branduolinių reakcijų ir dalelių fizikos tyrimams XX a. viduryje. Nuo mažų laboratorinių įrenginių jis išsivystė iki didelių žiedinių greitintuvų, kurie šiandien vykdo tiek fundamentinius tyrimus, tiek praktines medicinos ir pramonės užduotis.

Santrauka: ciklotronas – tai paprasta, bet galinga idėja: magnetinis laukas priverčia daleles judėti žiedu, o kintamas elektrinis laukas jas po truputį pagreitina. Per dešimtmečius technologijos patobulėjo, atsirado keli ciklotrono variantai, todėl šis prietaisas tebėra svarbus daugelyje sričių nuo mokslo iki sveikatos apsaugos.

Modernus ciklotronas spindulinei terapijai

Ciklotrono dažnis

Ciklotrone judantis krūvis, veikiamas pastovaus magnetinio lauko, judės apskritiminiu keliu. Jei apskaičiuojamas vienos orbitos įveikimo laikas:

T = π 2r v = π 2m v q B v = π 2m q B {\displaystyle T={{\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}} $T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}$ .

Nustatyta, kad periodas nepriklauso nuo spindulio. Todėl, jei kvadratinė banga sklinda kampiniu dažniu qB/m, krūvis spirale sklinda į išorę, didindamas greitį.

Kai tarp abiejų magnetinių polių pusių įjungiama kampinio dažnio ω=qB/m kvadratinė banga, krūvis vėl bus sustiprintas reikiamu metu, kad būtų pagreitintas per tarpą. Taigi pastovus ciklotrono dažnis gali ir toliau greitinti krūvį (kol jis nėra reliatyvistinis).

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra ciklotronas?

Atsakymas: Ciklotronas yra dalelių greitintuvas, kuris pagreitina įkrautas daleles, sukdamas jas ratu.

K: Kas išrado ciklotroną?

A: Ernestas Lawrence'as iš Kalifornijos universiteto Berklyje 1930 m. išrado ciklotroną.

K: Kaip veikia ciklotronas?

A: Ciklotronai naudoja statmeną magnetinį lauką elektronams ir dalelėms išlenkti į pusapskritimio formos kelią veikiant elektriniam laukui. Taikomas elektrinis laukas pagreitina elektronus tarp "D" elektrodų (dar vadinamų "dees") magnetinio lauko srityje. Greitinantis elektrinis laukas pasikeičia kaip tik tuo metu, kai elektronai baigia pusiaukelę, todėl jis pagreitina juos per tarpą. Didesniu greičiu jie juda didesniu puslankiu. Kelis kartus pakartoję šį procesą, jie dideliu greičiu išeina iš išėjimo angos.

Klausimas: Kokio dydžio yra ankstyvieji ciklotronai?

A: Ankstyvieji ciklotronai buvo plaštakos dydžio.

K: Kokio dydžio yra šiuolaikiniai žiediniai greitintuvai?

A: Kai kuriuose šiuolaikiniuose žiediniuose greitintuvuose naudojamas apskritimas, kurio plotis prilygsta miestui.

K: Koks laukas naudojamas ciklotronuose?

A: Ciklotronuose naudojamas statmenas magnetinis laukas, kad elektronai ir dalelės, veikiant elektriniam laukui, būtų išlenkti į pusapskritimį.

K: Kaip ciklotrone pagreitinami elektronai?

A: Elektronai greitinami tarp "D" elektrodų (dar vadinamų "dees") magnetinio lauko srityje veikiant elektriniam laukui.

Ieškoti