사이클로트론

사이클로트론(cyclotron)은 어니스트 로렌스(Ernest Lawrence)가 1929~1930년 캘리포니아 대학교 버클리(^[1][2]University of California, Berkeley)에서 발명하고 1932년 특허를 취득한 입자 가속기의 한 종류입니다.^[3][4] 사이클로트론은 편평한 원통형 진공 챔버의 중심에서 나선형 경로를 따라 하전 입자를 바깥쪽으로 가속시킵니다.^[5][6] 입자는 정적 자기장에 의해 나선 궤적에 고정되고 빠르게 변하는 전기장에 의해 가속됩니다. 로렌스는 이 발명으로 1939년 노벨 물리학상을 수상했습니다.^[6][7]

사이클로트론은 최초의 "사이클릭" 가속기였습니다.^[8] 사이클로트론이 개발되기 전의 주요 가속기는 Cockcroft-Walton 발전기와 Van de Graff 발전기와 같은 정전기 가속기였습니다. 이러한 가속기에서 입자는 가속 전기장을 한 번만 통과합니다. 따라서 입자가 얻는 에너지는 가속 영역에 걸쳐 달성할 수 있는 최대 전기 전위에 의해 제한되었습니다. 이 전위는 차례로 정전 파괴에 의해 몇 백만 볼트로 제한되었습니다. 반대로 사이클로트론에서는 입자가 나선 경로를 따라 가속 영역과 여러 번 마주치기 때문에 출력 에너지는 한 번의 가속 단계에서 얻은 에너지의 몇 배가 될 수 있습니다.^[4]

사이클로트론은 1950년대까지 가장 강력한 입자 가속기 기술이었습니다.^[9] 그럼에도 불구하고 이들은 여전히 핵 의학 및 기초 연구를 위한 입자 빔을 생산하는 데 널리 사용됩니다. 2020년 기준 전 세계적으로 1,500개에 가까운 사이클로트론이 핵의학용 방사성핵종 생산에 사용되고 있습니다.^[10] 또한 입자 빔을 환자에게 직접 적용하는 입자 치료에도 사이클로트론을 사용할 수 있습니다.^[10]

역사

1927년 킬에 재학 중이던 독일의 물리학자 막스 스틴벡은 사이클로트론의 개념을 처음으로 공식화했지만, 그는 이 개념을 더 이상 추구하는 것에 낙담했습니다.^[11] 1928년 말과 1929년 초 헝가리 물리학자 레오 실라르트는 선형 가속기, 사이클로트론, 베타트론에 대한 특허 출원을 독일에 제출했습니다.^[12] 이러한 응용 분야에서 실라드는 원형 가속 장치의 공명 조건(현재 사이클로트론 주파수라고 함)에 대해 논의한 최초의 사람이 되었습니다. 그러나 스틴벡의 아이디어나 질라드의 특허 출원은 한 번도 발표되지 않았고 따라서 사이클로트론의 개발에 기여하지 않았습니다.^[13] 몇 달 후 1929년 초여름, 어니스트 로렌스는 표류관 가속기를 설명하는 롤프 와이드외의 논문을 읽고 독자적으로 사이클로트론 개념을 구상했습니다.^[14][15][16] 그는 1930년 사이언스에 논문을 발표했는데, 그 해 4월에 그의 학생이 조잡한 모형을 만든 후였다(시클로트론 개념에 대한 최초의 발표된 설명). ^[17] 그는 1932년에 그 장치에 대한 특허를 냈습니다.^[4][18]

로렌스는 그런 최초의 장치를 만들기 위해 연방 전신 회사에서 제공한 오래된 아크 변환기에서 재활용된 대형 전자석을 사용했습니다.^[19] 그는 대학원생인 M. Stanley Livingston의 도움을 받았습니다. 그들의 첫 번째 작동 사이클로트론은 1931년 1월에 작동하게 되었습니다. 이 기계의 반경은 4.5인치(11cm)였으며 양성자를 80keV까지 가속했습니다.^[20]

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에 있는 방사선 연구소(현재의 로렌스 버클리 국립 연구소)에서 로렌스와 공동 연구자들은 당시 세계에서 가장 강력한 가속기였던 사이클로트론 시리즈를 제작했습니다. 27인치(69cm) 4.8 MeV 기계(1932), 37인치(94cm) 8MeV 기계(1937)와 60인치(152cm) 16MeV 기계(1939). 로렌스는 사이클로트론의 발명과 개발, 그리고 그것으로 얻은 결과로 1939년 노벨 물리학상을 받았습니다.^[21]

