Zyklotron

Hintergrund

Das moderne Zyklotron verwendet zwei hohle D-förmige Elektroden, die in einem Vakuum zwischen den Polen eines Elektromagneten gehalten werden. An jede Elektrode wird dann eine hochfrequente Wechselspannung angelegt. Im Raum zwischen den Elektroden erzeugt eine Ionenquelle je nach Konfiguration entweder positive oder negative Ionen. Diese Ionen werden durch eine elektrostatische Anziehung in eine der Elektroden hinein beschleunigt, und wenn der Wechselstrom von positiv nach negativ wechselt, beschleunigen die Ionen in die andere Elektrode. Aufgrund des starken elektromagnetischen Feldes bewegen sich die Ionen auf einer Kreisbahn. Jedes Mal, wenn sich die Ionen von einer Elektrode zur anderen bewegen, gewinnen sie Energie, ihr Rotationsradius vergrößert sich und sie erzeugen eine spiralförmige Umlaufbahn. Diese Beschleunigung setzt sich fort, bis sie aus der Elektrode entweichen. Die beschleunigten Teilchen werden aus dem Zyklotron extrahiert, wenn sie das Ende der spiralförmigen Beschleunigungsstrecke erreichen. Dieser Strahl beschleunigter subatomarer Partikel kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Zielmaterialien zu bombardieren, um radioaktive Isotope zu erzeugen.

Verschiedene Isotope werden in der Medizin als Tracer verwendet, die in den Körper injiziert werden, und bei der Bestrahlung von bestimmten Krebsarten. Zyklotrone werden auch für Forschungszwecke in akademischen und industriellen Umgebungen und für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verwendet. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein Verfahren zur Messung der Konzentrationen von Positronen-emittierenden Radioisotopen im Gewebe lebender Personen. Der Nutzen der PET besteht darin, dass sie in Grenzen biochemische Veränderungen im Körper beurteilen kann. Jede Körperregion, die abnormale biochemische Veränderungen erfährt, kann durch PET gesehen werden. PET hat einen großen Einfluss auf die klinische Anwendung neurologischer Erkrankungen, einschließlich zerebraler Gefäßerkrankungen, Epilepsie und zerebraler Tumoren.

Verlauf

EO Lawrence und seine Doktoranden an der University of California in Berkley probierten viele verschiedene Konfigurationen des Zyklotrons aus, bevor sie 1929 erfolgreich waren. Das früheste Zyklotron war sehr klein und verwendete Elektroden, einen Hochfrequenzoszillator, der 10 Watt erzeugte, ein Vakuum, Wasserstoff Ionen und einen 10 cm (4 Zoll) großen Elektromagneten. Die Beschleunigungskammer des ersten Zyklotrons maß 5 Zoll (12,7 cm) im Durchmesser und steigerte die Wasserstoffionen je nach Einstellung auf eine Energie von 5-45 MeV. Ein Megaelektronenvolt (MeV) ist 1,602 × 1013 J. (J steht für Joule, die Standardeinheit für Energie.) An Design, Konstruktion und Betrieb von immer größeren Zyklotronen waren immer mehr Physiker, Ingenieure und Chemiker beteiligt. Lawrence war sich nie sicher, ob seine Forschungen der Kernphysik oder der Kernchemie zuzuordnen sind.

Rohstoffe

Die Magnete im Zyklotron bestehen aus 25 Tonnen kohlenstoffarmem Stahl mit zwei vernickelten Polen. Physisch wiegt das Zyklotron 55 Tonnen und befindet sich in einem inneren Gewölbe mit Betonwänden und Türen von etwa 2 m Dicke, um die Umgebung vor der beim Betrieb der Maschine vorhandenen Nuklearstrahlung abzuschirmen. Glücklicherweise hat der Großteil dieser Strahlung eine Halbwertszeit von nur Sekunden bis Minuten, so dass es keine langfristigen Entsorgungsprobleme gibt. Die tatsächlichen Abmessungen betragen etwa 100 × 100,5 × 39 Fuß (30,5 × 30,6 × 11,9 m). Die Spulen sind aus geglühtem Kupfer gefertigt, mit Glasfaser isoliert und mit einem Epoxidharz überzogen. Der Aluminium-Vakuumtank ist durch Polyurethan-O-Ringe abgedichtet. Die Ionenquelle verwendet einen Wolframfaden, um das Wasserstoffgas zu erregen, und eine borierte Polyethylenpackung wird verwendet, um die Ansammlung von thermischen Neutronen um die Komponenten des Zyklotrons herum zu reduzieren. Der Targetwechsler ermöglicht dem Zyklotronoperator die Auswahl verschiedener Targets auf jeder der zu bestrahlenden Strahllinien und besteht hauptsächlich aus Aluminium, mit einem Minimum an Edelstahl, um die Neutronenaktivierung zu minimieren.

