Ciklotron

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Prikaz ciklotrona.
Skica Lawrenceovog ciklotrona iz 1934. Ciklotron ubrzava čestice izmjeničnim električnim poljem između dviju elektroda u obliku slova D, smještenih u vakuumskoj komori između polova velikoga i snažnoga magneta.
Lawrencov ciklotron promjera 1,5 metara, iz 1939., kod kojeg se vidi zraka ubrzanih iona (vjerovatno protona ili deuterona) koji ioniziraju okolni zrak stvarajući plavu svjetlost.
Vakuumska komora Lawrencov ciklotrona promjera 686 mm, iz 1932.
Moderni ciklotron koji se koristi za terapiju radijacijom.

Ciklotron (Ernest Orlando Lawrence, 1932.) je akcelerator čestica koji ubrzava čestice izmjeničnim električnim poljem između dviju elektroda u obliku slova D, smještenih u vakuumskoj komori između polova velikoga i snažnoga magneta. Čestice se u konstantnom magnetskom polju, brzinom malenom prema brzini svjetlosti, gibaju kružno frekvencijom koja je određena indukcijom magnetskoga polja ali neovisna o svojoj energiji. Kada se na elektrode dovede električni napon iste frekvencije, čestice počnu sinkrono ulaziti u prostor između elektroda, tako da se pri svakom prolazu ubrzaju. Kako rastu brzina i energija čestica, polumjer se njihove staze povećava i ona je spiralna. Kada snop čestica dosegne rub komore, staza mu se s pomoću stalnog električnog polja svine tako da čestice izlaze iz akceleratora, pa se dobiva vanjski ciklotronski snop. Najveća energija deuterona ubrzanih u klasičnom ciklotronu iznosi oko 25 MeV.

Ciklotron se 1950-ih gradio i u Institutu "Ruđer Bošković" u Zagrebu, gdje je u to doba postojala jaka elektroindustrija na čelu s tvornicama "Rade Končar" i RIZ-om. Idejni je projekt, nakon početnih dogovora iz 1949., razradio T. Bosanac, voditelj gradnje bio je M. Lažanski, a konstrukciju pojedinih većih dijelova vodio je E. Boltezar. Gradnja je trajala do 1961., kada je ciklotron pušten u rad. Promjer njegove ubrzivačke komore bio je 1 400 mm, magnetska indukcija u njoj bila je 1,4 T, a magnet je imao masu 82 tone. Čestice za ubrzavanje, ioni, stvarali su se ionizacijom plina električnim lukom u anodnoj komori. Napon za ubrzavanje čestica davao je visokofrekventni oscilator frekvencije oko 10 MHz, s pomoćnim visokofrekventnim generatorom. Glavna oscilatorska cijev po konstrukciji je vodom hlađena, rastavljiva trioda s uzemljenom rešetkom izrađena prema projektu T. Bosanca. Ciklotron je mogao ubrzati protone do energije od 8 MeV, a deuterone do 16 MeV. Najviše se upotrebljavao za proizvodnju radionuklida za medicinske svrhe (radioterapija). Godine 1973. započela je proizvodnja galijeva radionuklida 67Ga, dvije godine poslije i kriptonova radionuklida 81mKr, oba za medicinsku dijagnostiku, a zatim i drugih radionuklida za znanstvena istraživanja. [1]

Način rada[uredi VE | uredi]

Ciklotron je akcelerator čestica kod koga se projektilima mogu dati umjetnim putem brzine koje odgovaraju električnim naponima od nekoliko milijuna volti pomoću razmjerno niskog napona od nekoliko desetaka tisuća volta.

Glavni dio ciklotrona je jedan golemi elektromagnet među čijim polovima vlada vrlo jako magnetsko polje. U tom se polju nalazi šuplja, hermetički zatvorena kutija u obliku plosnatog valjka od mjedi. Kutija je napunjena rezrijeđenim plinom čije se jezgre upotrebljavaju kao projektili. U toj kutiji nalazi se komora za ubrzavanje koja se sastoji od dviju poluvaljkastih šupljih kutija, takozvana duanata. Oba duanata su odijeljena jedan od drugoga uskim procijepom, širokim oko 3 centimetra. Svaka polovina je dobro međusobno izolirana kao i prema vanjskoj kutiji. Oba su duanata spojena s polovima visokofrekventnog izmjeničnog napona od nekoliko tisuća volti, na primjer oko 40 000 V. Zbog toga u procijepu između tih šupljih polovina vlada izmjenično električno polje kojemu se jakost mijenja s naponom. U sredini procijepa nalazi se užarena žica koja služi kao izvor elektrona. Ti elektroni ioniziraju razrijeđeni plin i stvaraju mnoštvo protona, deuterija ili alfa-čestica, već prema tome da li se u kutiji nalazi obični vodik, teški vodik (deuterij) ili helij.

