Siklotron

Hierdie artikel bevat nie ’n bronnelys nie, wat beteken dat die inhoud nie geverifieer kan word nie.
Enige bevraagtekende inligting mag dus ook mettertyd verwyder word. Help Wikipedia deur betroubare bronne tot die artikel by te voeg.

'n Siklotron is 'n tipe partikelversneller wat gekenmerk word deur die feit dat die partikels in 'n sterk konstante magneetveld vasgevang word tydens die versnelling. Hierdeur dwing die magneetveld die gelaaide partikels om in 'n sirkelvormige baan te beweeg. Tydens die beweging word die partikel op sekere plekke deur 'n elektriese veld versnel. Dit beteken dat hy toenemend vinniger beweeg, en dus 'n spiraalvormige pad na buite volg. Die siklotron is in 1932 deur die Amerikaanse fisikus Ernest O. Lawrence uitgevind, waarvoor hy die Nobelprys in 1939 ontvang het. Siklotrone was aanvanklik, en tot en met die 1950s, die kragtigste partikelversnellers gewees. Deesdae word hulle veral in die produksie van radioisotope, kernmedisyne (soos proton- en neutronterapie) en die vervaardiging van partikelbundels in kernfisika gebruik. Die 200 MeV oopsektorsiklotron van iThemba LABS (voorheen die Nasionale Versnellersentrum) buite Kaapstad is die kragtigste siklotron in die Suidelike Halfrond. Die grootste siklotron in die wêreld is tans die oopsektorsiklotron TRIUMF in Vancouver met 'n deursnee van 18 meter wat protone tot 500 MeV kan versnel.

Geskiedenis

Die siklotron is deur Ernest Lawrence by die Unversiteit van Kalifornië se Berkeley kampus uitgevind en gepatenteer waar dit vir die eerste keer in 1932 in werking getree het. Hierna het hy 'n reeks siklotronne by die universitiet se Radiation Laboratory gebou wat destyds die kragtigste partikelversnellers in die wêreld was; 'n 68 cm masjien van 4.8 MeV in 1932, 'n 94 cm masjien van 8 MeV in 1937 en 'n 1.5 m masjien van 16 MeV in 1939.

Werking

'n Siklotron benodig twee hoofeienskappe om te werk: eerstens moet daar 'n sterk magnetiese veld wees wat die partikel forseer om in 'n sirkel te beweeg, en tweedens moet daar 'n elektriese veld wees wat die partikel vorentoe druk sodat hy die heeltyd versnel.

'n Eenvoudige siklotron bestaan uit 'n sterk (groter as 1 Tesla) magneet, wat gewoonlik so gedraai word dat die magneetlyne vertikaal loop en die magneetpole horisontaal is. In die spasie tussen die magneetpole word daar 'n vakuumkamer geplaas waarbinne die partikels beweeg. Daar word ook ten minste twee 'D' vormige elektrodes, oftewel dees, langs die bewegingsvlak geplaas wat die versnellende elektriese veld verskaf.

Wanneer 'n gelaaide partikel in 'n konstante magneetveld beweeg, is hy onderhewig aan die Lorentz krag wat hom in 'n rigting reghoekig aan sy beweegrigting druk. Die gevolg hiervan is dat hy in 'n sirkelvormige baan rondom die magnetiese veldlyne draai. Hierdie sirkelvormige beweging staan bekend as siklotronbeweging, en het die belangrike eienskap dat die partikel sy omwenteling altyd binne dieselfde tyd voltooi, ongeag van hoe vinnig hy beweeg. Vir hoër spoed is die radius van die sirkel groter, maar die omwentelingsperiode bly konstant. Hierdie omwentelingsfrekwensie word die siklotronfrekwensie genoem.

Die versnelling van die partikel vind in die spasies tussen die twee D elektrodes plaas, deur 'n elektriese veld (dus 'n spanningsverskil) tussen die dees op te wek wat die partikel vorentoe druk. Die elektriese krag moet in dieselfde rigting wys as die partikel se snelheid, maar die partikel verander die heeltyd van rigting: as hy van dee A na dee B beweeg, dan sal hy 'n halwe omwenteling later weer terug van dee B na dee A beweeg. Dit beteken dat die elektriese veld ook binne daardie tyd van rigting moet verander. Mens moet dus 'n wisselstroom spanning tussen die dees opwek. Die frekwensie van so 'n siklotron se D-spanning, is dieselfde as die partikel se siklotronfrekwensie, wat oor die algemeen vir protone in die omgewing 5-30 MHz is. Dit is dus in die radiofrekwensie (RF) golfband, en daar word dus gesê dat die partikelversnelling deur middel van RF golwe plaasvind.