Design

Die Ausführung des Zyklotrons variiert nach den Vorgaben des Käufers. Ebco Technologies Inc. baut zwei verschiedene Typen von Zyklotronen mit negativen Ionen, von denen einer Protonen auf ein maximales Energieniveau von 19 MeV (TR19) und der andere Protonen auf 32 MeV (TR32) beschleunigen kann. Die Standardkonfiguration des TR19 Zyklotrons ist mit zwei externen Strahllinien, aber es gibt eine verkleinerte Version mit der Option einer Strahllinie. Die TR19-Standardzielkonfiguration besteht aus zwei externen Strahllinien und acht Zielen. Es gibt eine Designoption von zwei bis vier Targets an einer Beamline, die später auf bis zu acht Targets aufgerüstet werden kann. Der TR19 ist auch in einer selbstgeschirmten oder ungeschirmten Konfiguration erhältlich. Die selbstabschirmende Funktion macht einen Zyklotron-Tresor oder größere Upgrades an bestehenden Einrichtungen überflüssig. Darüber hinaus ist der Magnetspalt im TR19 vertikal, um den Platz zu minimieren.

Das Hochfrequenzsystem (HF) besteht aus einem HF-Verstärker, einer koaxialen Übertragungsleitung vom HF-Verstärker zum Zyklotron, einer Stromversorgung sowie Instrumenten- und Rücklesegeräten, einem Oszilloskop, Strom/Spannung, Leistungsmessern und Schnittstellen mit das computergestützte Kontrollsystem. Ein Massendurchflussregler, ein Nadelventil und ein pneumatisches Ventil regulieren den Gasdruck und den Gasfluss.

Ein Wolframfaden wird in die Ionenquelle gelegt und ionisiert beim Erhitzen das Wasserstoffgas. Ein Plasmafilter wird an der Ionenquellenöffnung platziert, um die Bedingungen für die Produktion negativer Ionen zu verbessern.

Die erzeugten negativen Ionen werden in das Zyklotron an seiner X-Achse injiziert. Das Injektionssystem besteht aus einem Satz von Lenkmagneten, um die negativen Ionen durch den geneigten Spiralinflektor auf die Beschleunigungsebene zu fokussieren.

Ernest Orlando Lawrence.

Ernest Orlando Lawrence wurde am 8. August 1901 in South Dakota geboren. Er erhielt 1922 seinen Bachelor-Abschluss in Physik an der University of South Dakota. Lawrence trat in die Graduate School der University of Minnesota ein und schloss seinen Master in einem Jahr ab. Er erhielt seinen Ph.D. in Yale im Jahr 1925, wo er drei Jahre als Fellow des National Research Council, dann als Assistenzprofessor blieb. 1928 wurde er außerordentlicher Professor an der University of California in Berkeley. Zwei Jahre später wurde Lawrence der jüngste ordentliche Professor in Berkeley.

Lawrence erfand seine berühmteste Erfindung, das Zyklotron, im Jahr 1929. Er erkannte, dass er, um Teilchenenergien von wenigen MeV (Millionen Elektronenvolt), die für Kernexperimente erforderlich sind, zu erreichen, die lineare Flugbahn des Teilchens in eine kreisförmige umwandeln konnte, indem er ein Magnetfeld überlagerte im rechten Winkel zur Teilchenbahn. Lawrence bewies sofort, dass die Rotationsfrequenz eines Teilchens nur von der Stärke des Magnetfelds und dem Ladungs-Masse-Verhältnis des Teilchens abhängt, nicht vom Radius seiner Bahn. Dies war das Grundprinzip des Zyklotrons, über das Lawrence erstmals im Herbst 1930 berichtete.

1932 heiratete Lawrence und hatte sechs Kinder. Er wurde 1934 in die National Academy of Sciences gewählt, erhielt 1939 den Nobelpreis für Physik und erhielt 1946 die Verdienstmedaille und 1957 den Fermi Award. Lawrence blieb in Berkeley bis zu seinem Tod am 27. August 1958 an einem Darm Geschwür.

