Sincrociclotrón

Un sincrociclotrón es un tipo especial de ciclotrón, patentado por Edwin McMillan en 1952, en el que la frecuencia del campo eléctrico de RF impulsor varía para compensar los efectos relativistas a medida que las partículas se mueven. La velocidad comienza a aproximarse a la velocidad de la luz. Esto contrasta con el ciclotrón clásico, donde esta frecuencia es constante.

Hay dos diferencias principales entre el sincrociclotrón y el ciclotrón clásico. En el sincrociclotrón, sólo un dee (electrodo de chapa hueca en forma de "D") conserva su forma clásica, mientras que el otro polo está abierto (ver esquema de patente). Además, la frecuencia del campo eléctrico oscilante en un sincrociclotrón disminuye continuamente en lugar de mantenerse constante para mantener la resonancia del ciclotrón para velocidades relativistas. Un terminal del potencial eléctrico oscilante que varía periódicamente se aplica al dee y el otro terminal está en el potencial de tierra. Los protones o deuterones que se van a acelerar se hacen moverse en círculos de radio creciente. La aceleración de las partículas se produce cuando entran o salen del dee. En el borde exterior, el haz de iones se puede eliminar con ayuda de un deflector electrostático. El primer sincrociclotrón produjo deuterones de 195 MeV y partículas α de 390 MeV.

Diferencias con el ciclotrón clásico

En un ciclotrón clásico, la frecuencia angular del campo eléctrico está dada por

${displaystyle omega ={frac {qB} {m}}$,

Donde ${displaystyle omega }$ es la frecuencia angular del campo eléctrico, ${displaystyle q}$ es la carga en la partícula, ${displaystyle B}$ es el campo magnético, y ${displaystyle m}$ es la masa de la partícula. Esto supone que la partícula es clásica, y no experimenta fenómenos relativistas como la contracción de longitud. Estos efectos comienzan a ser significativos cuando ${displaystyle v}$, la velocidad de la partícula superior ${displaystyle approx {frac {c}{3}}$. Para corregir esto, la masa relativista se utiliza en lugar de la masa restante; por lo tanto, un factor de ${displaystyle gamma }$ multiplica la masa, tal que

${displaystyle omega ={frac {qB}{mgamma }$,

dónde

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Esta es entonces la frecuencia angular del campo aplicado a las partículas a medida que se aceleran alrededor del sincrociclotrón.

Ventajas

La principal ventaja del sincrociclotrón es que no es necesario restringir el número de revoluciones ejecutadas por el ion antes de su salida. Como tal, la diferencia de potencial suministrada entre las dees puede ser mucho menor.

La diferencia de potencial más pequeña necesaria a lo largo de la brecha tiene los siguientes usos:

1. No hay necesidad de una estrecha brecha entre los dees como en el caso del ciclotrón convencional, porque no se requieren campos eléctricos fuertes para producir gran aceleración. Así sólo se puede utilizar un dee en lugar de dos, el otro extremo de la fuente de tensión oscilante que está conectado a la tierra.
2. Las piezas de polo magnético pueden acercarse, lo que permite aumentar considerablemente la densidad del flujo magnético.
3. El oscilador de válvula de frecuencia es capaz de funcionar con mayor eficiencia.

Desventajas

El principal inconveniente de este dispositivo es que, como resultado de la variación en la frecuencia del suministro de voltaje oscilante, solo una fracción muy pequeña de los iones que salen de la fuente son capturados en órbitas de fase estable de máximo radio y energía. con el resultado de que la corriente del haz de salida tiene un ciclo de trabajo bajo y la corriente promedio del haz es sólo una pequeña fracción de la corriente instantánea del haz. Así, la máquina produce iones de alta energía, aunque con una intensidad comparativamente baja.

El siguiente paso de desarrollo del concepto de ciclotrón, el ciclotrón isócrono, mantiene una frecuencia de conducción de RF constante y compensa los efectos relativistas aumentando el campo magnético con el radio. Los ciclotrones isócronos son capaces de producir una corriente de haz mucho mayor que los sincrociclotrones. Como resultado, los ciclotrones isócronos se hicieron más populares en el campo de la investigación.

Historia

En 1945, Robert Lyster Thornton en el Laboratorio de Radiación de Ernest Lawrence dirigió la construcción del ciclotrón de 184 pulgadas (470 cm) y 730 MeV. En 1946, supervisó la conversión del ciclotrón al nuevo diseño fabricado por McMillan, que se convertiría en el primer sincrociclotrón capaz de producir deuterones de 195 MeV y partículas α de 390 MeV.

Tras la puesta en funcionamiento de la primera sincrociclona, la Oficina de Investigación Naval (ONR) financió dos iniciativas de construcción de sincrociclotron. La primera financiación fue en 1946 para el Instituto de Tecnología Carnegie para construir un sincrociclótrón 435-MeV dirigido por Edward Creutz y para iniciar su programa de investigación física nuclear. La segunda iniciativa fue en 1947 para la Universidad de Chicago para construir un sincrociclotrón 450-MeV bajo la dirección de Enrico Fermi.

En 1948, la Universidad de Rochester completó la construcción de su sincrociclotrón de 240 MeV, seguido de la finalización del sincrociclotrón de 380 MeV en la Universidad de Columbia en 1950.

En 1950 estaba operativo el sincrociclotrón de 435 MeV del Instituto Carnegie de Tecnología, seguido por el sincrociclotrón de 450 MeV de la Universidad de Chicago en 1951.

La construcción del sincrociclotrón de 400 Mev en la Universidad de Liverpool se completó en 1952 y en abril de 1954 ya estaba operativo. El sincrociclotrón de Liverpool demostró por primera vez la extracción de un haz de partículas de una máquina de este tipo, eliminando la limitación de tener que realizar experimentos dentro del sincrociclotrón.

En una reunión de la UNESCO en París en diciembre de 1951, hubo un debate sobre cómo encontrar una solución para tener un acelerador de energía media para la próxima Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). El sincrociclotrón se propuso como una solución para cerrar la brecha antes de que se completara el sincrotrón de protones de 28 GeV. En 1952, Cornelis Bakker dirigió el grupo para diseñar y construir el sincrociclotrón denominado Synchro-Cyclotron (SC) en el CERN. El diseño del Sincro-Ciclotrón con 15,7 metros (52 pies) de circunferencia comenzó en 1953. La construcción comenzó en 1954 y alcanzó una aceleración de protones de 600 MeV en agosto de 1957, y el programa experimental comenzó en abril de 1958.

Acontecimientos actuales

Los sincrociclotrones son atractivos para su uso en terapia de protones debido a su capacidad de crear sistemas compactos que utilizan campos magnéticos elevados. Las empresas de física médica Ion Beam Applications y Mevion Medical Systems han desarrollado sincrociclotrones superconductores que pueden caber cómodamente en los hospitales.