싱크로사이클로트론

싱크로사이클론(Synchrocyclotron)은 에드윈 맥밀런이 특허를 받은 특수 형태의 사이클로트론으로서, 입자의 속도가 빛의 속도에 접근하기 시작하면서 상대론적 효과를 보상하기 위해 구동 RF 전기장의 주파수가 변화한다. 이는 이 주파수가 일정한 고전적인 사이클로트론과는 대조적이다.^[1]

싱크로사이클론(Synchrocyclotron)과 고전 사이클로트론(Cyclotron) 사이에는 크게 두 가지 차이가 있다. 싱크로사이클로트론에서는 하나의 디(Hollow "D"자 모양의 판금 전극)만이 고전적인 형태를 유지하고 있고, 다른 하나의 폴은 열려 있다(특허 스케치 참조). 또한, 싱크로사이클로트론에서 전기장을 진동시키는 빈도는 상대적 속도에 대한 사이클로트론 공명을 유지하기 위해 일정하게 유지되는 대신 지속적으로 감소하고 있다. 주기적으로 변화하는 진동 전기 전위의 한 단자는 디에 적용되고 다른 단자는 접지 전위에 있다. 가속할 양성자나 중수자는 반지름이 증가하는 원을 그리며 이동하도록 만들어진다. 입자가 디로 들어가거나 나올 때 가속이 일어난다. 바깥쪽 가장자리에서는 정전기 디플렉터의 도움으로 이온 빔을 제거할 수 있다. 최초의 싱크로사이클로트론은 195 메브 중수체와 390 메브 α 입자를 생산했다.^[2]

고전 사이클로트론과의 차이점

고전적인 사이클로트론에서는 전기장의 각진 주파수는 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle \Omega }$= ${\displaystyle q\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{B}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\$ {$qB}{m$

여기서 $\Omega {\displaystyle }$ ${\displaystyle \omega}$은 전기장의 각도 주파수, $q{\displaystyle }$ ${\displaystyle q}$은 입자의 전하, $B{\displaystyle }$ ${\displaystyle B}$은 자기장, m ${\displaystyle m}$은 입자의 질량이다. 이것은 입자가 고전적이라는 가정을 하게 하고, 길이 수축과 같은 상대론적 현상을 경험하지 않는다. 이러한 효과는 입자의 속도가$$$\approx {\displaystyle }$ c ${\displaystyle \frac{3}{}}$보다 큰 $v{\displaystyle }$ ${\$$displaystyle \{\frac{c}{3}}$일 때 유의해지기 시작한다$.$ 이를 교정하기 위해 나머지 질량 대신 상대론적 질량을 사용하므로 $\gamma {\displaystyle }$ ${\displaystyle \gamma}$의 인수가 질량을 곱하여$$ 질량을 증가시킨다.

${\displaystyle \Omega }$= ${\displaystyle q\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{B}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{\gamma }{}}$ ${\$ $\}\},$

어디에

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

이것은 입자가 싱크로사이클로트론 주위로 가속될 때 입자에 적용되는 장의 각도 주파수다.

이점

싱크로사이클로트론의 가장 큰 장점은 이온이 퇴장하기 전에 이온에 의해 실행되는 회전수를 제한할 필요가 없다는 것이다. 이와 같이 dee들 사이에 공급되는 전위차는 훨씬 작을 수 있다.

간격에 걸쳐 필요한 작은 전위차에는 다음과 같은 용도가 있다.

1. 기존 사이클로트론의 경우처럼 큰 가속을 생산하기 위한 강한 전기장이 필요하지 않기 때문에 드 사이의 간격이 좁을 필요가 없다. 따라서 두 개 대신 하나의 디만 사용할 수 있으며, 다른 쪽 끝은 지구에 연결되어 있다.
2. 자기극 조각은 더 가까이 올 수 있기 때문에 자속 밀도를 크게 증가시킬 수 있다.
3. 주파수 밸브 오실레이터는 훨씬 더 높은 효율로 작동할 수 있다.

단점들

이 장치의 주된 단점은 진동 전압 공급의 주파수 변동의 결과, 출력이온 전류가 듀티 사이클이 낮으며 평균 빔 전류가 오직 평균 빔 전류가 단지 최대 반경 및 에너지의 위상 안정 궤도에서 포착된다는 것이다. 순간 빔 전류의 소량 그러므로 기계는 비교적 낮은 강도로는 하지만 높은 에너지 이온을 생산한다.

사이클로트론 개념의 다음 개발 단계인 등시성 사이클로트론은 일정한 RF 구동 주파수를 유지하고 반지름과 함께 자기장을 증가시켜 상대론적 효과를 보상한다. 등시성 사이클로트론은 싱크로 사이클로트론보다 훨씬 더 큰 빔 전류를 생산할 수 있다. 그 결과 연구 분야에서 등시성 사이클로트론이 더욱 인기를 얻게 되었다.

역사

1945년 어니스트 로렌스 방사선 연구소의 로버트 라이스터 손튼이 184인치(470cm) 730MeV 사이클로트론의 건설을 주도했다. 1946년, 그는 사이클로트론의 새로운 설계로의 전환을 감독했는데, 이것은 195 메브 중수체와 390 메브 α 입자를 생산할 수 있는 최초의 싱크로 사이클로트론이 될 것이다.

최초의 싱크로사이클론(Synchrocyclotron)이 가동된 후, 해군연구실(ONR)은 두 개의 싱크로사이클론 건설 계획에 자금을 지원했다. 첫 번째 기금은 1946년 카네기 공과대학교가 에드워드 크로이츠가 이끄는 435-MeV 싱크로사이클로트론을 건설하고 핵물리학 연구 프로그램을 시작하는 것이었다. 두 번째 계획은 1947년 시카고 대학이 엔리코 페르미의 지휘 아래 450MeV 싱크로사이클로트론을 건설하는 것이었다.

1948년 로체스터 대학교는 240-MeV 싱크로사이클로트론을 준공한 데 이어 1950년 컬럼비아 대학교에서 380-MeV 싱크로사이클로트론을 준공했다.

1950년 카네기 공과대학의 435-MeV 싱크로사이클론(Synchrocyclon)이 가동되었고, 1951년 시카고 대학의 450-MeV 싱크로사이클론(Synchrocyclon)이 그 뒤를 이었다.^[2]

1951년 12월 파리에서 열린 유네스코 회의에서, 곧 설립될 유럽 원자력 연구 기구(CERN)의 중 에너지 가속기를 갖추기 위한 해결책을 찾는 것에 대한 논의가 있었다. 싱크로사이클론(Synchrocyclotron)은 28GeV 프로톤 싱크로트론이 완성되기 전에 그 간극을 메우기 위한 해결책으로 제안되었다. 1952년 코넬리스 바커는 CERN에서 싱크로사이클로트론(SC)이라는 이름의 싱크로사이클로트론(Synchro-Cyclotron)을 설계하고 건설하도록 이 그룹을 이끌었다. 둘레가 15.7m(52ft)인 싱크로-사이클로트론 설계는 1953년부터 시작됐다. 1954년에 착공하여 1957년 8월에 600 MeV 양성자 가속을 달성하였고, 1958년 4월에 실험 프로그램이 시작되었다.^[3]

현재 개발 현황

싱크로사이클로트론은 높은 자기장을 이용해 콤팩트한 시스템을 만들 수 있는 능력 때문에 양성자 치료에 쓰기에 매력적이다. 의료물리학 기업 이온빔 어플리케이션과 메비온 메디컬시스템이 병원에 편안하게 들어갈 수 있는 초전도 싱크로사이클로트론을 개발했다.^[4][5]

참조