Der Herstellungsprozess
Prozess

1. Projektteams koordinieren Kabelkanäle, Kabelkanäle, Bodenkanäle und zugehörige Ausrüstung Ein Beispiel einer evakuierten Beschleunigungskammer mit einer Nahaufnahme der Vakuumkammer. vor Versand, Montage und Installation des Zyklotrons und seiner Untersysteme.
2. Der Herstellungsprozess beginnt mit dem 25 Tonnen schweren Stahlmagneten. Es wird aus 10 Zoll (25,4 cm) großen Platten hergestellt und zwischen die Pole eines starken Elektromagneten gelegt, bis die Magnetfeldfläche genau gemessen ist.
3. Zwei vernickelte Magnetpole sind aus kohlenstoffarmem Stahl geschmiedet.
4. Zwei Magnetspuleneinheiten werden aus geglühtem Hohlkupfer hergestellt und härten nach dem Biegen aus. Sie sind im Joch des Magneten montiert, mit Wasserkühlungssammlern verbunden, mit Glasfaser isoliert und mit Epoxidharz beschichtet.
5. Der Aluminium-Vakuumtank wird zwischen die vernickelten Pole gelegt und verschraubt. Der Vakuumtank verfügt über Kryopumpen, die extern verschraubt sind, um den Tank auf eine Temperatur von bis zu -273 °C (-459 °F) zu kühlen, um eventuell vorhandene Gase auszufrieren.
6. Die Elektroden werden aus einem einzigen 0,06 Zoll (1,6 mm) Kupferblech mit niedrigem Widerstand (um die Energieübertragung vom HF-System zu den beschleunigenden Wasserstoffionen zu optimieren), ausgeschnitten und mit Bohrwerkzeugen und Bohrern geätzt .
7. Als nächstes wird der Tank mit Polyurethan-O-Ringen abgedichtet, nachdem die Kupferelektroden im Inneren montiert wurden. Die Elektroden werden mit Nylonschrauben und Distanzstücken in ein rundes Stück industrielles Lisex-Nylon eingesetzt. In das Nylon werden ein paar Löcher gebohrt. Zwei sind für die Oszillatorverkabelung. Der dritte ist für die Vakuumpumpe gedacht; An diesem Anschluss ist auch ein Vakuummeter angeschlossen.
8. Oben auf dem Nylon und um die Elektroden herum befindet sich ein Ring aus Polyvinylchlorid (PVC)-Rohr. Darin sind mehrere Löcher gebohrt, von denen das größte das Speicherrohr des Detektors ist. In diesem Material befinden sich auch kleinere Löcher, die ausreichen, um die Deflektorplatte mit einer Spannungsquelle zu versorgen, für die Stellschrauben, die zur Kontrolle ihrer Position erforderlich sind, und Befestigungslöcher für den massiven Messinghaken, mit dem das gesamte Gerät an einem Satz von Helmholtz-Spulen.
9. Auf dem PVC-Rohr befindet sich ein Stück durchsichtiger Kunststoff in Industriequalität. Dies dient sowohl dazu, das Innenleben des Mechanismus zu sehen, falls etwas schief geht, als auch um die Festigkeit des Gehäuses zu erhöhen.
10. Auf beiden Seiten des PVC befindet sich Silikongel, um eine ausreichende Abdichtung um die Hauptkammer herum aufrechtzuerhalten. Dies ist so, dass das Vakuum so effizient wie möglich ist. Das Vakuum wird benötigt, weil die Alphateilchen stark von Teilchen jeglicher Art, insbesondere Luft, beeinflusst werden. Deshalb gelten Alphateilchen als so sicher; bis sie eine Person durch irgendein Medium kontaktieren, ist ihre Energie so stark beeinträchtigt, dass sie keinen Schaden mehr anrichten können.
11. Die Wände werden durch einen dünnen I-Schnitt in der Vorderseite sowohl der oberen als auch der unteren Platte geführt und beide Elektroden werden mit 2 in (5,1 cm) Nylonschrauben zusammengehalten. Bei diesen Stücken wurde kein Lot verwendet, um den Innenraum so sauber und konstant wie möglich zu halten. In eine Wand ist ein Fenster von ungefähr 2 cm Länge geschnitten.
12. An einer Nylonschraube befestigt ist eine etwas kleinere Kupferplatte (der Deflektor), die elektrisch vom Rest der Komponente getrennt ist. Außenliegende Stellschrauben können die Deflektorposition steuern und sowohl sie als auch jede Elektrode haben einen elektrischen Anschluss. Dadurch kann der Oszillator den Elektroden zugeführt und eine große negative Ladung auf die Ablenkplatte aufgebracht werden.
13. Das HF-System ist in einem 19 Zoll (48 cm) großen quadratischen und 1,8 m hohen Metallgehäuse montiert. Hier werden die Widerstände, Sender, Schalter, Abstimmkreise, Induktivitäten und Kondensatoren von Hand zusammengebaut.
14. Es werden Stromversorgungsschränke für die wassergekühlten Targets und Magnete, Ionenquellen, Kryopumpe und den Wasserkreislauf gekauft und montiert.
15. Die Ionenquelle wird nach dem Zusammenbau des Zyklotrons injiziert. Ein magnetischer Zylinder mit einem Durchmesser von 4 Zoll (10 cm) und einer Länge von 4,7 Zoll (12 cm) umfasst die Ionenquelle. Wasserstoffgas wird durch ein Kapillarrohr injiziert.
16. Der geneigte Spiralinflektor ist von einer geerdeten schraubenförmigen Elektrode umgeben. Die Bearbeitung der Elektrode erfolgt auf einer Festachsen-Fräsmaschine.
17. Als nächstes werden die Zielkörper aus hochreinem Silber, Aluminium und Titan hergestellt und mit heliumgekühlten dünnen Folienfenstern ausgestattet. Die beiden Folienfenster trennen das Targetmaterial vom Hochvakuum innerhalb des Zyklotrons.
18. Ein rezirkulierendes Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf ist im Metallschrank der Target-Services platziert, um die Folienfenster mit Hochgeschwindigkeitsströmen von Heliumgas zu kühlen.
19. Die Schlauchverbindungen, Magnetventile, wassergekühlten Strahlstopper und elektrisch isolierten Kollimatoren werden montiert und an der Zielbaugruppe befestigt.
20. Die Zielbaugruppe hat einen massiven Aluminiumstopfen, der von einem 10 cm (4 Zoll) großen Loch durchbohrt ist, das als Zielkollimator dient.
21. An der Außenseite des Stopfens sind Nuten eingearbeitet und der O-Ring wird montiert, um die Vakuumdichtung zwischen dem Targetkörper und dem 4-Positionen-Targetwechsler zu erzeugen.
22. Eine Kollimationsscheibe wird zwischen dem Stopfen und dem Zielkörper mit einem Fenster auf beiden Seiten platziert.
23. Schließlich ist das gesamte System in eine Überwachungssoftware integriert, um die SPS-Hardware zu steuern und zu überwachen.