최초의 유럽 사이클로트론은 소련 레닌그라드에 있는 V.G. 클로핀 라듐 연구소의 물리학과에 건설되었으며, 이 연구소의 대표는 비탈리 클로핀입니다. 이 레닌그라드 악기는 1932년 조지 가모프(George Gamow)와 레프 미소브스키(Lev Mysovski[ru])에 의해 처음 제안되었고 1937년에 설치되어 작동하게 되었습니다.^[22][23][24]

두 개의 사이클로트론이 나치 독일에서 만들어졌습니다.^[25] 1937년 베를린 카이저 빌헬름 연구소의 오토 한의 연구실에서 처음으로 건설되었으며 루돌프 플라이슈만도 사용했습니다. Greinacher 승수를 가진 최초의 사이클로트론으로 전압을 2.8 MV와 3 mA 전류로 높였습니다. 하이델베르크에 발터 보테와 볼프강 겐트너의 관리 하에 두 번째 사이클로트론이 건설되었고, 1943년에 가동되었습니다.^[26]

1930년대 후반까지 특수 상대성 이론의 영향으로 인해 기존 사이클로트론 설계로 달성할 수 있는 빔 에너지에 현실적인 한계가 있음이 분명해졌습니다.^[27] 입자가 상대론적 속도에 도달함에 따라 유효 질량이 증가하고, 이로 인해 주어진 자기장에 대한 공명 주파수가 변화합니다. 이 문제를 해결하고 사이클로트론을 사용하여 더 높은 빔 에너지에 도달하기 위해 두 가지 주요 접근법, 즉 자기장을 일정하게 유지하지만 가속 주파수를 감소시키는 싱크로 사이클로트론과 등시 사이클로트론이 적용되었습니다.^[28]

로렌스의 팀은 1946년에 최초의 싱크로사이클론 중 하나를 만들었습니다. 이 184인치(4.7m) 기계는 결국 양성자의 경우 최대 350 MeV의 빔 에너지를 달성했습니다. 그러나, 싱크로사이클로트론은 낮은 빔 강도(< 1 µA)로 인해 어려움을 겪으며, "펄스" 모드로 작동되어야 하며, 이는 가용한 총 빔을 더욱 감소시킵니다. 따라서, 그들은 등시성 사이클로트론에 의해 빠르게 인기를 추월당했습니다.^[28]

(분류된 프로토타입 이외의) 최초의 등시 사이클로트론은 F에 의해 제작되었습니다. 안녕, K.1956년 네덜란드 델프트의 T. Khoe.^[29] 초기의 등시 사이클로트론은 핵자당 ~50 MeV의 에너지로 제한되었지만, 제조 및 설계 기술이 점차 향상됨에 따라 "나선 부문" 사이클로트론의 구축으로 보다 강력한 빔의 가속 및 제어가 가능해졌습니다. 나중에 개발된 것은 더 강력한 초전도 자석을 사용하는 것과 자석을 하나의 큰 자석과 달리 분리된 섹터로 분리하는 것이었습니다.^[28]

작동원리

사이클로트론 원리

입자 가속기에서 하전 입자는 간격을 가로질러 전기장을 인가함으로써 가속됩니다. 이 간격을 가로지르는 입자에 대한 힘은 로런츠 힘 법칙에 의해 주어집니다.

여기서 q는 입자의 전하, E는 전기장, v는 입자 속도, B는 자속 밀도입니다. 자기력은 항상 운동 방향에 수직으로 작용하기 때문에 속도가 아니라 입자의 방향만 바꿀 수 있기 때문에 정전기장만을 이용해서 입자를 가속하는 것은 불가능합니다.^[30]

실제로 간격을 가로질러 인가될 수 있는 불변 전기장의 크기는 정전기적 고장을 피할 필요가 있기 때문에 제한됩니다.^{[31]: 21} 이처럼 현대 입자 가속기는 가속을 위해 교류(무선 주파수) 전기장을 사용합니다. 간격을 가로지르는 교대장은 그 주기의 일부 동안 전진 방향으로만 가속을 제공하기 때문에, RF 가속기의 입자는 연속적인 흐름이 아닌 묶음으로 이동합니다. 선형 입자 가속기에서는 한 다발이 간격을 지날 때마다 순방향 전압을 "보기"하려면 간격을 점점 더 멀리 두어야 하는데, 이는 입자의 증가하는 속도를 보상하기 위한 것입니다.^[32]

반대로 사이클로트론은 자기장을 이용해 입자 궤적을 나선형으로 구부려 같은 간격을 여러 번 사용해 한 다발을 가속합니다. 번치가 바깥쪽으로 나선형으로 이동함에 따라 간격 사이의 증가하는 거리는 속도 증가와 정확히 균형을 이루므로 번치는 매번 RF 주기의 동일한 지점에서 간격에 도달합니다.^[32]

수직 자기장에서 입자가 궤도를 도는 주파수를 사이클로트론 주파수라고 하며, 비상대론적인 경우에는 입자의 전하와 질량, 자기장의 세기에만 의존합니다.