Zamislimo da je magnetsko polje upereno okomito na ravninu papira. Neka je gornja polovina negativna, a donja pozitivna. Električno polje koje odgovara tom naponu vlada samo u uskom procijepu među objema duantima, dok ga nema u unutrašnjosti duanata. Proton koji se u određenom trenutku nalazi u procijepu, gibat će se pod utjecajem električnog napona i dobivenom brzinom uletjeti u duant gdje nema električnog polja. Kako na njega djeluje i magnetsko polje, to će mu se staza saviti u krug. Frekvencija izmjeničnog napona je baš takva da se smjer napona promijeni u protivan kada proton proleti polovinu svoje kružne staze, to jest kada iz duanta dođe na rub procijepa. Ovdje na proton već djeluje izmijenjeni napon, pa mu poveća brzinu kao prije. S tom povećanom brzinom proton uđe u drugi duant, a magnetsko polje zakrivi mu stazu u polukrug većeg promjera.

Taj se proces nastavlja dalje, i proton dobiva razmjerno toliko energije koliko puta projuri kroz procijep. Ako je na primjer napon među duantima 40 000 V, a proton je proletio sto puta kroz procijep, on će na kraju imati energiju koju bi mu dao napon od 40 000∙100 = 4 000 000 volti. Staza protona ima oblik spirale kojoj su uzvoji sve gušći. Na kraju puta proton dođe do negativne otklonske pločice koja se zove deflektor, pa mu se staza promijeni i on izleti kroz prozorčić od vrlo tankog aluminijskog listića. Na taj način dobiva se iz ciklotrona snažan mlaz čestica koje imaju veliku kinetičku energiju. Takav mlaz projektila ulazi zatim u prostor za istraživanje i udara u pločicu elementa čije atome želimo razbijati. Izlazi li iz ciklotrona mlaz deuterija ili alfa-čestica i stavimo li pred prozorčić tvar iz koje deuterij izbija neutrone (led teške vode, litij ili berilij), dobit ćemo vrlo jaki izvor neutrona.

Ciklotron izrađen u Berkleyu, Kalifornija sadrži 4 000 tona čelika i 300 tona bakra, a daje toliku množinu neutrona koliku bi dalo 49 000 kilograma radija. Svjetska proizvodnja radija prije Drugog svjetskog rata iznosila je 40 grama godišnje. Akceleratori za elektrone zovu se betatroni.

Kad se uranij bombardira neutronima, neutron dosta lako prodire u uranijevu jezgru i ona ga apsorbira. Time se atomska masa povećava za jedinicu i od uranija-238 nastane novi element 239 koji iz sebe izbaci elektron, jer se neutron u jezgri pretvorio u proton. Električni naboj jezgre se povisi za jedinicu i nastane novi, još nepoznati kemijski element u prirodi s rednim brojem 93 i atomskom masom 239. Taj je element dobio ime neptunij. Utvrdilo se da i neptunij nije stabilan, već i on izbacuje iz sebe elektron zbog pretvaranja neutrona u proton. Rezultat je novi element rednog broja 94 i atomske mase 239, a zove se plutonij. Na taj su način ljudi došli do novih elemenata kojih u prirodi nema. Jedanaest elemenata koji po atomskoj masi dolaze iza uranija zovu se transurani. To su 93Np (neptunij), 94Pn (plutonij), 95Am (americij), 96Cm (kirij), 97Bk (berkelij), 98Cf (kalifornij), 99E (ajnštajnij), 100Fm (fermij), 101Md (mendelevij), 102Nb (nobelij), 103Lw (lorensij). [2]

Polumjer zakrivljenosti čestica[uredi VE | uredi]

Ciklotron se sastoji od velikog magneta i dvije polukružne šuplje elektrode koje su smještene između polova magneta (sa malim razmakom jedna od druge), te kada se gledaju odozgo imaju oblik slova D pa se nazivaju D-elektrode. One su priključene na izvor izmjeničnog napona – svaka na jedan pol. Prostor unutar ciklotrona je zrakoprazan (vakuum) kako se čestice koje se ubrzavaju ne bi sudarale i skretale sa putanje. U sredini je izvor čestica. Kada čestica uleti u prostor između elektroda, pušta se električna struja, stvara se električno polje zbog različitog naboja pojedine elektrode te se elektron ubrzava prema onoj suprotnog pola. U samoj elektrodi nema električnog polja te se čestica (elektron, proton) giba polukružno pod utjecajem magnetnog polja. Polumjer gibanja se dobije po jednadžbi:

gdje je: m - masa čestice, B - magnetska indukcija, q - električni naboj čestice, v - brzina čestice.

Kada se čestica primakne izlazu iz elektrode promijeni se polaritet elektroda (izmjeničnim izvorom) te se čestica pod utjecajem električnog polja ubrzava prema suprotnoj elektrodi. Taj proces se neprestano ponavlja. Tijekom vremena čestica se kreće sve brže i s većim polumjerom. Na određenom mjestu se nalazi otklonska pločica koja vlastitim magnetnim poljem usmjeri česticu prema izlazu (rupici mikroskopskog promjera).

Primjene[uredi VE | uredi]

Akceleratori čestica se koriste za specijalizirana istraživanja u nuklearnoj fizici, kemiji i medicini. Ciklotron se koristi za liječenje raka takozvanom terapijom protonima koji radijacijom (zračenjem) uništavaju tumor.

Određene primjene ima i u mikroelektronici.

Najpoznatiji akcelerator čestica sagrađen u zadnje vrijeme je CERN-ov akcelerator čestica (Veliki hadronski sudarivač), opsega 26 659 metara, s ugrađenih 150 milijuna senzora koji prikupljaju podatke 40 milijuna puta u sekundi.

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. akcelerator čestica, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  2. Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]