Qualitätskontrolle

Jeder Schritt des Herstellungsprozesses muss überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Teile von Standardqualität sind. Wenn eine der Komponenten einen Riss oder ein Leck aufweist, kann Strahlung in die Umgebung gelangen. Der in den Magneten des Zyklotrons verwendete Stahl wird sorgfältig überwacht, um sicherzustellen, dass er die gewünschten Eigenschaften aufweist. Magnetfelder werden ständig durch Kernspinresonanz (NMR) überprüft.

Nebenprodukte/Abfälle

Durch den Herstellungsprozess fallen während der Produktion 2-3 Tonnen Metallabfälle an. Dieses wird für zukünftige Herstellungsprozesse recycelt. Aufgrund der Anzahl der Teile ist der Materialüberschuss bei der Herstellung des Zyklotrons groß. Wenn defekte Teile gefunden werden, werden diese nach bestem Wissen und Gewissen geborgen, aber die meisten werden verschrottet.

Die Zukunft

Die Verbesserungen bei der Abdichtung der Zyklotroneinheit erfordern, dass am Installationsort weniger Betonabschirmung bereitgestellt wird und eine sicherere und kompaktere Zyklotroneinheit bereitgestellt wird. Für die kommerzielle Isotopenproduktion werden leistungsstärkere Zyklotroneinheiten entwickelt. Die neueste Serie von Zyklotronen ist auf dem neuesten Stand der Technik, kompakt, stark fokussierend, 4-Sektor-Negativ-Ionen-Zyklotron, mit externen Ionenquellen, Kryopumpen, hochpräzisen Leistungs- und Steuersystemen und hervorragender Fertigungsqualität. Sie sind jetzt modular aufgebaut und teilen eine gemeinsame Technologie unabhängig von der Größe und Art des Zyklotrons.

Weitere Informationen

Bücher

Lawrence, Ernest 0. und Irving Langmuir. Molekulare Filme:Das Zyklotron und das Neue Biologie. New Brunswick:Rutgers University Press, 1942.

Zeitschriften

Burgerjon, J.J. und A. Strathdee, Hrsg. Zyklotrone — 1972. New York:American Institute of Physics, 1972.

Bonny S. McClain