Cyclotron: verschil tussen versies

2 bytes toegevoegd ,  11 jaar geleden
k
sp
k (sp)
 
== Werking ==
Het versnellen gebeurt door de geladen deeltjes (meestal afkomstig van een [[ionenbron]]) na injectie in het centrum van een [[cilindrisch]]e [[vacuumvacuüm]]doos te onderwerpen aan een combinatie van een verticaal gericht [[magneetveld]] en een hoogfrequent wisselend [[elektrisch veld]], dat zorgt voor een horizontale versnelling. Het magneetveld oefent een [[lorentzkracht]] uit op de deeltjes, waardoor deze een horizontale cirkelvormige baan beschrijven. Daardoor worden groepen bijelkaar blijvende deeltjes steeds opnieuw aan het elektrisch veld blootgesteld, terwijl dat steeds van richting omkeert tijdens de halve omlooptijd van een groep deeltjes. Bij iedere doorgang is de elektrische [[polariteit (elektriciteit)|polariteit]] dan zodanig dat versnelling optreedt. Het magneetveld wordt opgewekt door een sterke [[elektromagneet]] met cirkelvormige polen. Naarmate de deeltjes een grotere snelheid krijgen spiraliseren ze naar buiten, terwijl de omlooptijd in eerste instantie onveranderd blijft. Dichtbij de rand van de vacuümdoos aangeland, hebben ze aldus een energie vele malen groter dan bij een enkele doorgang van het versnellend elektrisch veld. Omdat het versnellingspad is ‘opgerold’ is een cyclotron veel compacter dan het rechtlijnige pad in een [[lineaire versneller]], met voordelen (en nadelen) vandien. Met een [[bundelextractiesysteem]] kunnen de deeltjes buiten het magneetveld worden gebracht en in een [[opto-magnetisch]] bundelgeleidingssysteem worden getransporteerd naar een plaats van bestemming.
 
== Historie ==
Naarmate de door cyclotrons bereikbare energie hoger werd, konden steeds nieuwe verschijnselen worden ontdekt. Bij het streven naar een hogere deeltjesenergie werd het noodzakelijk om rekening te houden met [[Albert Einstein]]'s <math>E=mc^2</math> effect (zie [[relativiteitstheorie]]): het bij toenemende snelheid en energie zwaarder worden van de deeltjes, waardoor de omlooptijd in een constant magneetveld tijdens de versnelling toeneemt. Enerzijds kan hieraan worden tegemoet gekomen door de frequentie van het wisselend elektrisch veld te variëren ([[frequentiemodulatie]]) over een periode tijdens welke een ‘burst’ deeltjes vanuit het centrum tot de buitenste baan wordt versneld. Zo ontstond naast het klassieke cyclotron het [[synchrocyclotron]] en het [[synchrotron]]. Hierbij worden de kortdurende deeltjesbursts met relatief lange tussenpozen afgeleverd. Anderzijds kan men het gemiddelde verloop van het magneetveld naar buiten toe zo laten toenemen dat de omlooptijd constant blijft ([[isochroon]] cyclotron, bijvoorbeeld [[klaverblad cyclotron]]). In dit geval ontstaat er een constante bundel deeltjes. Tenzij speciale voorzorgen ([[stochastische extractie]]) worden genomen vertoont de bundel wel nog de ‘substruktuur’ van groepen gezamenlijk versnelde deeltjes, in de vorm van scherpe piekjes met de periode van het hoogfrequent elektrisch veld. Omstreeks 1940 werd in Berkeley begonnen aan het ontwerp van een synchrocyclotron met een diameter van 184&nbsp;inch (467&nbsp;cm) voor versnellingsenergieën boven 100 MeV, dat – vertraagd door de tweede wereldoorlog (WO-II) – in [[1946]] voltooid werd. In het onderzoeksprogramma met deze machine zijn tal van belangrijke ontdekkingen gedaan en baanbrekende meetgegevens verzameld. Dit model is als uitgangspunt genomen bij het ontwerp van talrijke cyclotrons elders.
 
Om de bundelintensiteit (aantal versnelde deeltjes per seconde) te verhogen werd naast verbeteringen van de ionenbron en het vacuumvacuüm, soms het versnellingsproces in tweeën gesplitst. Twee cyclotrons werken dan ‘in serie’. Het tweede cyclotron begint de versnelling bij de eindenergie van het eerste. Een speciaal sector patroon in de sterkte van het magneetveld hiervan, maakt dit cyclotron niet alleen isochroon, maar zorgt er tegelijkertijd voor dat het aantal gezamenlijk als groep versnelde deeltjes veel groter kan zijn ([[strong focussing]]). Om de afmetingen en de exploitatiekosten te minimaliseren wordt bij moderne cyclotrons steeds vaker het magneetveld opgewekt door gebruik te maken van een [[supergeleiding|supergeleidende]] elektromagneet.
 
Cyclotrons sterk variërend in afmeting, bundelenergie, bundelintensiteit en te versnellen deeltjessoorten werden in de tweede helft van de twintigste eeuw in veel landen in gebruik genomen, voornamelijk voor onderzoek in de [[kernfysica]] en [[deeltjesfysica]] en toepassingen daarvan. In 2009 staan de krachtigste cyclotrons in de onderzoeksinstituten TRIUMF[http://www.triumf.ca/research/research-facilities/main-cyclotron-proton-beam-lines] in [[Vancouver]], [[Canada]], en het Paul Scherrer Institute (PSI) [http://www.psi.ch/science/large-scale-facilities], bij [[Zürich (stad)|Zürich]], [[Zwitserland]]. Vanaf de jaren 1950 worden ook kleine ‘tabletop’-cyclotrons gebouwd voor diverse kernfysische toepassingen, aanvankelijk met bundel energieën van ongeveer 10 MeV. Tegenwoordig wordt gewerkt aan zo klein, goedkoop en efficiënt mogelijke apparaten van hoge intensiteit met energieën van tientallen MeV, vooral ten behoeve van de synthese van [[radio-isotoop|radioisotopen]], van [[radiotherapie]] en [[materiaalanalyse]].
30.551

bewerkingen