Всё началось с одного молодого ученого - Эрнеста Орландо Лоуренса. Родился он 8 августа 1901 года, в Кантоне, в американском штате Южная Дакота.
Это один из самых известных и противоречивых американских физиков, член Национальной АН США с1934 года и иностранный почётный член АН СССР с 1942 года. И по сей день возможности его уникального и смелого изобретения полностью не изучены.
Никто бы никогда не узнал о его феноменальных изобретениях, если бы в 1939 году он не стал лауреатом Нобелевской премии по физике "за изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные с его помощью, в особенности касающиеся исследования искусственно созданных радиоактивных элементов". И весь мир узнал о циклотроне, а молодой учёный стал одним из ведущих на тот момент исследователей в области ядерной физики.
Мир стоял на пороге изобретения ядерного оружия и научные изыскания в этой области Эрнеста Лоуренса подтолкнули мир к созданию первой атомной бомбы. Имя этого скромного молодого учёного вошло в историю создания атомной промышленности многих стран.
Циклотрон — это устройство, которое служит ускорителем тяжёлых частиц, таких как ионы и протоны. Оно ускоряет их, заставляя двигаться по спиральной траектории. Статическое магнитное поле удерживает частицы в этой спирали, а быстро меняющееся радиочастотное электрическое поле ускоряет их движение.
Основные научные труды Лоуренса относятся к ускорительной технике, ядерной физике и её применению в биологии и медицине. Лоуренс опередил время. В 1929 году он предложил идею циклотрона, а уже в 1931 году построил первую модель циклотрона вместе с американским учёным Н. Эдлефсеном.
В последующие годы под руководством Лоуренса в США был создан ряд ускорителей, с помощью которых учёный исследовал различные ядерные реакции, измерял энергию связи ядер и создал ряд радиоактивных изотопов.
В 1939 году за изобретение циклотрона Эрнест О. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике. И о молодом учёном узнал весь мир. Так началась эпоха атома, и назвать его мирным сложно было. Мир стоял на пороге войны. Кто первым будет владеть ядерным оружием - тот и станет управлять всем миром. Вершилась великая история всемирных изменений и вершителем этой истории стал американский скромный учёный.
Циклотроны стали популярны во всём мире. Циклотроны Лоуренса стремительно вошли в нашу жизнь и изобретение американского учёного стали применяться во многих научных и исследовательских центрах по всему миру.
Но это продлилось недолго... Циклотроны были самыми мощными ускорителями частиц до 1950-х годов, пока их не заменил - синхротроны. Тем не менее, они продолжают использоваться для создания пучков частиц в различных областях, включая физику и ядерную медицину.
Самым большим одномоторным циклотроном был синхроциклотрон, построенный в 1940-1946 годах под руководством Лоуренса в Калифорнийском университете в Беркли. Его высота составляла 4,67 метра (184 дюйма), и он мог ускорять протоны до 730 миллионов электрон-вольт (МэВ).
Для справки. Крупнейший циклотрон на сегодняшний день — это мультимагнетический ускоритель TRIUMF, установленный в Университете Британской Колумбии в Ванкувере. Его длина составляет 17,1 метра (56 футов), и он способен производить протоны с энергией 500 МэВ.
Сегодня в ядерной медицине используется более 1200 циклотронов для создания пучков позитронных и электронных лучей радионуклидов.
История первого циклотрона Лоуренса
В 1932 году в Калифорнийском университете в Беркли Эрнест Лоуренс разработал и запатентовал первый в мире циклотрон. Это был самый первый в мире циклотрон. Для его создания он использовал большие электромагниты, извлеченные из устаревших радиопередатчиков Poulsen arc, предоставленных Федеральной телеграфной компанией. Всё гениальное - просто. Большую часть работы по воплощению этой идеи в жизнь проделал М. Стэнли Ливингстон, студент-выпускник. Лоуренс также был знаком со статьей о дрейфовой трубке "линак", предложенной учёной Рольфом Видерое, которая работала аналогично "бетатрону".
