Cyclotron

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배경

현대식 사이클로트론은 전자석의 극 사이에 진공 상태로 유지되는 두 개의 속이 빈 D형 전극을 사용합니다. 그런 다음 고주파 AC 전압이 각 전극에 적용됩니다. 전극 사이의 공간에서 이온 소스는 구성에 따라 양이온 또는 음이온을 생성합니다. 이 이온은 정전기 인력에 의해 전극 중 하나로 가속되고 교류가 양극에서 음극으로 이동하면 이온이 다른 전극으로 가속됩니다. 강한 전자기장 때문에 이온은 원형 경로로 이동합니다. 이온이 한 전극에서 다른 전극으로 이동할 때마다 에너지를 얻고 회전 반경이 증가하며 나선형 궤도를 생성합니다. 이 가속은 전극에서 벗어날 때까지 계속됩니다. 가속된 입자는 나선형 가속 경로의 끝에 도달하면 사이클로트론에서 추출됩니다. 이 가속된 아원자 입자 빔은 방사성 동위원소를 생성하기 위해 다양한 표적 물질에 충격을 가하는 데 사용할 수 있습니다.

다양한 동위 원소는 신체에 주입되는 추적자 및 특정 유형의 암에 대한 방사선 치료로 의학에서 사용됩니다. 사이클로트론은 학술 및 산업 환경의 연구 목적과 양전자 방출 단층 촬영(PET)에도 사용됩니다. 양전자방출단층촬영(PET)은 살아있는 피험자의 조직 내 양전자를 방출하는 방사성 동위원소의 농도를 측정하는 기술입니다. PET의 유용성은 한계 내에서 신체의 생화학적 변화를 평가할 수 있다는 것입니다. 비정상적인 생화학적 변화를 겪고 있는 신체 부위는 PET를 통해 볼 수 있습니다. PET는 뇌혈관질환, 간질, 뇌종양을 포함한 신경계 질환의 임상적 응용에 큰 영향을 미쳤다.

연혁

버클리 캘리포니아 대학교의 EO Lawrence와 그의 대학원생들은 1929년에 성공하기 전에 사이클로트론의 다양한 구성을 시도했습니다. 최초의 사이클로트론은 전극, 10와트를 생성하는 무선 주파수 발진기, 진공, 수소를 사용하여 매우 작았습니다. 이온 및 4인치(10cm) 전자석. 첫 번째 사이클로트론의 가속 챔버는 직경이 5인치(12.7cm)이고 설정에 따라 수소 이온을 5-45MeV의 에너지로 부스트했습니다. 1 메가 전자 볼트(MeV)는 1.602 × 1013 J입니다. (J는 에너지의 표준 단위인 줄(Joule)을 나타냅니다.) 점점 더 커지는 사이클로트론의 설계, 구성 및 작동에는 점점 더 많은 물리학자, 엔지니어 및 화학자가 참여했습니다. 로렌스는 자신의 연구가 핵물리학으로 분류되어야 하는지 핵화학으로 분류되어야 하는지에 대해 결코 확신하지 못했습니다.

원자재

사이클로트론의 자석은 25톤의 저탄소강으로 만들어지며 두 개의 니켈 도금된 극이 있습니다. 물리적으로 사이클로트론의 무게는 55톤이며 기계가 작동할 때 존재하는 핵 방사선으로부터 주변을 보호하기 위해 약 6.6피트(2m) 두께의 콘크리트 벽과 문이 있는 내부 금고 내부에 있습니다. 다행스럽게도 이 방사선의 대부분은 반감기가 몇 초에서 몇 분에 불과하므로 장기적인 폐기물 처리 문제는 없습니다. 실제 치수는 약 100 × 100.5 × 39피트(30.5 × 30.6 × 11.9m)입니다. 코일은 열처리된 구리로 제조되고 유리 섬유로 절연되고 에폭시 수지로 덮여 있습니다. 알루미늄 진공 탱크는 폴리우레탄 O-링으로 밀봉되어 있습니다. 이온 소스는 텅스텐 필라멘트를 사용하여 수소 가스에 에너지를 공급하고 붕산화 폴리에틸렌 패킹을 사용하여 사이클로트론 구성 요소 주위에 열 중성자의 축적을 줄입니다. 타겟 체인저를 사용하면 사이클로트론 작업자가 조사할 각 빔라인에서 서로 다른 타겟을 선택할 수 있으며 주로 알루미늄으로 만들어지며 중성자 활성화를 최소화하기 위해 최소한의 스테인리스강이 사용됩니다.