여기서 f는 (선형) 주파수, q는 입자의 전하, B는 입자가 이동하는 평면에 수직인 자기장의 크기, m은 입자 질량입니다. 진동수가 입자 속도와 무관하다는 특성은 나선형으로 이동하는 입자를 가속하는 데 단일 고정 간격을 사용할 수 있게 해줍니다.^[32]

입자 에너지

사이클로트론에서 입자가 가속 갭을 통과할 때마다 갭을 가로지르는 전기장에 의해 가속력이 주어지며, 교차할 때마다 증가하는 양에 입자가 갭을 통과하는 횟수를 곱하면 총 입자 에너지 이득을 계산할 수 있습니다.^[33]

그러나 일반적으로 회전 수가 많기 때문에 일반적으로 원운동에서의 주파수에 대한 방정식을 결합하여 에너지를 추정하는 것이 더 쉽습니다.

사이클로트론 주파수 방정식을 사용하여 다음을 산출합니다.

따라서 속력이 v인 입자의 운동 에너지는 다음과 같이 주어집니다.

여기서 r은 에너지가 결정되는 반지름입니다. 따라서 주어진 사이클로트론에 의해 생성될 수 있는 빔 에너지의 한계는 자기장과 가속 구조에 의해 도달할 수 있는 최대 반경과 달성할 수 있는 자기장의 최대 강도에 달려 있습니다.^[8]

K인자

비상대론적 근사에서 주어진 사이클로트론의 원자 질량당 최대 운동 에너지는 다음과 같습니다.

where ${\displaystyle e}$ is the elementary charge, ${\displaystyle B}$ is the strength of the magnet, ${\displaystyle r_{\max }}$ is the maximum radius of the beam, ${\displaystyle m_{a}}$ is an atomic mass unit, ${\displaystyle Q}$ is the charge of the beam particles, $그리고{\displaystyle }$ ${\displaystyle A}$는 빔 입자의 원자 질량입니다. K의 값

"K-팩터"로 알려져 있으며 사이클로트론의 최대 빔 에너지를 특성화하는 데 사용됩니다. 이는 주어진 기계에서 가속된 양성자의 이론적 최대 에너지(Q와 A가 1과 같음)를 나타냅니다.^[34]

입자궤적

사이클로트론에서 입자가 뒤따르는 궤적은 일반적으로 "나선"이라고 불리지만, 더 정확하게는 일정한 반경의 일련의 호로 묘사됩니다. 입자 속도, 따라서 궤도 반지름은 가속 간격에서만 증가합니다. 입자는 이러한 영역에서 벗어나 고정된 반지름으로 (첫 번째 근사치로) 궤도를 돌 것입니다.^[35]

그럼에도 불구하고 단순한 나선형은 유용한 근사치일 수 있습니다. 입자가 한 번 회전할 때마다 에너지 δ을 얻는다고 생각하면 n번 회전한 후의 에너지는 다음과 같습니다.

사이클로트론 내 입자의 운동 에너지에 대한 방정식과 결합하면 다음을 얻을 수 있습니다. 이것은 페르마 나선의 방정식입니다.

안정성과 집중력

입자 다발이 사이클로트론 주위를 이동할 때 두 가지 효과가 입자를 퍼지게 하는 경향이 있습니다. 첫 번째는 위치와 속도의 초기 확산을 가진 이온 소스로부터 주입된 입자입니다. 이 확산은 시간이 지남에 따라 증폭되는 경향이 있어 입자가 다발 중심에서 멀어집니다. 두 번째는 정전기 전하로 인한 빔 입자의 상호 반발입니다.^[36] 가속을 위해 입자의 초점을 유지하려면 입자를 가속 평면(평면 내 또는 "수직"^[a] 초점)에 국한하고 올바른 궤도에서 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동하는 것을 방지하며("수평"^[a] 초점") 가속 RF 필드 사이클과 동기화된 상태를 유지해야 합니다.^[35]

가로방향 안정성 및 초점 조절

평면 내 또는 "수직"^[a] 초점은 일반적으로 궤도 주위의 자기장, 즉 방위각을 변화시킴으로써 달성됩니다. 따라서 이 포커싱 방법을 사용하는 사이클로트론을 방위 가변장(AVF) 사이클로트론이라고 합니다.^[37] 자기장 강도의 변화는 자석의 강철 코어를 섹터로 성형함으로써 제공됩니다.^[35] 입자^[37] 빔에 초점을 맞추기 위한 이 솔루션은 1938년 L. H. Thomas에 의해 제안되었으며 거의 모든 현대 사이클로트론은 방위적으로 변하는 장을 사용합니다.^[38]

