السنكروسيكلوترون

السنكروسايكلوترون هو نوع خاص من السيكلوترون ، حصل إدوين ماكميلان على براءة اختراعه عام 1952، حيث يتم تغيير تردد المجال الكهربائي المحفز بترددات الراديو لتعويض التأثيرات النسبية عندما تبدأ سرعة الجسيمات بالاقتراب من سرعة الضوء . وهذا على عكس السيكلوترون الكلاسيكي، حيث يكون هذا التردد ثابتًا. ^{[ 1 ]}

يوجد فرقان رئيسيان بين السنكروترون والسيكلوترون الكلاسيكي. في السنكروترون، يحتفظ قطب كهربائي واحد فقط ( على شكل حرف D مجوف) بشكله الكلاسيكي، بينما يكون القطب الآخر مفتوحًا (انظر الرسم التخطيطي لبراءة الاختراع). علاوة على ذلك، يتناقص تردد المجال الكهربائي المتذبذب في السنكروترون باستمرار بدلًا من أن يبقى ثابتًا، وذلك للحفاظ على رنين السيكلوترون للسرعات النسبية. يُطبَّق أحد طرفي الجهد الكهربائي المتذبذب، الذي يتغير دوريًا، على القطب الكهربائي، بينما يكون الطرف الآخر على جهد الأرض. تُحرَّك البروتونات أو الديوتونات المراد تسريعها في دوائر ذات نصف قطر متزايد. يحدث تسارع الجسيمات عند دخولها أو خروجها من القطب الكهربائي. عند الحافة الخارجية، يمكن إزالة حزمة الأيونات بمساعدة عاكس كهرساكن. أنتج أول سنكروترون ديوتونات بطاقة 195 ميغا إلكترون فولت وجسيمات ألفا بطاقة  390  ميغا إلكترون فولت . ^{[ 2 ]}

في السيكلوترون الكلاسيكي، يُعطى التردد الزاوي للمجال الكهربائي بالعلاقة التالية:

${\displaystyle \omega ={\frac {qB}{m}}}$،

أين${\displaystyle \omega }$يمثل التردد الزاوي للمجال الكهربائي،${\displaystyle q}$هي الشحنة الموجودة على الجسيم،${\displaystyle B}$هو المجال المغناطيسي، و${\displaystyle m}$هي كتلة الجسيم. يفترض هذا أن الجسيم كلاسيكي، ولا يخضع لظواهر نسبية مثل انكماش الطول. تبدأ هذه التأثيرات في الظهور بشكل ملحوظ عندما${\displaystyle v}$، سرعة الجسيم أكبر من${\displaystyle \approx {\frac {c}{3}}}$ولتصحيح ذلك، تُستخدم الكتلة النسبية بدلاً من كتلة السكون؛ وبالتالي، يتم تطبيق عامل مقداره${\displaystyle \gamma }$يضاعف الكتلة، بحيث

${\displaystyle \omega ={\frac {qB}{m\gamma }}}$،

أين

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$.

هذا هو التردد الزاوي للمجال المطبق على الجسيمات أثناء تسارعها حول السنكروترون.

تتمثل الميزة الرئيسية للسنكروسايكلوترون في عدم الحاجة إلى تقييد عدد دورات الأيون قبل خروجه. وبالتالي، يمكن أن يكون فرق الجهد المطبق بين قطبي السنكروترون أصغر بكثير.

يُستخدم فرق الجهد الأصغر المطلوب عبر الفجوة في الأغراض التالية:

1. There is no need for a narrow gap between the dees as in the case of conventional cyclotron, because strong electric fields for producing large acceleration are not required. Thus only one dee can be used instead of two, the other end of the oscillating voltage supply being connected to earth.
2. The magnetic pole pieces can be brought closer, thus making it possible to increase greatly the magnetic flux density.
3. The frequency valve oscillator is able to function with much greater efficiency.

The main drawback of this device is that, as a result of the variation in the frequency of the oscillating voltage supply, only a very small fraction of the ions leaving the source are captured in phase-stable orbits of maximum radius and energy with the result that the output beam current has a low duty cycle, and the average beam current is only a small fraction of the instantaneous beam current. Thus the machine produces high energy ions, though with comparatively low intensity.

The next development step of the cyclotron concept, the isochronous cyclotron, maintains a constant RF driving frequency and compensates for relativistic effects by increasing the magnetic field with radius. Isochronous cyclotrons are capable of producing much greater beam current than synchrocyclotrons. As a result, isochronous cyclotrons became more popular in the research field.

In 1945, Robert Lyster Thornton at Ernest Lawrence's Radiation Laboratory led the construction of the 184-inch (470 cm) 730 MeV cyclotron. In 1946, he oversaw the conversion of the cyclotron to the new design made by McMillan which would become the first synchrocyclotron with could produce 195 MeV deuterons and 390 MeV α-particles.

After the first synchrocyclotron was operational, the Office of Naval Research (ONR) funded two synchrocyclotron construction initiatives. The first funding was in 1946 for Carnegie Institute of Technology to build a 435-MeV synchrocyclotron led by Edward Creutz and to start its nuclear physics research program. The second initiative was in 1947 for University of Chicago to build a 450-MeV synchrocyclotron under the direction of Enrico Fermi.

In 1948, University of Rochester completed the construction of its 240-MeV synchrocyclotron, followed by a completion of 380-MeV synchrocyclotron at Columbia University in 1950.

In 1950 the 435-MeV synchrocyclotron at Carnegie Institute of Technology was operational, followed by 450-MeV synchrocyclotron of University of Chicago in 1951.^[2]

اكتمل بناء السنكروترون ذي طاقة 400 ميغا إلكترون فولت في جامعة ليفربول عام 1952، وبدأ تشغيله في أبريل 1954. وقد أثبت سنكروترون ليفربول لأول مرة إمكانية استخلاص حزمة جسيمات من هذا النوع من الأجهزة، مما أزال قيد ضرورة ملاءمة التجارب داخل السنكروترون. ^{[ 3 ]}

في اجتماع لليونسكو عُقد في باريس في ديسمبر 1951، نُوقش إيجاد حل لتوفير مُسرِّع متوسط ​​الطاقة للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (سيرن) التي كانت على وشك التأسيس. واقتُرح استخدام السنكروترون الحلقي كحلٍّ لسدّ الفجوة قبل اكتمال سنكروترون البروتون ذي طاقة 28 جيجا إلكترون فولت. في عام 1952، قاد كورنيليس باكر فريقًا لتصميم وبناء السنكروترون الحلقي، الذي سُمّي لاحقًا سينكرو-سيكلوترون (SC)، في سيرن. بدأ تصميم السنكرو-سيكلوترون، الذي يبلغ محيطه 15.7 مترًا (52 قدمًا)، في عام 1953. وبدأ بناؤه في عام 1954، وحقق تسريعًا للبروتونات بطاقة 600 ميجا إلكترون فولت في أغسطس 1957، وبدأ البرنامج التجريبي في أبريل 1958. ^{[ 4 ]} 

تُعدّ السنكروترونات خيارًا جذابًا للاستخدام في العلاج بالبروتونات نظرًا لقدرتها على تصنيع أنظمة صغيرة الحجم باستخدام مجالات مغناطيسية عالية. وقد طوّرت شركتا "آيون بيم أبليكيشنز" و"ميفيون ميديكال سيستمز" المتخصصتان في الفيزياء الطبية سنكروترونات فائقة التوصيل يمكن تركيبها بسهولة في المستشفيات. ^{[ 5 ] [ 6 ]}