디자인

사이클로트론의 디자인은 구매자의 사양에 따라 다릅니다. Ebco Technologies Inc.는 두 가지 유형의 음이온 사이클로트론을 제작합니다. 하나는 양성자를 최대 에너지 수준 19MeV(TR19)로 가속할 수 있고 다른 하나는 양성자를 32MeV(TR32)로 가속할 수 있습니다. TR19 사이클로트론의 표준 구성은 2개의 외부 빔라인이 있지만 하나의 빔라인 옵션이 있는 축소 버전이 있습니다. TR19 표준 타겟 구성은 2개의 외부 빔라인과 8개의 타겟으로 구성됩니다. 하나의 빔라인에 2~4개의 타겟을 설계할 수 있으며 나중에 최대 8개의 타겟으로 업그레이드할 수 있습니다. TR19는 자체 차폐 또는 비차폐 구성으로도 제공됩니다. 자체 차폐 기능은 사이클로트론 볼트 또는 기존 시설에 대한 주요 업그레이드의 필요성을 제거합니다. 또한 TR19의 마그넷 갭은 공간을 최소화하기 위해 수직입니다.

무선 주파수(RF) 시스템은 RF 증폭기, RF 증폭기에서 사이클로트론으로의 동축 전송 라인, 전원 공급 장치, 계측 및 리드백 장치, 오실로스코프, 전류/전압, 전력 게이지 및 인터페이스로 구성됩니다. 컴퓨터 제어 시스템. 질량 유량 컨트롤러, 니들 밸브 및 공압 밸브는 가스 압력과 유량을 조절합니다.

텅스텐 필라멘트는 이온 소스 내부에 배치되고 가열되면 수소 가스가 이온화됩니다. 플라즈마 필터는 음이온 생성을 위한 조건을 향상시키기 위해 이온 소스 구멍에 배치됩니다.

생성된 음이온은 X축에서 사이클로트론으로 주입됩니다. 주입 시스템은 기울어진 나선형 인플렉터에 의해 가속 평면에 음이온을 집중시키기 위해 일련의 스티어링 자석으로 제조됩니다.

어니스트 올랜도 로렌스.

Ernest Orlando Lawrence는 1901년 8월 8일 사우스다코타에서 태어났습니다. 그는 사우스다코타 대학교에서 1922년 물리학 학사 학위를 받았습니다. Lawrence는 University of Minnesota 대학원에 입학하여 1년 만에 석사 학위를 마쳤습니다. 그는 박사 학위를 받았습니다. 1925년 예일대에서 국립연구협의회의 펠로우로 3년간 머물다가 조교수로 재직했다. 1928년 그는 버클리 캘리포니아 대학교의 부교수가 되었습니다. 2년 후, 로렌스는 버클리에서 최연소 정교수가 되었습니다.

로렌스는 1929년 가장 유명한 발명품인 사이클로트론을 고안했습니다. 그는 핵 실험에 필요한 몇 MeV(백만 전자 볼트)의 입자 에너지를 얻기 위해 자기장을 중첩하여 입자의 선형 궤도를 원형 궤도로 변환할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 입자의 경로에 직각입니다. 로렌스는 입자의 회전 주파수가 자기장의 세기와 입자의 전하-질량 비율에만 의존하고 궤도 반경에는 의존하지 않는다는 것을 즉시 증명했습니다. 이것이 1930년 가을에 Lawrence가 처음 보고한 사이클로트론의 기본 원리였습니다.

1932년 로렌스는 결혼하여 6명의 자녀를 두었다. 그는 1934년 국립 과학 아카데미 회원으로 선출되었고 1939년 노벨 물리학상을 수상했으며 1946년 공로 메달과 1957년 페르미 상을 받았습니다. 궤양.

