Un sincrociclotrón es un tipo especial de ciclotrón , patentado por Edwin McMillan en 1952, en el que la frecuencia del campo eléctrico de RF impulsor se varía para compensar los efectos relativistas a medida que la velocidad de las partículas comienza a acercarse a la velocidad de la luz . Esto contrasta con el ciclotrón clásico, donde esta frecuencia es constante. [1]
Existen dos diferencias principales entre el sincrociclotrón y el ciclotrón clásico. En el sincrociclotrón, solo un dee (electrodo hueco de chapa metálica en forma de D) conserva su forma clásica, mientras que el otro polo está abierto (véase el esquema de la patente). Además, la frecuencia del campo eléctrico oscilante en un sincrociclotrón disminuye continuamente en lugar de mantenerse constante para mantener la resonancia del ciclotrón para velocidades relativistas. Un terminal del potencial eléctrico oscilante que varía periódicamente se aplica al dee y el otro terminal está en el potencial de tierra. Los protones o deuterones que se van a acelerar se mueven en círculos de radio creciente. La aceleración de las partículas se produce a medida que entran o salen del dee. En el borde exterior, el haz de iones se puede eliminar con la ayuda de un deflector electrostático. El primer sincrociclotrón produjo 195 MeV de deuterones y 390 MeV de partículas α . [2]
En un ciclotrón clásico, la frecuencia angular del campo eléctrico viene dada por
Donde es la frecuencia angular del campo eléctrico, es la carga de la partícula, es el campo magnético y es la masa de la partícula. Esto supone que la partícula es clásica y no experimenta fenómenos relativistas como la contracción de longitud. Estos efectos comienzan a ser significativos cuando , la velocidad de la partícula es mayor que . Para corregir esto, se utiliza la masa relativista en lugar de la masa en reposo; por lo tanto, un factor de multiplica la masa, de modo que
dónde
Ésta es entonces la frecuencia angular del campo aplicado a las partículas a medida que se aceleran alrededor del sincrociclotrón.
La principal ventaja del sincrociclotrón es que no es necesario limitar el número de revoluciones que debe dar el ion antes de salir, por lo que la diferencia de potencial que se proporciona entre los dees puede ser mucho menor.
La menor diferencia de potencial necesaria a través del espacio tiene los siguientes usos:
El principal inconveniente de este dispositivo es que, como resultado de la variación en la frecuencia de la fuente de voltaje oscilante, solo una fracción muy pequeña de los iones que salen de la fuente son capturados en órbitas estables de fase de radio y energía máximos, con el resultado de que la corriente del haz de salida tiene un ciclo de trabajo bajo y la corriente del haz promedio es solo una pequeña fracción de la corriente del haz instantáneo. Por lo tanto, la máquina produce iones de alta energía, aunque con una intensidad comparativamente baja.
El siguiente paso en el desarrollo del concepto de ciclotrón, el ciclotrón isócrono , mantiene una frecuencia de excitación de RF constante y compensa los efectos relativistas aumentando el campo magnético con el radio. Los ciclotrones isócronos son capaces de producir una corriente de haz mucho mayor que los sincrociclotrones. Como resultado, los ciclotrones isócronos se hicieron más populares en el campo de la investigación.
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En 1945, Robert Lyster Thornton, del Laboratorio de Radiación de Ernest Lawrence , dirigió la construcción del ciclotrón de 184 pulgadas (470 cm) de 730 MeV. En 1946, supervisó la conversión del ciclotrón al nuevo diseño realizado por McMillan, que se convertiría en el primer sincrociclotrón capaz de producir deuterones de 195 MeV y partículas α de 390 MeV .
Después de que el primer sincrociclotrón estuvo en funcionamiento, la Oficina de Investigación Naval (ONR) financió dos iniciativas de construcción de sincrociclotrones. La primera financiación fue en 1946 para que el Instituto Tecnológico Carnegie construyera un sincrociclotrón de 435 MeV dirigido por Edward Creutz y comenzara su programa de investigación en física nuclear. La segunda iniciativa fue en 1947 para que la Universidad de Chicago construyera un sincrociclotrón de 450 MeV bajo la dirección de Enrico Fermi .
En 1948, la Universidad de Rochester completó la construcción de su sincrociclotrón de 240 MeV, seguida por la finalización del sincrociclotrón de 380 MeV en la Universidad de Columbia en 1950.
En 1950 entró en funcionamiento el sincrociclotrón de 435 MeV del Instituto Tecnológico Carnegie, seguido por el sincrociclotrón de 450 MeV de la Universidad de Chicago en 1951. [2]
La construcción del sincrociclotrón de 400 Mev en la Universidad de Liverpool se completó en 1952 y en abril de 1954 ya estaba operativo. El sincrociclotrón de Liverpool demostró por primera vez la extracción de un haz de partículas de una máquina de este tipo, eliminando la limitación de tener que colocar experimentos dentro del sincrociclotrón. [3]
En una reunión de la UNESCO en París en diciembre de 1951, se discutió la búsqueda de una solución para tener un acelerador de energía media para la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), que pronto se formaría. El sincrociclotrón se propuso como una solución para cerrar la brecha antes de que se completara el Sincrotrón de Protones de 28 GeV . En 1952, Cornelis Bakker dirigió el grupo para diseñar y construir el sincrociclotrón llamado Sincro-Ciclotrón (SC) en el CERN. El diseño del Sincro-Ciclotrón con 15,7 metros (52 pies) de circunferencia comenzó en 1953. La construcción comenzó en 1954 y alcanzó una aceleración de protones de 600 MeV en agosto de 1957, con el programa experimental iniciado en abril de 1958. [4]
Los sincrociclotrones son atractivos para su uso en la terapia de protones debido a la capacidad de crear sistemas compactos utilizando campos magnéticos elevados. Las empresas de física médica Ion Beam Applications y Mevion Medical Systems han desarrollado sincrociclotrones superconductores que pueden adaptarse cómodamente a los hospitales. [5] [6]
