Il ciclotrone è un tipo di acceleratore di particelle inventato da Ernest Orlando Lawrence e Milton Stanley Livingston della University of California, Berkeley, nei primi anni 1930 .
In un ciclotrone, le particelle poste in un campo magnetico costante seguono una traiettoria a forma di spirale composta da semicerchi successivi di raggio crescente ad ogni impulso da un campo elettrico alternato di frequenza costante. In un sincrotrone , le particelle seguono una traiettoria circolare di raggio mantenuta costante da un campo magnetico crescente con l'energia delle particelle. La frequenza del campo elettrico in accelerazione è in aumento.
In un ciclotrone le particelle vengono accelerate a energie da pochi MeV a 70 MeV. Gli altri tipi di acceleratori circolari, di più recente invenzione, consentono di raggiungere energie più elevate: sincrociclotrone (centinaia di MeV) e sincrotrone (milioni di MeV, o TeV).
Quasi 1.500 ciclotroni sono utilizzati nella medicina nucleare in tutto il mondo per la produzione di radionuclidi .
Un ciclotrone è un dispositivo costituito da tre elementi principali:
A questo dispositivo dobbiamo aggiungere:
Il funzionamento di un ciclotrone è presentato in animazione nella referenza.
I ciclotroni sono stati progettati per accelerare le particelle a velocità non relativistiche , cioè molto inferiori alla velocità della luce . In queste condizioni le particelle di massa , carica e velocità , circolando su una traiettoria circolare di raggio , sono sottoposte a due forze antagoniste, la forza centrifuga .
e la forza centripeta creata dalla forza di Lorentz del campo magnetico .
Secondo il principio fondamentale della dinamica , = quindi:
Da questa equazione risulta che:
Quando la velocità delle particelle si avvicina alla velocità della luce, la frequenza del ciclotrone e la pulsazione devono essere riscritte:
, e ,o
è la frequenza del ciclotrone in condizioni classiche non relativistiche, è la pulsazione in condizioni non relativistiche, è la velocità relativa e è il fattore Lorentz .Il raggio di rotazione di una particella che si muove in un campo magnetico statico è dato da
,In conclusione, in condizioni relativistiche , la frequenza del ciclotrone diminuisce e il raggio della traiettoria aumenta. L'isocronismo è perso. Appare uno spostamento tra e che porta alla perdita del raggio. Per ripristinare, dobbiamo sia adattarsi al o aumentare il campo magnetico di mettere le particelle indietro sul percorso di destra e recuperare sincronizzazione tra e .
Nel sincrociclotrone, la frequenza del campo elettrico diventa , variabile con il tempo per rimanere uguale a che diminuisce man mano che la velocità lineare si avvicina alla velocità della luce.
Pertanto, il sincrociclotrone opera in sequenze. Ad esempio, il sincrociclotrone Orsay SC200 fornisce pacchetti di protoni della durata di 20 microsecondi ogni 2,2 millisecondi.
In alternativa, per mantenere l'isocronismo, è necessario aumentare l'intensità del campo magnetico con . Ma mantenere la stabilità verticale del raggio richiede al contrario che il campo diminuisca con esso . Nel 1938, Llewellyn Thomas propose di risolvere questo dilemma introducendo variazioni spaziali del campo magnetico, mantenendo la frequenza del campo elettrico di accelerazione costante e fissata sulla frequenza del ciclotrone in condizioni non relativistiche. Le modifiche del campo magnetico introdotte da Thomas sono di due tipi:
Va notato che queste modifiche del campo magnetico sono puramente spaziali e non dipendono dal tempo. Il campo B rimane statico. La frequenza del ciclotrone viene mantenuta costante. Ciò consente alle particelle di essere accelerate continuamente con ogni periodo della radiofrequenza del campo elettrico, piuttosto che in gruppi come nel sincrociclotrone e nella maggior parte degli altri acceleratori. Il principio di variazione del campo magnetico, con colline e valli alternate per settore, ha un forte effetto di focalizzazione. I ciclotroni AVF forniscono correnti del fascio molto più intense rispetto ai sincrociclotroni. Pertanto, tutti i ciclotroni moderni utilizzano variazioni di campo azimutale, anche ciclotroni la cui energia delle particelle rimane nel dominio non relativistico.
