Penjelasan Siklotron, Sinkrosiklotron dan Sinkrotron (Fisika)

Istilah “siklotron” terdengar langsung seperti dalam film fiksi ilmiah. Faktanya, siklotron adalah akselerator partikel, perangkat yang mendorong partikel bermuatan dengan kecepatan sangat tinggi menggunakan medan elektromagnetik. Mereka digunakan untuk memproduksi radioisotop yang digunakan untuk membuat “radiofarmasi”, obat yang dapat mendiagnosis dan mengobati kanker.

Fisika akselerator partikel banyak digunakan dalam penelitian saat ini. Secara khusus, akselerator seperti yang disebut siklotron memungkinkan penggunaan partikel seperti elektron atau positron untuk menghasilkan radiasi sinkrotron yang kemudian dapat digunakan untuk mempelajari materi pada skala yang belum pernah terjadi sebelumnya. (Perhatikan bahwa jenis sinkrotron lain yang dibedakan oleh kendala konstruksinya memungkinkan untuk mempelajari interaksi kuat dengan mempercepat proton atau antiproton).

Akibatnya, jenis instrumen ini dikembangkan di banyak negara di dunia untuk melayani berbagai bidang penelitian seperti studi bahan, kedokteran, biologi atau bahkan arkeologi. Dengan demikian, teknologi sinkrotron sekarang sangat mudah diakses, ini membuka pintu bagi teknologi mutakhir ini bagi banyak peneliti spesialis di berbagai disiplin ilmu di seluruh dunia (studi tentang protein yang memungkinkan fotosintesis, pengembangan obat, pengembangan bahan baru, dll.)

Siklotron (partikel non-relativistik)

Siklotron adalah jenis akselerator partikel yang ditemukan oleh Ernest Orlando Lawrence dan Milton Stanley Livingston dari University of California, Berkeley pada awal 1930-an.

Cyclotron 70 MeV dipasang di Universitas Nantes (Prancis) pada tahun 2008. Siklotron dirancang untuk mempercepat proton, deuton, dan partikel alfa. Popocatomar, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Deskripsi perangkat

Siklotron terdiri dari dua “elektroda setengah lingkaran berongga Dees” yang dipisahkan oleh ruang kecil. seluruhnya terbenam dalam medan magnet B konstan. Di antara kedua Dees, kita memiliki tegangan sinusoidal U ( U = Um cos(qB/m t + )) dan oleh karena itu medan listrik sinusoidal E (E = Em cos(qB/m t +)). Mereka memilih sehingga U maksimum ketika partikel melewati antara “Dees”.
Partikel dipercepat antara Dees dan menggambarkan setengah lingkaran jari-jari R di dalam Dees. Dia adalah dan karena itu dipercepat dua kali per putaran.
Di dalam Dees, partikel bermassa m dan beban q mengalami gaya Lorentz F = q v X B
Antara Dees, partikel dipercepat oleh gaya listrik F = q E

Lintasan partikel

v tegak lurus terhadap B, kita memiliki F = q v B

F tegak lurus terhadap v, percepatan tangensial di = dv/dt adalah nol, oleh karena itu modulus v konstan dan oleh karena itu momentum p = m v konstan.

Ketika partikel berotasi dengan sudut dθ vektor p juga berotasi sebesar dθ sehingga variasinya dp
adalah p dθ

Menurut hukum kedua Newton: dp/dt = F = q v B
p dθ/dt = p = p v/R = q v B
p/R = qB
R = p /(q B) = m v /(qB) = konstan

Di antara Dees, partikel dipercepat sehingga Ec = q Um. Pada setiap belokan partikel dipercepat dua kali sehingga Ec = 2 q Um

Setelah n putaran, Ec = 2 n q Um (Kecepatan awal diabaikan)
Siklotron digunakan untuk mempercepat partikel berat (proton, ion, dll.) ke kecepatan non-relativistik (v << c dan γ = 1).