제조
프로세스

<올>

프로젝트 팀은 도관, 케이블 트레이, 바닥 덕트 및 관련 장비를 조정합니다. 진공 챔버를 클로즈업한 진공 가속 챔버의 예. 사이클로트론과 그 하위 시스템의 선적, 리깅 및 설치 전에.

제조 공정은 25톤 강철 자석에서 시작됩니다. 이것은 10인치(25.4cm) 슬래브에서 가공되어 자기장 영역이 정확하게 측정될 때까지 강력한 전자석의 극 사이에 배치됩니다.

2개의 니켈 도금 자극은 저탄소강으로 단조됩니다.

두 개의 자석 코일 어셈블리는 열처리된 중공 구리로 제조되며 구부러진 후 경화됩니다. 그들은 자석의 요크에 장착되고 수냉식 헤더에 연결되며 유리 섬유로 절연되고 에폭시 수지로 코팅됩니다.

알루미늄 진공 탱크를 니켈 도금된 기둥 사이에 놓고 제자리에 볼트로 고정합니다. 진공 탱크에는 존재할 수 있는 모든 가스를 동결시키기 위해 -459°F(-273°C)에 가깝게 탱크를 냉각하기 위해 외부에 볼트로 고정된 크라이오펌프가 있습니다.

전극은 단일 0.06인치(1.6mm) 저저항 구리 시트(RF 시스템에서 가속 수소 이온으로의 에너지 전달을 최적화하기 위해)로 가공되고, 보링 도구와 드릴 비트를 사용하여 절단 및 에칭됩니다. .

다음으로 구리 전극을 내부에 장착한 후 탱크를 폴리우레탄 0-링으로 밀봉합니다. 나일론 나사와 스페이서를 사용하여 전극을 산업용 리섹스 나일론의 둥근 조각으로 설정합니다. 나일론에 몇 개의 구멍이 뚫려 있습니다. 2개는 발진기 배선용입니다. 세 번째는 진공 펌프용입니다. 이 포트에 연결된 진공 게이지도 있습니다.

나일론 위에 전극을 둘러싸고 있는 링은 폴리염화비닐(PVC) 파이프입니다. 여기에는 여러 개의 구멍이 뚫려 있으며 그 중 가장 큰 것이 감지기 저장 튜브입니다. 또한 이 재료에는 디플렉터 플레이트에 전압 소스를 공급하기에 충분한 작은 구멍, 위치를 제어하는 ​​데 필요한 고정 나사용 구멍, 전체 장치를 세트에 걸기 위해 사용되는 견고한 황동 고리용 부착 구멍이 있습니다. 헬름홀츠 코일.

PVC 파이프 위에 산업용 투명 플라스틱 조각이 있습니다. 이것은 사람들이 메커니즘의 내부 작동을 볼 수 있도록 하고 문제가 발생할 경우 케이싱의 강도를 높일 수 있도록 합니다.

메인 챔버 주변에 충분한 밀봉을 유지하기 위해 PVC의 양쪽에 실리콘 겔이 있습니다. 이것은 진공이 가능한 효율적이도록 하기 위한 것입니다. 알파 입자는 모든 종류의 입자, 특히 공기의 영향을 많이 받기 때문에 진공이 필요합니다. 이것이 알파 입자가 매우 안전한 것으로 간주되는 이유입니다. 그들이 어떤 매체를 통해 사람과 접촉할 때, 그들의 에너지는 너무 심하게 영향을 받아 손상을 입힐 수 없습니다.

벽은 상단 및 하단 시트의 면에서 얇은 I 절단으로 제자리에 고정되고 두 전극은 2인치(5.1cm) 나일론 나사를 사용하여 함께 고정됩니다. 내부 챔버를 가능한 한 깨끗하고 일정하게 유지하기 위해 이 부분에 땜납을 사용하지 않았습니다. 한쪽 벽에는 길이가 대략 0.79인치(2cm)인 창이 있습니다.

나일론 나사의 중심에는 부품의 나머지 부분과 전기적으로 분리된 약간 더 작은 동판(디플렉터)이 있습니다. 바깥쪽에 있는 고정 나사는 편향기 위치를 제어할 수 있으며 이 나사와 각 전극은 모두 전기적으로 연결되어 있습니다. 이는 오실레이터가 전극에 공급되고 큰 음전하가 편향판에 놓이도록 하기 위함입니다.