Il ciclotrone ARRONAX , installato presso l' Università di Nantes nel 2007-2008 e commissionato nel 2010, è un ciclotrone isocrono destinato alla ricerca e alla produzione di radioisotopi per la medicina. ARRONAX è stato progettato per produrre protoni e particelle alfa di 70 MeV. È composto da un elettromagnete calcolato e realizzato per produrre un campo magnetico statico per i protoni e quattro settori polari che assicurano la stabilità trasversale delle traiettorie. Inoltre, questi settori sono anche dotati di bobine che correggono radialmente il campo magnetico principale per poter passare dall'accelerazione dei protoni a quella delle particelle alfa mantenendo l'isocronismo.
Un ciclotrone è un acceleratore di particelle di dimensioni minime: dell'ordine di 6 m 3 . Consente la produzione di isotopi radioattivi , e in particolare di ossigeno 15 ( 15 O), carbonio 11 ( 11 C), azoto 13 ( 13 N) e fluoro 18 ( 18 F), utilizzati in particolare in medicina. Gli isotopi si ottengono irradiando un bersaglio con protoni accelerati dal ciclotrone.
Il fluoro 18 (isotopo con breve emivita: 109 minuti) consente di produrre fluorodeossiglucosio (FDG), uno zucchero radioattivo che non può essere utilizzato dalla cellula, che si accumula preferenzialmente nelle aree cancerose, che consumano molto glucosio. Una tomografia a emissione di positroni (PET) consentirà di rilevare alcuni tumori in modo particolarmente preciso e quindi di trattarli nelle fasi iniziali.
Il principio di accelerazione degli ioni mediante impulsi elettrici ripetuti (accelerazione di risonanza lineare) è stato proposto da Gustav Ising, un ricercatore svedese, nel 1928. Il principio è stato implementato da Rolf Widerøe , un ricercatore norvegese che stava preparando la sua tesi presso l' Università di Aix- la-Chapelle nel 1927. La sua tesi fu pubblicata nel 1928. Widerøe non sviluppò l'acceleratore circolare, l'idea del quale però gli fu suggerita da uno dei suoi compagni. Allo stesso tempo, Max Steenbeck sviluppò contemporaneamente il concetto di ciclotrone alla Siemens , ma non aveva i mezzi per pubblicare la sua scoperta o per costruire il dispositivo. Il primo brevetto di ciclotrone fu depositato dal fisico ungherese Leo Szilard nel 1929, mentre lavorava all'Università Humboldt di Berlino .
In Francia, Jean Thibaud , allora giovane ricercatore nel laboratorio di Maurice de Broglie , venne a conoscenza della tesi di Widerøe nel 1929. A sua volta produsse un acceleratore lineare che funzionava. Ma osserva che, per ottenere accelerazioni significative, sarebbe necessario poter costruire un apparato che superi i limiti del laboratorio. Ha quindi progettato e costruito, nel novembre 1930, un acceleratore circolare. Fece una presentazione su questo argomento al Congresso internazionale dell'elettricità tenutosi a Parigi nel 1932. Dopo la costruzione di alcuni prototipi, Jean Thibaud abbandonò questa linea di ricerca. Ha pubblicato alcune foto dei suoi ciclotroni nel suo libro Power of the Atom . Non ha mai cercato di far valere i suoi diritti su questa scoperta.
Ernest Orlando Lawrence , professore all'Università della California a Berkeley , legge l'articolo di Widerøe sull'acceleratore lineare e immagina che lo stesso principio possa essere applicato a un acceleratore circolare. Affidò la realizzazione di uno studente, il signor Stanley Livingston, che ha costruito il primo ciclotrone commissionato nel 1932. Al laboratorio di radiazione a Berkeley , Lawrence poi costruito una serie di ciclotroni sempre più potenti: un 69 cm a 4, 8 MeV nel 1932, un 94 cm , 8 MeV nel 1937, un 152 cm , 19 MeV nel 1939 e un sincrociclotrone da 465 cm nel 1945. Ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1939.