"수평"^[a] 초점은 사이클로트론 운동의 자연스러운 결과로 발생합니다. 일정한 자기장에 수직으로 이동하는 동일한 입자의 경우 궤적 곡률 반경은 속도의 함수일 뿐이므로 동일한 속도를 가진 모든 입자는 동일한 반경의 원형 궤도를 이동하게 됩니다. 그리고 궤도가 약간 부정확한 입자는 중심이 약간 상쇄된 원을 따라 이동할 것입니다. 궤도가 중심인 입자에 비해 그러한 입자는 중심 입자에 비해 수평 진동을 겪는 것처럼 보일 것입니다. 이 진동은 기준 에너지의 편차가 작은 입자에 대해 안정적입니다.^[35]

종안정성

입자와 RF 필드 사이의 순간 동기화 수준은 RF 필드와 입자 사이의 위상 차이로 표현됩니다. 첫 번째 고조파 모드(즉, 입자는 RF 사이클당 1회전)에서 RF 필드의 순간 위상과 입자의 순간 방위각 사이의 차이입니다. 위상 차이가 90°(모듈로 360°)^{[35]: ch.2.1.3} 일 때 가장 빠른 가속이 가능합니다. 동기화, 즉 이 값에서 멀리 떨어진 위상 차이는 입자가 느리게 가속되거나 심지어 감속됩니다(0 ~ 180° 범위 밖).

입자가 궤도를 완성하는 데 걸리는 시간은 입자의 유형, 자기장(반지름에 따라 달라질 수 있음) 및 로렌츠 인자(§ 상대론적 고려 사항 참조)에만 의존하기 때문에 사이클로트론에는 입자가 RF 필드에 동기화된 상태를 유지하는 종방향 집속 메커니즘이 없습니다. 입자가 사이클로트론에 주입되는 순간에 가졌던 위상 차이는 가속 과정 내내 유지되지만, RF 필드 주파수와 주어진 반경에서의 사이클로트론 주파수 사이의 불완전한 일치로 인한 오류가 그 위에 축적됩니다.^{[35]: ch.2.1.3} 입자가 최적에서 약 ±20° 이내의 위상차로 주입되지 않으면 가속 속도가 너무 느려지고 사이클로트론에 너무 오래 머무르게 될 수 있습니다. 그 결과, 공정 중간에 위상차가 0~180° 범위를 벗어나 가속이 감속으로 변하고 입자가 목표 에너지에 도달하지 못합니다. 사이클로트론에 주입하기 전에 입자를 정확하게 동기화된 묶음으로 그룹화하면 주입 효율이 크게 향상됩니다.^{[35]: ch.7}

상대론적 고찰

비상대론적 근사에서 사이클로트론 주파수는 입자의 속도나 입자의 궤도 반지름에 의존하지 않습니다. 빔이 바깥쪽으로 나선을 그리면서 회전 주파수는 일정하게 유지되고 빔은 같은 시간 동안 더 먼 거리를 이동하면서 계속 가속됩니다. 이와 반대로 입자가 빛의 속도에 가까워지면 상대론적 질량의 변화로 사이클로트론 주파수가 감소합니다. 이 변화는 입자의 로런츠 인자에 비례합니다.^{[30]: 6–9}

상대론적 질량은 다음과 같이 표기할 수 있습니다.

위치:

• ${\displaystyle m_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$은 입자 정지 질량이고,
• ${\displaystyle \beta }$ = $vC {\displaysty$ta ={\frac {v}{c}}는 상대 속도이고,
• ${\displaystyle \frac{\sqrt{\gamma }}{}}$ $=$- ${\displaystyle \beta }$ 2 ${\displaystyle \frac{\sqrt{=}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\sqrt{11}}{}}$ -${\displaystyle \frac{\sqrt{{}^{}}}{}}$(${\displaystyle \frac{\sqrt{{}^{}}}{}}$c ) 2${\displaysty$ ={\$frac {1}{\sqrt$eta ^{$2$ {1-$\l$({\$frac$ {v}{c}}\right)^{2}}}는 로렌츠 인자입니다.

이를 사이클로트론 주파수와 각 주파수에 대한 방정식에 대입하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

정적 자기장에서 움직이는 입자의 자이로 반지름은 다음과 같습니다.^{[30]: 6–9}

이 식에서 속도를 주파수와 반지름으로 표현하면

자기장 세기, 주파수 및 반지름 사이의 연결을 산출합니다.