RF 시스템은 19인치(48cm) 정사각형, 6피트(1.8m) 높이의 금속 섀시 내부에 조립됩니다. 여기에서 저항, 송신기, 스위치, 튜닝 회로, 인덕터 및 커패시터가 손으로 조립됩니다.

전원 공급 장치 캐비닛은 수냉식 타겟과 자석, 이온 소스, 크라이오 펌프 및 물 회로용으로 구매 및 조립됩니다.

이온 소스는 사이클로트론 조립 후 주입됩니다. 직경 10cm, 길이 12cm인 자기 실린더가 이온 소스를 구성합니다. 수소 가스는 모세관을 통해 주입됩니다.

기울어진 나선형 인플렉터는 접지된 나선형 전극으로 둘러싸여 있습니다. 전극은 고정 축 밀링 머신에서 가공됩니다.

다음으로 타겟 바디는 고순도 은, 알루미늄 및 티타늄으로 만들어지고 헬륨 냉각된 얇은 포일 창으로 설계되었습니다. 두 개의 포일 창은 사이클로트론 내의 고진공에서 대상 물질을 분리합니다.

재순환 폐쇄 루프 냉각 시스템은 헬륨 가스의 고속 흐름으로 포일 창을 냉각하기 위해 대상 서비스 금속 캐비닛에 배치됩니다.

튜빙 연결부, 솔레노이드 밸브, 수냉식 빔 스톱 및 전기적으로 절연된 콜리메이터가 조립되어 타겟 어셈블리에 부착됩니다.

타겟 어셈블리에는 타겟 콜리메이터 역할을 하는 10cm(4인치) 구멍이 뚫린 견고한 알루미늄 플러그가 있습니다.

홈은 플러그 외부에 가공되고 O-링은 타겟 본체와 4위치 타겟 체인저 사이에 진공 밀봉을 생성하기 위해 장착됩니다.

양쪽에 창이 있는 시준 디스크가 플러그와 대상 본체 사이에 배치됩니다.

마지막으로 전체 시스템이 감시 소프트웨어와 통합되어 PLC 하드웨어를 제어하고 모니터링합니다.

품질 관리

부품이 표준 품질인지 확인하기 위해 제조 공정의 각 단계를 모니터링해야 합니다. 구성 요소에 균열이나 누출이 있는 경우 방사선이 환경으로 들어갈 수 있습니다. 사이클로트론의 자석에 사용되는 강철은 원하는 특성을 갖도록 주의 깊게 모니터링됩니다. 자기장은 핵자기 공명(NMR)에 의해 지속적으로 확인됩니다.

부산물/폐기물

제조 과정에서 생산 과정에서 2~3톤의 금속 폐기물이 발생합니다. 이것은 미래의 제조 공정을 위해 재활용됩니다. 부품 수로 인해 사이클로트론 제조 시 초과 재료가 큽니다. 결함이 있는 부품이 발견되면 최선을 다해 회수하지만 대부분은 폐기됩니다.

미래

사이클로트론 유닛의 실링 개선은 설치 장소에 제공되는 콘크리트 차폐를 줄이고 보다 안전하고 컴팩트한 사이클로트론 유닛을 제공할 것을 요구하고 있습니다. 보다 강력한 사이클로트론 장치가 상업적 동위원소 생산을 위해 설계되고 있습니다. 최신 시리즈의 사이클로트론은 외부 이온 소스, 크라이오펌프, 고정밀 전력 및 제어 시스템, 우수한 제조 품질을 갖춘 최신식 소형, 강력한 집속, 4섹터 음이온 사이클로트론입니다. 이제 그들은 모듈식으로 설계되었으며 사이클로트론의 크기와 유형에 관계없이 공통 기술을 공유합니다.

자세히 알아보기

도서

로렌스, 어니스트 0., 어빙 랭뮤어. 분자 필름:Cyclotron 및 The 새로운 생물학. 뉴브런즈윅:Rutgers University Press, 1942.

정기간행물

Burgerjon, J. J. 및 A. Strathdee, eds. 사이클로트론 — 1972년. 뉴욕:미국 물리학 연구소, 1972.

보니 피. 매클레인