Il primo ciclotrone europeo viene costruito presso il dipartimento di fisica del Radium Institute di Leningrado , guidato da Vitali Khlopin. Questo strumento, proposto per la prima volta da George Gamow e Lev Misowski, è stato prodotto da Igor Kourtchatov e commissionato nel 1937. In Germania , un ciclotrone è stato costruito a Heidelberg sotto la direzione di Walther Bothe e Wolfgang Gentner , ed è diventato operativo nel 1943.
In Francia, Frédéric Joliot voleva avere un ciclotrone quando fu nominato professore al Collège de France nel 1937. Si rivolse a Lawrence che gli mandò dei piani. Il ciclotrone fu costruito a Zurigo e installato nel seminterrato di un nuovo edificio del College de France nel 1939. Lo sviluppo della macchina fu sospeso per la prima volta quando i tedeschi occuparono Parigi. L'ufficiale tedesco incaricato del monitoraggio delle installazioni risulta essere un fisico, collega di Frédéric Joliot. Aiuta a fare gli ultimi ritocchi e a mettere in servizio la macchina. Il ciclotrone produce protoni di 7 MeV . Ha operato al Collège de France fino al 1958, poi a Orsay fino al 1966. Successivamente è stato smantellato. Il magnete viene riutilizzato. La camera di accelerazione contenente i dadi viene donata al Museo delle Arti e dei Mestieri.
Per succedere al primo ciclotrone, Irène Joliot-Curie ordina un sincrociclotrone Philips da 160 MeV che viene installato presso l' Istituto di fisica nucleare di Orsay . Questo dispositivo ha funzionato tra il 1958 e il 1975.
Il 20 novembre 1968 fu messo in servizio il ciclotrone dell'Istituto di scienze nucleari installato sul poligono scientifico di Grenoble . Sarà migliorato dal 1978 al 1980 da un post-acceleratore recante l'acronimo SARA e utilizzato fino al 1998.
Un altro sincrociclotrone da 200 MeV è progettato e costruito a Orsay. Ha lavorato per la ricerca tra il 1978 e il 1990, poi per la protonterapia tra il 1990 e il 2010. Nel 2010, un ciclotrone IBA C230 è stato installato nel nuovo centro di protonterapia di Orsay.
Nel 1963, con il nome in codice "Dragon project", il ricercatore Henri-Paul Lenders di Air Liquide sviluppò il primo ciclotrone francese.
Il ciclotrone TRIUMF, il più grande ciclotrone al mondo realizzato nel 1968 a Vancouver , in Canada , con un raggio di 7,9 m , ha prodotto, nel 2010, protoni che raggiungono i 3/4 della velocità della luce, ovvero un'energia di 520 MeV . L'anello ciclotronico dell'Istituto Paul Scherrer di Villigen , Svizzera , è più potente perché accelera i protoni fino a 590 MeV , pur essendo più piccolo, perché utilizza un campo magnetico più forte.
Il ciclotrone è menzionato nella serie manga Silent Möbius . Un vecchio dice che gli esseri di Nemesis (un'altra dimensione) miravano a impossessarsi di tutti i ciclotroni.
Un'altra apparizione nel fumetto: Felix , creato da Maurice Tillieux. Nell'episodio 27 The Tumulus scritto nel 1951, un personaggio indica che un ciclotrone può creare oro, pur ammettendo di non avere i mezzi per installare questo tipo di macchina.
Il ciclotrone è menzionato nel libro The Strike of Ayn Rand (1957), durante il discorso di John Galt: "[l'uomo] non può scavare una buca o costruire un ciclotrone senza la conoscenza dei mezzi necessari per queste conquiste".