syklotron

Syklotronen i dens opprinnelige utforming består av en stor magnet med sirkulære, parallelle polsko (se figur til høyre). Mellom polene er det to metallbokser som på grunn av D-formen kalles de-er. De-ene er isolert fra hverandre, skilt med et kort gap og koblet inn som en kondensator i en høyfrekvent oscillatorkrets.

En ladet partikkel som oppholder seg inne i en av de-ene, vil på grunn av magnetfeltet avbøyes på tvers av sin bevegelsesretning og bevege seg i en sirkelbane uten å forandre sin energi. Baneradien er proporsjonal med partikkelens hastighet. I gapet mellom de-ene påvirkes partikkelen dessuten av et elektrisk felt og får en akselerasjon i feltets retning.

Partikler sendes med liten hastighet ut fra en ionekilde nær senteret av magnetfeltet. Etter å ha gjennomløpt en halvsirkelbane inne i den ene de-en, kommer de ut i gapet og vil, hvis det elektriske feltet har riktig retning, øke sin energi før de går inn i den andre de-en og begynner på en ny halvsirkel (se stiplet linje i figuren). I løpet av den tiden det tar før partiklene på ny er tilbake i gapet, vendes det elektriske feltet. Derved blir partiklene akselerert også neste gang, og prosessen gjentas idet feltet vendes regelmessig for hvert halve omløp til partiklene.

Prosessen er mulig fordi baneradien er proporsjonal med hastigheten, og omløpsfrekvensen derfor ikke forandrer seg med økende partikkelenergi. Den riktige skiftingen av retningen på feltet oppnås ved å gjøre oscillatorfrekvensen lik partiklenes omløpsfrekvens; derav navnet resonansakselerator.

Hvis partikkelens ladning er Ze, massen M og magnetfeltets styrke B, blir omløpsfrekvensen f = ZeB/2πM. Når de to frekvensene er like, vil partikler som er kommet inn i riktig fase, fortsette å øke sin energi så lenge de beveger seg inne i magnetfeltet. Siden energien øker, øker også baneradien, og banen blir spiralformet. Når de når kanten av magnetfeltet, blir de avbøyd av et elektrisk felt fra en plate, deflektoren, og går som en stråle ut fra maskinen.

Den energi partiklene oppnår, er bestemt ved magnetfeltets styrke og den maksimale baneradius. Men ved store hastigheter vil partiklenes masse øke på grunn av relativistiske effekter (se relativitetsteori) og omløpsfrekvensen blir ikke lenger konstant. Dette gir en øvre grense for energien på partikler fra en tradisjonell syklotron ved ca. 10 MeV (millioner elektronvolt) for protoner og ca. 40 MeV for alfapartikler. For å kunne oppnå høyere energier er det konstruert en rekke forskjellige varianter av syklotronen.

Mikrotronen eller elektronsyklotronen brukes for å akselerere elektroner til en energi på opptil 30 MeV. På grunn av sin lille masse beveger elektronene seg stort sett med nesten konstant hastighet meget nær lyshastigheten, mens baneradius og omløpsfrekvens i et homogent magnetfelt øker med økende energi. I mikrotronen sørger man for at omløpsfrekvensen alltid blir et helt antall ganger oscillatorfrekvensen, idet man for hvert omløp øker energien så mye at denne betingelsen på ny blir oppfylt. Mikrotronen brukes for å frembringe sekundær røntgen- og gammastråling for bruk ved medisinsk behandling.

I synkrosyklotronen,den frekvensmodulerte syklotronen, kompenserer man for den relativistiske masseøkningen og den tilsvarende avtagende omløpsfrekvensen ved økende energi ved å la oscillatorfrekvensen avta tilsvarende. Man synkroniserer oscillatorfrekvensen med omløpsfrekvensen.

Den sektorfokuserende syklotronen avviker fra den tradisjonelle ved at magnetfeltet ikke er homogent, men utformet som sektorer med vekslende sterkere og svakere felt. Partiklene går da ikke i sirkelbaner, men pendler omkring disse, og man kan med riktig utforming av feltet oppnå konstant omløpsfrekvens også når partiklenes masse øker. Den nøyaktige utformingen av feltet forutsetter nøyaktige og kompliserte beregninger.

Den maksimale energi for synkrosyklotroner og sektorfokuserende syklotroner er bestemt av størrelsen på den kompakte magneten. Ved en protonenergi på 500 MeV blir baneradien ca. 2 m, og vekten av magneten av størrelsen 2000 tonn, en grense som det av prismessige grunner er vanskelig å overstige vesentlig. Sektorfokuserende syklotroner med superledende magneter er bygd for energier på 500–800 MeV. De blir vesentlig mindre og rimeligere enn tilsvarende syklotroner med jernkjerne. For energier over 1000 MeV brukes ikke syklotroner, men ringformede akseleratorer, se synkrotron.

Syklotronens viktigste anvendelsesområde er innen kjernefysisk forskning. Spesielt har de sektorfokuserende syklotronene stor anvendelse innen dette feltet. Syklotroner med spesielle utforminger brukes alene eller i kombinasjon med andre akseleratorer, for eksempel som forakselerator for synkrotroner, innen kjerne- og elementærpartikkelfysikk.

Syklotronen er den akseleratoren som har vist seg best egnet for å gi sterk strøm av partikler med høy energi. Den anvendes derfor for produksjon av radionuklider som benyttes ved radiologiske undersøkelser innen medisin, fysiologi, biologi, kjemi og materialteknikk. Flere sykehus har anskaffet egne syklotroner hvor de brukes for produksjon av radionuklider med så kort halveringstid at de må produseres på det stedet de skal brukes.

Universitetet i Oslo fikk i 1979 sin første syklotron. Det er en sektorfokuserende maskin med variabel energi, opptil 35 MeV for protoner og alfa-partikler og 47 MeV for ³He-ioner. Syklotronen blir brukt til kjernefysiske strukturundersøkelser og for å produsere radionuklider som blant annet brukes til medisinsk diagnostikk og til materialundersøkelser.

• akselerator
• synkrotron
• magnetisk felt

• Syklotronlaboratoriet ved UiO