В Лаборатории радиации Калифорнийского университета в Беркли молодой физик Лоуренс построил несколько действующих циклотронов, которые на тот момент являлись самыми мощными ускорителями в мире. Среди них были:
1932 год — машина диаметром 69 см (27 дюймов) и энергией 4,8 МэВ;
1937 год — машина диаметром 94 см (37 дюймов) и энергией 8 МэВ;
1939 год — машина шириной 16 см (16 дюймов);
1945 год - Лоуренс разработал синхронизатор самый большой на тот момент циклотрон диаметром 467 см (184 дюйма)...
Циклотрон стал одним из самых первых ускорителей заряженных частиц, заложив основу для развития современной науки и техники. В мире насчитывается огромное количество циклотронов для разных целей и научных изысканий. Границы исследовательских изысканий в области циклотронов расширились.
Первые циклотроны СССР и Германии
Нужно заметить, что Советский Союз не был последним в области создания циклотрона. Первый европейский циклотрон был создан в СССР в Ленинграде на физическом факультете Радиевого института под руководством Виталия Хлопина. Этот уникальный аппарат был представлен в 1932 году Джорджем Гамовым и Львом Мысовским, а в эксплуатацию его ввели в 1937-м. Это был первый циклотрон созданный в Европе.
Идея создания ускорителя заряженных частиц в СССР впервые была предложена в 1922 году Л. В. Мысовским. Он занимал должность заведующего физическим отделом в только что созданном Радиевом институте. Руководители института, включая А. Ф. Иоффе, поддержали эту идею. П. Л. Капица, как консультант проекта, также оказал содействие.
Циклотрон был построен в 1937 году в Радиевом институте и активно использовался для научных исследований вплоть до 1950-х годов. Его диаметр составляет 1 метр, на момент начала строительства он был в четыре раза больше существующего образца.
Коллектив советских учёных, в частности, в «Письме сотрудников ЛФТИ НКМ СССР председателю СНК СССР В. М. Молотову об экспериментальной базе ядерных исследований», опубликованном 5 марта 1938 года, подчёркивал важность строительства и эксплуатации циклотрона.
После запуска установки на ней проводились научные исследования. В 1945 году на циклотроне был получен первый в СССР препарат плутония в импульсных количествах.
Не отставала в создании своего циклотрона и Германия, на тот момент нацистская. Параллельно в нацистской Германии, в Гейдельберге, также был построен свой циклотрон. Его создавали немецкие учёные - Вальтер Боте и Вольфганг Гентнер при поддержке Хересваффенхамта.
Циклотрон — это ускоритель частиц, в котором одновременно используются электрическое и магнитное ускорение. Поэтому при его создании всегда применяется наэлектризованный магнит. В области работы с магнитами на тот момент лидировали немецкие учёные.
Проектирование первого немецкого циклотрона началось в конце 1937 года в Институте Макса Планка в Гейдельберге. Инициатором его создания был Вальтер Боте, будущий Нобелевский лауреат. Непосредственным руководителем работ по циклотрону был Вольфганг Гентнер - легендарная личность.
Из-за трудностей с финансированием реализация проекта сильно задерживалась. Началась Великая Отечественная война и Германия нуждалась в срочном финансировании данного проекта, чтобы изобрести атомную бомбу.
Активные работы по созданию циклотрона в Гейдельберге возобновились только весной 1941 года. Это был циклотрон с диаметром полюсов 100 см, магнит весом 80 т изготовила фирма "Сименс".
Магнит был доставлен в марте 1943 года, а первый пучок дейтронов был испущен в декабре. Церемония открытия циклотрона состоялась 2 июня 1944 года.
По сути, СССР и Германия стали вторыми после США странами-разработчиками циклотронов. Первым был Эрнест Лоуренс.
Принцип работы циклотрона Лоуренса
Циклотрон способен ускорять пучки фотонов и заряженных частиц до скорости света, вращая их в спиралевидном пространстве внутри ускорителя. Именно благодаря циклотрону было сделано важное открытие: при вращении с высокой скоростью масса частиц, как правило, увеличивается.
Циклотрон стал настоящим кладезем научных открытий. Релятивистское увеличение массы частиц в пучке фотонов требует изменения магнитного поля внутри ускорителя (изохронный циклотрон) или изменения его частоты (синхронный циклотрон).
Этот уникальный механизм стал прототипом для других подобных ускорителей, таких как всем известный большой адронный коллайдер, что делает его незаменимым инструментом для исследований в области физики элементарных частиц.