R = mv /(qB)
Ec = 1/2 m v² = 2 n q Um jadi v = (4 n q Um/m)½
R = m (4 n q Um/m)½/(qB) = (4 n m Um/(qB²))½

R = (4 n m Um/(qB²))½
v = q/m BR
n = qB²R²/(4 m Um) atau R = (4 mUm/(qB²) n)½ (R sebanding dengan n½)

Contoh : proton ( m = 1.67.10-27 kg dan q = 1.6.10-19 C ) Rmax = 0.3 m, B = 0.8 T,
U = 5000V
vmaks = 2.3.107 m/s
nmaks = 276

= periode siklotron

T = 2π R/v
T = 2π m v /(qB)/v = 2π m/(qB) = konstan
T = 2π m/(qB)

= 2π/T = qB/m Oleh karena itu diperlukan tegangan pulsasi = qB/m atau frekuensi f = qB/(2π m)

Contoh : proton ( m = 1.67.10-27 kg dan q = 1.6.10-19 C ) R = 0.3 m, B = 0.8 T, U = 5000 V, f = 12,2 MHz

Synchrocyclotron (partikel relativistik)

Deskripsi perangkat Perangkat ini identik dengan siklotron. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa frekuensi tegangan tidak konstan, itu disinkronkan dengan partikel. Oleh karena itu namanya sinkrosiklotron. Synchrocyclotron adalah siklotron di mana frekuensi medan listrik diubah (secara bertahap menurun) untuk mengimbangi perolehan massa partikel yang dipercepat ketika kecepatannya mulai mendekati kecepatan cahaya.

A part of the Orsay synchrocyclotron magnet, now used by the proton therapy centre. David Monniaux, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Lintasan partikel

v tegak lurus dengan B, kita memiliki F = q v B
F tegak lurus terhadap v, percepatan tangensial di = dv/dt adalah nol, oleh karena itu modulus v konstan dan momentum p = m v konstan.
Ketika partikel berotasi dengan sudut dθ vektor p juga berotasi sebesar dθ sehingga variasinya dp sama dengan p dθ

Menurut hukum kedua Newton: dp/dt = F = q v B
p dθ/dt = p = p v/R = q v B
p/R = qB

R = p /(q B) = m v /(qB) = konstan

Di antara Dees, partikel dipercepat sehingga Ec
= q Um. Pada setiap putaran partikel dipercepat dua kali sehingga Ec = 2 q Um

Setelah n putaran, Ec = 2 n q Um (Kecepatan awal diabaikan)
R = mv /(qB)
Ec = (γ – 1) mc² = 2 n q Um

Setelah beberapa perhitungan, kami menyimpulkan:
R = mc/(qB) ((1 + 2 n q Um/(mc²))² -1)½
= (1 + (qBR/(mc))²)½
v = c ((qBR/(mc))²/(1 + (qBR/(mc))²))½
n = ((1 + (qBR/(mc))²)½ -1) mc²/(2qUm)

Jika partikelnya ultrarelativistik dengan kehilangan radiasi yang dapat diabaikan (qBR >> mc)
= qBR/(mc)
v=c
n = cBR/(2Um) atau R = 2Um/(cB) n (R sebanding dengan n dan tidak bergantung pada sifat partikel!)

Contoh: elektron ( m = 0,91. 10^-27 kg dan q = 1.6. 10^-19 C ) Rmax
= 0.3m,
B = 0,1 T, Um
= 5000V
maks = 18
nmaks = 900

Periode sinkrosiklotron

T = 2π R/v = 2π m/(qB)
= (1 + (qBR/(mc))²)½

T = 2π m/(qB) (1 + (qBR/(mc))²)½

= 2π/T = qB/(m(1 + (qBR/(mc))²)½) Oleh karena itu perlu diterapkan tegangan frekuensi variabel f ​​= qB/(2π m (1 + (qBR/(mc)) )) ²)½)

Jika partikelnya ultrarelativistik (qBR >> mc)
T = 2 R/c ( Yang normal sejak saat itu v = c )
f = 2π/T = c/R

Sinkrotron (elektron ultrarelativistik)

Deskripsi perangkat

Prinsipnya sama dengan sinkrosiklotron kecuali bahwa lintasan dipertahankan tetap dengan mengadaptasi medan magnet B yang meningkat seiring dengan peningkatan momentum dan partikel disuntikkan ke dalamnya yang sebelumnya telah dipercepat ke kecepatan ultrarelativistik.
Synchrotron terutama digunakan untuk menghasilkan radiasi elektromagnetik yang kuat.

