Cyklotrón

Cyklotrón alebo cyklický vysokofrekvenčný urýchľovač je zariadenie, ktoré slúži na urýchľovanie nabitých častíc pomocou vysokofrekvenčného elektrického poľa. V zariadení je vytvorené silné magnetické pole, ktoré vedie častice po kruhových trajektóriach. Prvý funkčný prototyp cyklotrónu postavil Ernest Orlando Lawrence v roku 1931.

Konštrukcia a princíp

Cyklotrón sa skladá z troch hlavných častí:

Silný elektromagnet
Zdroj vysokofrekvenčného napätia
Urýchľovacia vákuová komora s párom elektród nazývaných (duanty)

Nabité častice sa injektujú do stredu vákuovej komory s malou počiatočnou rýchlosťou. Pod vplyvom magnetického poľa vytvoreného duantom sa častice začnú pohybovať po kruhovej trajektórii. V momente, keď sa častica nachádza v oblasti jedného z duantov, nie je ovplyvňovaná elektrickým poľom medzi duantmi (princíp Faradayovej klietky). Kruhová trajektória privádza nabitú časticu do priestoru medzi duanty, kde je pomocou zdroja vysokofrekvenčného striedavého napätia vytvorené elektrické pole o sile niekoľko 10 kV až 1000 kV, ktoré časticu urýchli. Následne častica prechádza druhým z duantov, ktorý ju privedie opäť po kruhovej dráhe (po urýchlení v priestore medzi duantmi sa polomer kruhovej dráhy zväčšil) do priestoru medzi duanty. V tomto priestore je opäť urýchľovaná elektickým poľom, ktoré sa za dobu letu častice duantom prepólovalo (v opačnom prípade by častica bola poľom spomaľovaná). Tento proces sa viackrát opakuje, až častica dosiahne požadovanú energiu. Kinetická energia takto urýchlenej častice môže po mnohých obehoch dosiahnuť hodnoty až 50 MeV.

Z popisu fungovania cyklotrónu je zrejmé, že magnetické pole vytvorené duantmi je využívané k vedeniu častíc po kruhovej trajektórii a neprispieva k ich urýchleniu. Magnetické pole je orientované kolmo na dráhu častíc (v obrázku to znamená kolmo na jeho rovinu) a vplyvom Lorentzovej sily tak spôsobuje zakrivenie dráhy nabitej častice. Táto trajektória je kruhová, jej polomer sa s rastúcou rýchlosťou častice zväčšuje. Pri zanedbaní relativistických efektov doba letu jedným duantom nezávisí na rýchlosti častice, vďaka čomu je urýchľovanie častice v priestore medzi duantmi možné pomocou striedavého zdroja napätia s konštantnou frekvenciou. Táto frekvencia sa nazýva aj cyklotrónovou frekvenciou a je daná vzťahom:

f={\frac {QB}{2m}}

Kde Q je náboj častice, B je veľkosť magnetickej indukcie a m je hmotnosť nabitej častice.

Použitie cyklotrónu

Spočiatku bol cyklotrón najlepším zdrojom vysokoenergetických častíc pre experimenty v jadrovej a časticovej fyzike. V súčasnej dobe je použitie cyklotrónu pre základný výskum v tejto oblasti obmedzené z dôvodu nízkych výstupných energií urýchlených častíc.

V medicíne sa cyklotróny používajú pri liečení rakoviny. Zväzky iónov urýchlené cyklotrónom môžu byť použité v protónovej terapii, kedy takéto zväzky prechádzajú ľudským telom, pričom ničia rakovinové tkanivá s minimálnym vplyvom na zdravé tkanivá.

Cyklotrón sa tiež používa na bombardovanie atómov zväzkami iónov, pričom vznikajú krátko žijúce izotopy (rádionuklidy) emitujúce pozitróny, ktoré sa dajú využiť pre pozitrónovú emisnú tomografiu (PET).

Pozri aj