Применение циклотрона и методы исследований
Циклотрон, известный своей способностью ускорять заряженные частицы, находит широкое применение в различных областях науки и техники. Его используют для получения изотопов — ключевых компонентов современных технологий.
Циклотрон применяется не только в экспериментальной физике, но и в медицине. С его помощью производят радиоизотопы, такие как технеций-99, которые играют важную роль в диагностике и лечении различных заболеваний.
Модификация циклотронов
Циклотрон стал более экономичным и компактным по сравнению с линейными ускорителями, которые были доступны на момент его изобретения. Это стало возможным благодаря повторному взаимодействию частиц с ускоряющим полем.
В 1920-х годах ещё не были доступны мощные высокочастотные радиоволны, которые используются в современных линейных ускорителях, генерируемых клистронами. Поэтому для получения частиц с высокой энергией требовались значительные по длине линейные структуры.
Компактность циклотрона позволяет снизить затраты на фундаменты, радиационную защиту и закрывающее здание. Кроме того, циклотроны оснащены одним электрическим драйвером, что также способствует экономии средств и энергии.
Также циклотроны способны создавать непрерывный поток частиц на мишени, что обеспечивает относительно высокую среднюю мощность, передаваемую от пучка частиц к мишени.
Траектория движения в циклотроне
Циклотронный пучок, двигаясь по спиральной траектории, может быть синхронизирован с источниками напряжения, такими как клистрон, работающими на постоянной частоте, только в том случае, если ускоряемые частицы следуют законам Ньютона.
Однако, когда частицы достигают достаточно высокой скорости, чтобы стать релятивистскими, их движение становится несинхронизированным с колебательным электрическим полем, и дополнительное ускорение становится невозможным. Поэтому классический циклотрон может ускорять частицы лишь до нескольких процентов от скорости света, что соответствует периоду обращения заряженной частицы в циклотроне.
Чтобы увеличить массу ускоряемых частиц, можно изменить магнитное поле, например, в изохронных циклотронах, работающих в импульсном режиме, или в синхроциклотронах, где частота переменного электрического поля меняется. Однако оба этих подхода имеют ограничения, связанные с экономической эффективностью создания больших машин.
Эти ограничения были преодолены с помощью более сложных синхротронных или современных линейных ускорителей, основанных на клистроне. Они обладают преимуществом масштабируемости, что позволяет получать больше мощности при улучшении структуры затрат по мере роста размеров машины.
Расчёты проводятся путём сравнения мощности столкновения частиц друг с другом, которая, в свою очередь, зависит от траектории движения заряженной частицы в циклотроне.
27 августа 1958 года в Пало-Альто, в штате Калифорния, скончался самый известный и противоречивый ученый, который изобрел уникальную конструкцию Эрнест Лоуренс. И человечество ещё не полностью узнало о возможностях его уникальнейшего прибора, который он назвал - циклотрон.
Впервые Лоуренс применил полученные изотопы для лучевой терапии злокачественных новообразований, и его открытие стало важным шагом в развитии онкологии. В 1952 году он основал Ливерморскую национальную лабораторию совместно с Э. Теллером для разработки новых типов ядерного оружия, но уже это совсем другая история.
Именем Эрнеста Лоуренса назван химический элемент - лоуренсий. Лоуренсий - радиоактивен, наиболее устойчивый изотоп 260Lr, период полураспада - 3 минуты, в соединениях проявляет степень окисления +3, валентность III. В природе лоуренсий - отсутствует. Получается лоуренсий только искусственным путём на ускорителях частиц Эрнеста Лоуренса.
МОЙ ВК ТУТ
МОЙ ТЕЛЕТАЙП ТУТ
МОЙ ТЕЛЕГРАМ КАНАЛ ТУТ
МОЙ КАНАЛ ЯНДЕКС ДЗЕН ТУТ
НА МОЙ ЖЖ ТУТ
МОЙ ОК ТУТ
Все предоставленные материалы являются собственностью автора. При использовании любых материалов ссылка на этот сайт обязательна.
#циклотрон #физика #ядернаяфизика #атомнаябомба #наука #история #эрнестлоуренс #максимновиковский #изобретение #нобелевскаяпремия #яндекс #дзен #коллайдер #андронныйколлайдер #ЭрнестОрландоЛоуренс #сша #лоуренсий