Adalah jenis akselerator partikel kompak yang menghasilkan isotop radioaktif, menghasilkan isotop pencitraan yang digunakan untuk pemindai PET-CT scan.

Sextupole magnets used for focussing the electron beam in the storage ring, as used at the Australian Synchrotron, Clayton, Victoria. The larger yellow one is a dipole bending magnet, used to bend the electron beam and produce the synchrotron light. The green one is a sextupole magnet, the red one (at back) a quadrupole magnet – these are used mainly to focus the electron beam. jjron, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Lintasan partikel

v ~ c jadi γ >> 1
R = m c /(qB)
B = m c/(qR)

Pada lintasannya, partikel dipercepat k kali sehingga setelah satu putaran, Ec = k q Um – Elum (Elum adalah energi yang hilang karena radiasi.)
B = Ec/(qcR)
Contoh: elektron ( m = 0,91.10-27 kg dan q = 1.6.10-19 C ) R = 0,5 m
B = 0,3375T

Emisi cahaya oleh partikel bermuatan yang dipercepat

Partikel bermuatan yang dipercepat memancarkan radiasi elektromagnetik yang kuat
P
P = γ⁴ q²/(6πε0c³)ap² (percepatan ap tegak lurus arah pancaran)

Daya ini penting hanya jika sangat besar (gerakan ultrarelativistik v = c). Emisi kemudian terjadi pada dasarnya dalam kerucut dengan sudut di bagian atas mendekati 1/γ yang karenanya sangat kecil. Panjang gelombang kemudian mendekati = R/γ²

Dalam kondisi ini, hilangnya energi karena emisi elektromagnetik menyebabkan energi kinetik partikel turun, yang membutuhkan pasokan energi untuk mempertahankan kecepatannya. Energi ini bisa menjadi sepenuhnya penghalang ketika seseorang ingin mendapatkan nilai yang sangat besar. Untuk meminimalkannya, perlu dikurangi menjadi
p dengan mengambil nilai besar untuk jari-jari R. keliling LHC adalah 27 km…

Contoh: elektron pada LHC dengan energi E = 100 GeV.
Kita peroleh = 2. 10⁵, ap = c²/R dan P = 3.6.10-6 W dari = 3.4. 10^–7 m (UV)

Jika kita ingin mempertahankan energi 10¹² elektron, yang tidak besar, kita membutuhkan daya 3,6 MW!
Untuk proton dengan energi seratus kali lebih besar E = 10.000 GeV. Kami memperoleh
= 10000, ap = c²/R dan P = 2.5. 10^–11 W, yang sangat masuk akal.

Bacaan Lainnya

• Fisika Partikel | Definisi, Contoh dan Penjelasan
• Partikel Zetta | Definisi dan Penjelasan Sinar kosmik energi ultra tinggi
• Sinar Kosmik | Mari kita bicara tentang sains
• hbar memainkan peran sentral dalam fisika mekanika kuantum (H Coret)
• Simbol Fisika dan Kimia | Arti Lambang dan Penjelasan
• Marie Curie (Fisikawan dan Kimiawan) | Biografi wanita dengan dua Penghargaan Nobel
• Homogen dan Heterogen | Perbedaan, Campuran, Contoh (Fisika Kimia)
• Rumus Energi Potensial Fisika | Rumus, Penjelasan, Contoh Soal dan Jawaban

Fisika Partikel | Definisi, Contoh dan Penjelasan

Sumber bacaan: CleverlySmart, CERN, Fedoruk Centre, Physics Tasks

Sumber foto utama dari Midjourney