상대론적 사이클로트론에 대한 접근법

사이클로트론 및 기타 원형가속기의^[39] 특성

	상대론적	가속장		굽힘 자기 야전 강도		궤도 반지름 변화
		기원.	빈도수. vs 시간[b]	vs 시간[b]	대 반지름
사이클로트론
고전 사이클로트론	아니요.	정전기적	일정한	일정한	일정한	큰.
등시성 사이클로트론	네.	정전기적	일정한	일정한	증가하는	큰.
싱크로사이클론	네.	정전기적	감소	일정한	상수[c]	큰.
기타 원형 가속기
FFA	네.	정전기적	DD[d]	일정한	DD[d]	작은.
싱크로트론	네.	정전기적	증가하는, 유한한 한도	증가하는	해당[e] 없음	없음.
베타트론	네.	인덕션	증가하는, 유한한 한도	증가하는	해당[e] 없음	없음.

싱크로사이클론

$입자$가 상대론적 속도에 도달함에$$따라 γ {\displaystyle$$\gamma}가 증가하기 때문에 상대론적 입자의 가속은 입자가 각 RF 주기의 동일한 지점에서 간격을 통과하도록 사이클로트론을 수정해야 합니다. 자기장이 일정하게 유지된 상태에서 가속 전기장의 주파수가 변하면 싱크로사이클로트론이 유도됩니다.^[32]

이러한 유형의 사이클로트론에서 가속 주파수는 입자 궤도 반경의 함수로 다음과 같이 변화합니다.

가속 주파수의 감소는 일정한 자기장에 대한 감마의 증가와 일치하도록 조정됩니다.^[32]

등시성 사이클로트론

대신 가속장의 주파수가 일정하게 유지되는 동안 자기장이 반경에 따라 변하면 등시 사이클로트론이 발생합니다.^[32]

주파수를 일정하게 유지하면 등시 사이클로트론이 연속 모드로 작동할 수 있으므로 싱크로 사이클로트론보다 훨씬 더 큰 빔 전류를 생성할 수 있습니다. 반면 궤도 주파수와 가속 필드 주파수의 정확한 일치는 반지름을 갖는 자기장 변화의 책임이므로 변화를 정확하게 조정해야 합니다.

고정장 교대 경사 가속기(FFA)

고정장 교대 구배 가속기(FFA)는 (동기식 사이클로트론에서와 같이) 정적 자기장과 교대 구배 포커싱을 결합하는 접근 방식입니다. 등시 사이클로트론에서는 정확하게 가공된 강철 자석 극을 사용하여 자기장을 형성합니다. 이 변형은 입자가 극의 가장자리를 가로지를 때 포커싱 효과를 제공합니다. FFA에서는 강한 집속의 원리를 이용하여 빔을 집속하기 위해 방향이 서로 다른 별도의 자석을 사용합니다. FFA에서 집속 및 굽힘 자석의 필드는 시간에 따라 변하지 않으므로 빔 챔버는 빔이 가속할 때 집속 자석의 필드 내에서 변화하는 빔 반경을 수용할 수 있을 만큼 충분히 넓어야 합니다.^[40]

분류

사이클로트론형

사이클로트론에는 여러 가지 기본 유형이 있습니다.^[41]

Classical cyclotron

가장 빠르고 간단한 사이클로트론입니다. 고전적인 사이클로트론은 균일한 자기장과 일정한 가속 주파수를 가지고 있습니다. 이들은 비상대론적 입자 속도(입자의 정지 에너지에 비해 출력 에너지가 작음)로 제한되며, 가속 평면에서 빔을 정렬 상태로 유지하기 위한 능동 초점이 없습니다.^[33]

Synchrocyclotron

싱크로사이클로트론은 입자의 궤도가 증가함에 따라 가속장의 진동수를 감소시켜 사이클로트론의 에너지를 상대론적 체제로 확장시켜 입자의 공전 주파수와 동기화된 상태를 유지했습니다. 이를 위해서는 펄스 동작이 필요하기 때문에 고전적인 사이클로트론에 비해 통합된 총 빔 전류가 낮았습니다. 빔 에너지 측면에서 이들은 싱크로트론이 개발되기 전인 1950년대에 가장 강력한 가속기였습니다.^[28][9]

Isochronous cyclotron (isocyclotron)

이러한 사이클로트론은 입자가 상대론적 속도에 도달함에 따라 사이클로트론 주파수의 변화를 보상하기 위해 자기장을 변경함으로써 출력 에너지를 상대론적 체제로 확장합니다. 그들은 주변 지역에서 더 강한 불균일한 자기장을 만들기 위해 특별한 모양의 자석 극 조각을 사용합니다. 대부분의 현대 사이클로트론은 이러한 유형입니다. 또한 기둥 조각은 빔이 가속면에서 입자의 초점을 궤도로 유지하도록 모양을 만들 수 있습니다. 이를 "섹터 포커싱" 또는 "우주적으로 가변하는 필드 포커싱"이라고 하며, 교대-구배 포커싱의 원리를 사용합니다.^[28]

Separated sector cyclotron

분리된 섹터 사이클로트론은 자석이 별도의 섹션에 있고, 필드가^[28] 없는 갭으로 분리된 기계입니다.

