Циклотроны в ТПУ
Циклотрон: принцип действия
Циклотрон — резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещённых в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой). При не слишком больших (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же момент времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения образует плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. Поскольку задающее орбиту пучка магнитное поле неизменно, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения частиц также не меняет параметров, циклотрон может работать в непрерывном режиме: все витки спирали заполнены частицами пучка ионов. В горизонтальной плоскости частицы автоматически фокусируются в однородном магнитном поле. В вертикальном направлении фокусировка происходит за счёт неоднородности электрического поля в ускоряющем зазоре. Действительно, если частица смещена по вертикали из медианной плоскости, то на входе в ускоряющий зазор она испытает толчок в сторону медианной плоскости вертикальной компонентой краевого электрического поля. На выходе толчок будет обратного знака, но меньшей силы, за счёт конечного смещения частицы. На внешнем радиусе циклотрона, где магнитное поле спадает, происходит дополнительная фокусировка по обеим координатам за счёт линейного градиента поля.
ТПУ
Для развития исследований в области ядерной физики крупнейшие вузы страны оснащались новыми ядерно-физическими установками, в том числе циклотронами. Одним из таких вузов являлся и Томский политехнический институт с его Физико-техническим факультетом. Циклотронная лаборатория была создана в 1957 г. на Физико-техническом факультете, а в 1958 г., когда был организован НИИ ядерной физики, она была включена сектор нейтронной физики института.
Циклотронная установка Р-7 с диаметром полюсов 120 см. и фазотронной приставкой Р-7А, позволяющая ускорять протоны до энергии 33 МэВ, разработана НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (г. Санкт-Петербург) и изготовлена на одном из заводов объединения «Электросила» в 1956 г. В начале 1959 г. она была запущена в фазотроном режиме, а в ноябре 1959 г. был осуществлен физический запуск в циклотронном варианте с фиксированной энергией дейтронов и ионов водорода 13,6 МэВ, двухзарядных ионов гелия – 27,2 МэВ.
Физические исследования на циклотроне начались в 1961 г. Основными направлениями на начальном этапе были:
-взаимодействие и рассеяние заряженных частиц на легких и средних ядрах;
-радиационная физика;
-прохождение заряженных частиц через вещество;
-активационный анализ на заряженных частицах.
Последнее направление исследовательских работ диктовалось и региональными задачами проведения большого количества анализов поисковых геологических изысканий в районах Сибири и Дальнего Востока.
Начиная с 1969 г., поэтапно был проведен комплекс работ по модернизации самого ускорителя и реконструкции отдельных его узлов. В результате удалось в 10-20 раз увеличить ток пучка на внутренней мишени, в 8-10 раз поднять плоскость пучка на удаленной мишени и значительно улучшить энергетической разрешение. Все это обеспечило надежную и непрерывную работу с пучком свыше 6000 часов в год. Введенная «веерная» система разводки пучка по пяти каналам позволила экспериментаторам наиболее эффективно использовать пучковое время.
В 1971 г. циклотрон был переведен в режим работы с плавным регулированием энергии ускоренных ионов, и появилась возможность ускорять многозарядные ионы тяжелых газов, например, углерода, азота, кислорода. Циклотрон имел характеристики, лучшие среди подобных циклотронов в других центрах. Результаты работы института по модернизации циклотрона были использованы в других центрах страны, таких, как НИИ ЯФ МГУ, УПИ.
Проводившиеся в конце 60-х гг. на циклотроне работы по нейтронной тематике позволили в начале 80-х гг. в короткие сроки организовать на базе циклотрона совместно с НИИ онкологии ТНЦ АМ РФ второй в России медико-биологический комплекс для проведения дистанционной терапии злокачественных опухолей. Начиная с 1983 г., было проведено лечение свыше 200 больных, получен первый отечественный опыт применения быстрых нейтронов при регулярном лечении онкологических больных с различными формами опухолей.
В 1987 г. на циклотроне были проведены работы по получению короткоживущего радионуклида таллия-199 и нового отечественного препарата таллий-хлорида для радионуклидной перфузионной сцинтиграфии миокарда.
Электростатический генератор на энергию 2,5 МэВ может ускорять или электроны, или ионы. Первый ионный пучок на нем был получен в 1964 г. До 1978 г. ускоритель работал в электронном варианте, и на нем проводились исследования по радиационной физике. В связи с развитием ядерно-физических методов элементного и структурного анализа ускоритель снова переведен в режим ускорения ионов. Для пучков с одинаковой энергией 2,3 МэВ ток пучка составляет для электронов – 150, гелия-4 – 15, водорода – 20 мкА.
С 1968 г. на базе электростатического ускорителя работает единственная в стране установка для получения ионного микрозонда. Фокусирующая система на основе магнитного квадруплета обеспечивает возможность получения пучков протонов и альфа-частиц с диаметром до 10 мкм. В сочетании с ядерно-физическими методами элементного и структурного анализа ионный микрозонд существенно расширяет пространственное разрешение, элементную чувствительность и позволяет разрабатывать принципиально новые методы локального анализа и модификации материалов.
Литература
1. Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк/под ред. Ю.П. Похолкова, В.Я. Ушакова. – Томск: ТПУ, 1996. – 249 с.
2. Материалы фондов Музейного комплекса Томского политехнического университета.
Ссылки
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D0%BA%D0%BB%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD