Mis on tsüklotron?

Ajalugu osakeste füüsika on lugu püüdest leida üha väiksemaid mateeria tükke. Kuna teadlased süvenesid aatomi meiki, pidid nad leidma viisi, kuidas see aatomite vahel lahutada, et näha selle ehitusplokke. Neid nimetatakse "elementaarosakesteks". Nende eraldamiseks kulus palju energiat. See tähendas ka seda, et teadlased pidid selle töö jaoks välja töötama uued tehnoloogiad.

Selleks töötasid nad välja tsüklotroni, osakestekiirendi, mis kasutab laetud osakeste hoidmiseks konstantset magnetvälja, kuna need liiguvad ringikujulise spiraaliga kiiremini ja kiiremini. Lõpuks tabasid nad sihtmärgi, mille tulemusel füüsikud uurivad sekundaarseid osakesi. Tsüklotroone on aastakümneid kasutatud suure energiatarbimisega füüsikakatsetes ning need on kasulikud ka vähktõve ja muude haigusseisundite ravimisel.

Esimese tsüklotroni ehitas Kalifornias Berkeley ülikoolis 1932. aastal Ernest Lawrence koostöös oma õpilase M. Stanley Livingston. Nad asetasid suured elektromagnetid ringi ja töötasid seejärel välja võimaluse osakesi tsüklotroni kaudu kiirendada. See töö pälvis Lawrence'i 1939. aasta Nobeli füüsikapreemia. Enne seda oli kasutatav osakeste kiirendi lineaarne osakeste kiirendi,

Alates Lawrence'i tööst tsüklotroni peal on neid katseüksusi ehitatud kogu maailmas. California ülikool Berkeleys ehitas neist mitu oma kiirguslabori jaoks ja esimene Euroopa rajatis loodi Venemaal Leningradis Raadiumiinstituudis. Teine ehitati II maailmasõja algusaastatel Heidelbergi.

Tsüklotron oli linakiga võrreldes suur edasiminek. Vastupidiselt linakujundusele, mis nõudis laetud osakeste sirgjooneliseks kiirendamiseks magnetide ja magnetväljade seeriat, on ümmarguse eeliseks disainilahendus oli see, et laetud osakeste voog läbib ikka ja jälle sama magnetvälja, mille tekitasid magnetid, saades iga kord natuke energiat nii. Kuna osakesed said energiat, moodustaksid nad tsüklotroni sisemuse ümber üha suuremaid silmuseid, saades iga silmuse abil rohkem energiat. Lõpuks oleks silmus nii suur, et kõrge energiaga elektronide kiir läbiks akna, kus nad siseneksid pommikambrisse uurimiseks. Sisuliselt põrkasid nad kokku plaadiga ja puistasid kambri ümber osakesed.

Tsüklotron oli esimene tsükliliste osakeste kiirenditest ja see andis palju tõhusama viisi osakeste kiirendamiseks edasiseks uurimiseks.

Tänapäeval kasutatakse tsüklotroone endiselt teatavates meditsiiniliste uuringute valdkondades ja nende suurus ulatub laias laastus kuni hoone suuruse ja suuremateni. Teine tüüp on sünkrotron kiirendaja, mis on projekteeritud 1950ndatel ja on võimsam. Suurimad tsüklotronid on TRIUMF 500 MeV tsüklotron, mis töötab siiani Kanadas Briti Columbias asuvas Vancouveri Briti Columbia ülikoolis ja Jaapanis Rikeni laboris asuvas ülijuhtivas ringtsüklonis. Selle läbimõõt on 19 meetrit. Teadlased kasutavad neid osakeste omaduste uurimiseks, nn kondenseerunud aineks (kus osakesed üksteise külge kleepuvad).

Kaasaegsemad osakestekiirendite konstruktsioonid, näiteks need, mis on paigaldatud suure Hadroni kokkupõrke korral, võivad seda energiataset tunduvalt ületada. Need niinimetatud "aatomi purustajad" on ehitatud selleks, et kiirendada osakeste jõudmist valguse kiirusele väga lähedale, kuna füüsikud otsivad üha väiksemaid aineosasid. Higgsi bosoni otsingud on osa LHC tööst Šveitsis. Muud kiirendid on olemas New Yorgi Brookhaveni riiklikus laboris, Illinoisi Fermilabis, Jaapanis KEKB jt. Need on tsüklotroni väga kallid ja keerulised versioonid, mis kõik on ette nähtud universumis asja moodustavate osakeste mõistmiseks.