Superconducting cyclotron

사이클로트론 맥락에서 "초전도"는 입자 궤도를 나선형으로 구부리는 데 사용되는 자석의 종류를 말합니다. 초전도 자석은 일반 전도 자석보다 동일한 면적에서 훨씬 더 높은 필드를 생성할 수 있으므로 더 작고 강력한 기계를 사용할 수 있습니다. 최초의 초전도 사이클로트론은 1981년에 온라인에 출시된 미시간 주립 대학의 K500이었습니다.^[42]

보형

사이클로트론 빔을 위한 입자는 다양한 유형의 이온 소스에서 생성됩니다.

Proton beams

가장 간단한 형태의 사이클로트론 빔인 양성자 빔은 일반적으로 수소 가스를 이온화하여 생성됩니다.^[43]

H⁻ beams

음의 수소 이온을 가속하면 기계에서 빔을 추출하는 것이 간단해집니다. 원하는 빔 에너지에 해당하는 반경에서 금속⁻ 호일을 사용하여 H 이온으로부터 전자를 떼어내어 양전하를⁺ 띤 H 이온으로 변환합니다. 극성이 변하면 자기장에 의해 빔이 반대 방향으로 편향되어 빔을 기계 밖으로 운반할 수 있습니다.^[44]

Heavy ion beams

수소보다 무거운 입자의 빔은 중이온 빔이라고 하며, 중수소 핵(양성자 하나와 중성자 하나)부터 우라늄 핵까지 다양합니다. 더 무거운 입자를 가속하는 데 필요한 에너지 증가는 입자의 전하를 증가시키기 위해 원자에서 더 많은 전자를 제거함으로써 균형을 이루므로 가속 효율이 증가합니다.^[43]

대상유형

사이클로트론 빔을 사용하려면 표적을 향해야 합니다.^[45]

Internal targets

사이클로트론 빔으로 목표물을 타격하는 가장 간단한 방법은 사이클로트론에 있는 빔의 경로에 직접 삽입하는 것입니다. 내부 타겟은 사이클로트론 빔 챔버 내에 들어갈 수 있을 정도로 컴팩트해야 하므로 많은 의료 및 연구 용도에 비실용적이라는 단점이 있습니다.^[46]

External targets

사이클로트론에서 외부 타겟에 충돌하기 위해 빔을 추출하는 것은 내부 타겟을 사용하는 것보다 더 복잡하지만, 빔의 배치와 초점을 더 많이 제어하고 빔이 지향될 수 있는 타겟 유형에 훨씬 더 유연성을 부여합니다.^[46]

사용.

기초연구

수십 년 동안 사이클로트론은 핵물리학 실험을 위한 고에너지 빔의 최고 공급원이었습니다. 강한 집속 싱크로트론의 등장으로 사이클로트론은 가장 높은 에너지를 생산할 수 있는 가속기로 대체되었습니다.^[32][9] 그러나 사이클로트론은 소형화 및 고에너지 싱크로트론에 비해 비용이 저렴하기 때문에 가능한 최대 에너지를 달성하지 못하는 연구를 위한 빔을 만드는 데 여전히 사용됩니다.^[42] 사이클로트론 기반 핵물리학 실험은 반감기, 질량, 상호작용 단면, 붕괴 방식을 포함한 동위원소(특히 수명이 짧은 방사성 동위원소)의 기본 특성을 측정하는 데 사용됩니다.^[47]

의료용

방사성동위원소 생산

사이클로트론 빔은 의료 영상 및 방사선 치료를 포함한 다양한 의료 용도로 짧은 수명의 동위원소를 생성하기 위해 다른 원자를 폭격하는 데 사용될 수 있습니다.^[48] PET 및 SPECT 이미징에는 불소-18, 탄소-11, 테크네튬-99m^[49] 등 양전자 및 감마 방출 동위원소가 사용됩니다. 사이클로트론에서 생성된 방사성 동위원소는 진단 목적으로 널리 사용되고 있지만, 치료 용도는 여전히 크게 개발 중입니다. 제안된 동위 원소로는 아스타틴-211, 팔라듐-103, 레늄-186, 브롬-77 등이 있습니다.^[50]

빔 테라피

에너지가 넘치는 양성자가 효과적인 치료 방법이 될 수 있다는 최초의 제안은 로버트 R에 의해 이루어졌습니다. 윌슨은 1946년에[51] 발표한 논문에서 하버드 사이클로트론 연구소의 설계에 참여했습니다.^[52]

사이클로트론의 빔은 암을 치료하기 위한 입자 치료에 사용될 수 있습니다. 사이클로트론의 이온 빔은 양성자 치료에서와 같이 인체에 침투하여 방사선 손상으로 종양을 죽이는 동시에 경로를 따라 건강한 조직의 손상을 최소화하는 데 사용될 수 있습니다.

2020년 현재 전 세계적으로 양성자와 중이온의 빔을 이용한 방사선 치료를 위한 시설은 약 80개로 사이클로트론과 싱크로트론의 혼합물로 구성되어 있습니다. 사이클로트론은 주로 양성자 빔에 사용되고, 싱크로트론은 더 무거운 이온을 생성하는 데 사용됩니다.^[53]

장점과 한계

선형 가속기에 비해 사이클로트론의 가장 명백한 장점은 동일한 가속 갭을 여러 번 사용하기 때문에 공간 효율성과 비용 효율성이 더 높다는 것입니다. 더 적은 공간과 더 적은 장비로 입자를 더 높은 에너지로 가져올 수 있습니다. 사이클로트론의 소형화는 기초, 방사선 차폐 및 주변 건물과 같은 다른 비용도 절감합니다. 사이클로트론에는 단일 전기 드라이버가 있어 장비와 전력 비용을 모두 절약할 수 있습니다. 또한, 사이클로트론은 타겟에서 연속적인 입자 빔을 생성할 수 있으므로, 입자 빔에서 타겟으로 전달되는 평균 전력은 싱크로트론의 펄스 빔에 비해 상대적으로 높습니다.^[54]

그러나 앞에서 설명한 바와 같이, 일정한 주파수 가속법은 가속된 입자가 뉴턴의 운동 법칙을 대략적으로 따르고 있을 때에만 가능합니다. 입자가 상대론적 효과가 중요해질 정도로 빨라지면 빔은 진동하는 전기장과 위상이 어긋나 추가적인 가속을 받을 수 없습니다. 따라서 고전적인 사이클로트론(일정한 장과 주파수)은 입자를 광속의 몇 퍼센트까지만 가속할 수 있습니다. 싱크로, 등시성 및 기타 유형의 사이클로트론은 복잡성과 비용 증가의 상쇄와 함께 이러한 한계를 극복할 수 있습니다.^[54]

사이클로트론의 추가적인 한계는 공간 전하 효과로 인한 것으로, 빔 내 입자들의 상호 반발력입니다. 사이클로트론 빔의 입자(빔 전류)의 양이 증가함에 따라 정전기적 반발의 효과는 이웃 입자의 궤도를 방해할 때까지 더 강해집니다. 이는 빔 강도 또는 한 번에 가속할 수 있는 입자의 수를 에너지와 구별하여 기능적으로 제한합니다.^[55]

주목할 만한 예

Name	나라	날짜.	Energy	Beam	지름	사용중?	평.	Ref
로렌스 4.5인치 사이클로트론	미합중국	1931	80keV	프로톤스	4.5인치(0.11m)	아니요.	첫 번째 작동 사이클로트론	[20]
로렌스 184인치 사이클로트론	미합중국	1946	380 MeV	알파입자, 중수소, 양성자	184인치(4.7m)	아니요.	최초의 싱크로사이클로트론과 사상 최대의 단일 자석 사이클로트론	[28]
TU 델프트 등시 사이클로트론	네덜란드	1958	12 MeV	프로톤스	0.36m	아니요.	첫 번째 등시 사이클로트론	[29]
로렌스 버클리 국립 연구소 88인치 사이클로트론	미합중국	1961	60 MeV	양성자, 알파 입자, 중성자, 중이온	88인치(2.2m)	네.	현존하는 가장 오래된 연속 작동식 대형 사이클로트론	[56]
PSI 링 사이클로트론	스위스	1974	590 MeV	프로톤스	15m	네.	사이클로트론 중 가장 높은 빔 파워	[57]
TRIUMF 520 MeV	캐나다	1976	520 MeV	아−	56피트(17m)	네.	역대 최대 규모의 정상적인 전도체 사이클로트론	[58]
미시간 주립대학교 K500	미합중국	1982	500 MeV/u	헤비 이온	52인치(1.3m)	네[59]	최초의 초전도 사이클로트론	[60][61]
리켄 초전도 고리 사이클로트론	일본	2006	400 MeV/u	헤비 이온	18.4m	네.	2600의 K-value는 지금까지 달성된 것 중 가장 높습니다.	[62]

관련기술

마그네트론은 횡자계 내의 원통형 진공 챔버 내에서 전자의 나선형(spiraling)을 형성하는 고주파 전파(microwave) 장치이기도 합니다. 마그네트론에서 전자는 자기장에 의해 원형 경로로 구부러지고, 전자의 운동은 공명 공동을 여기시키는 데 사용되어 전자기 복사를 생성합니다.^[63]

베타트론은 자기장의 변화를 이용하여 전자를 원형 경로로 가속시킵니다. 정전기장은 가속도를 제공할 수 없지만, 힘은 항상 입자 운동 방향에 수직으로 작용하기 때문에 변압기에서와 같은 방식으로 전기력을 유도하기 위해 장을 바꾸는 것이 가능합니다. 베타트론은 1940년에 개발되었지만 아이디어는 훨씬 이전에 제안되었습니다.^[64][12]

싱크로트론은 자석을 사용하여 입자를 원형 궤도로 구부리는 또 다른 유형의 입자 가속기입니다. 사이클로트론에서와 달리 싱크로트론의 입자 경로는 고정된 반경을 가지고 있습니다. 싱크로트론의 입자는 빨라질수록 가속 스테이션을 증가하는 빈도로 통과합니다. 이러한 주파수 증가를 보상하기 위해서는 인가된 가속 전기장과 자기장의 주파수를 함께 증가시켜 이름의 "synchro" 부분을 유도해야 합니다.^[65]

픽션으로

미국 전쟁부는 유명하게도 1945년 4월 슈퍼맨이 사이클로트론의 방사선을 폭격하게 한 것에 대해 슈퍼맨 만화의 일간지를 철회해달라고 요청했습니다.^[66]

1984년 영화 고스트 버스터즈에서, 작은 사이클로트론은 유령을 잡는 데 사용되는 양성자 무리의 일부를 형성합니다.^[67]

참고 항목

• 사이클로트론 복사 – 자기장에 의해 휘어진 비상대론적 하전입자에 의해 생성되는 복사
• 고속 중성자 치료 – 가속기에서 생성된 빔을 사용할 수 있는 빔 치료 유형
• 마이크로트론 - 일정한 자기장을 갖는 선형 가속기형 가속 구조를 사용하는 사이클로트론과 유사한 가속기 개념.
• 복사 반력 – 자기장 안에서 휘어진 빔에 대한 제동력

메모들

참고문헌

더보기

• Feder, T. (2004). "Building a Cyclotron on a Shoestring". Physics Today. 57 (11): 30–31. Bibcode:2004PhT....57k..30F. doi:10.1063/1.1839371. S2CID 109712952.
• Jardin, X. (12 Jan 2005). "The Cyclotron Comes to the 'Hood". Wired. 알래스카 앵커리지에 있는 사이클로트론에 관한 것입니다.
• Niell, F. M. (2005). "Resonance Mapping and the Cyclotron". Archived from the original on 2009-05-05. Retrieved 2005-05-27. 프레드 M이 한 실험. 니엘 3세는 고등학교 3학년(1994-95)에 입학하여 ISEF에서 종합 대상을 수상했습니다.

외부 링크

현재설비

• 로렌스 버클리 국립 연구소의 88인치 사이클로트론
• PSI 프로톤 가속기 – 세계에서 가장 높은 빔 전류 사이클로트론.
• RIKEN Nishina 가속기 기반 과학 센터 (RIKEN Nishina Center for Accelerator-based Science for the Wayback Machine) 아카이브 2017-11-12 – 세계에서 가장 높은 에너지 사이클로트론의 본고장
• Rutgers Cyclotron – Rutgers University의 학생들은 학부 프로젝트로 30cm(12인치) 1 MeV Cyclotron을 만들었고, 이 사이클로트론은 현재 상급 학부 및 대학원 연구실 과정에 사용됩니다.
• TRIUMF – 세계에서 가장 큰 단일 자석 사이클로트론.

역사적 사이클로트론

• 어니스트 로렌스의 사이클로트론 버클리 방사선 연구소, 현재의 로렌스 버클리 국립 연구소의 사이클로트론 개발 역사
• 미시간 주립 대학의 국립 초전도 사이클로트론 연구소 – 결합된 K500과 K1200 초전도 사이클로트론의 본거지; 최초의 초전도 사이클로트론인 K500과 이전에 세계에서 가장 강력했던 K1200.