Ցիկլատրոն

Ցիկլատրոն (անգլ.՝ cyclotron), մեծ էներգիաներով լիցքավորված մասնիկների փնջեր ստանալու սարք, ոչ ռելյատիվիստական լիցքավորված ծանր մասնիկների (պրոտոնների և իոնների) ցիկլային ռեզոնանսային արագացուցիչի տեսակ, որտեղ հաստատուն և համասեռ մագնիսական դաշտի (համասեռ դաշտ) ազդեցությամբ մասնիկները պարուրաձև հետագիծ են ձեռք բերում և աստիճանաբար արագանալով ուղղորդված փնջով դուրս են թռչում սարքից։ Իսկ նրանց արագացման համար օգտագործվում է բարձր հաճախականության էլեկտրական դաշտ։

Ցիկլատրոն

Մասնիկների արագացուցիչի տեսակ

միջուկային տեխնոլոգիա

Ենթակատեգորիա	• լիցքավորված մասնիկների արագացուցիչներ  • ցիկլային մասնիկների արագացուցիչ
Կիրառությունը	Ռադիոթերապիա, արտադրություն

Էռնեստ Լոուրենսի ՌադԼաբը (ճառագայթային լաբորատորիա) Կալիֆորնիայի Բերկլիի համալսարանում, 60-դյույմանոց ցիկլատրոն, 1939 թվականի օգոստոսին

Ցիկլատրոնի դասական սխեմա

Աշխարհում առաջին ցիկլատրոնի՝ ցիկլային արագացուցիչի հեղինակն է ԱՄՆ ֆիզիկոս Էռնեստ Լոուրենսը (Ernest O. Lawrence) (1930 թվական)։ Նա 1939 թվականին ցիկլատրոնի այս գյուտի համար ստացել է ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ։ Մինչև 1950 թվականը ցիկլատրոնը եղել է մասնիկների արագացուցիչի ամենահզոր տեսակը, որին փոխարինելու եկան սինխրոտրոնները, որոնք շարունակում են կիրառվել ճառագայթային ֆիզիկայի և միջուկային բժշկության մեջ։ Մագնիսի բևեռների միջև ամենամեծ հեռավորություն ունեցող սինխրոցիկլոտրոնը (184-դյույմանի՝ 4.6 մ) կառուցել է Լոուրենսը 1940-1946 թվականներին Կալիֆորնիայի Բերկլիի համալսարանում։

Կառուցվածք և աշխատանքի սկզբունք

Ցիկլատրոնը կազմված է երկու կիսագլանաձև իրարից մի փոքր հեռավորությամբ տեղադրված մասերից՝ դուանտներից, որոնք գտնվում են հզոր էլեկտրամագնիսի երկու բևեռների միջև տեղադրված վակուումային խցում։

Ցիկլատրոնի աշխատանքի դիագարամ․ մագնիսի բևեռները ավելի մեծ պետք է լինեն միատարր մագնիսական դաշտ ստեղծելու համար

Ցիկլատրոնում արագացվող ծանր մասնիկները դուանտների միջև եղած բացակով մղվում են կենտրոն, որից հետո մասնիկները շարժվում են վակուումում տեղադրված կիսագլանաձև դուանտների միջով։ Էլեկտրամագնիսի մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ մասնիկների հետագիծը կորագծային է դառնում։ Մասնիկներն ամեն անգամ դուանտների բացակի մոտով անցնելիս, հայտնվում են համասեռ էլեկտամագնիսական դաշտի ազդեցության տակ, ավելի ու ավելի արագանում են՝ մեծացնելով մասնիկի հետագծի շառավիղը։ Էլեկտրամագնիսական դաշտը ստեղծվում է բարձր հաճախականության էլեկտրական գեներատորի միջոցով։ Այդ հաճախականությունը համընկնում է ցիկլատրոնի ներսում մասնիկների շրջանառության հաճախականության հետ (ցիկլատրոնային հաճախականություն)։ Ոչ մեծ ոչ ռելյատիվիստական արագությունների դեպքում այդ ցիկլիկ կամ շառավղային հաճախականությունը կախված չէ մասնիկների էներգիայից․

$\omega _{c}={\frac {eH}{mc}}$ (ՍԳՎ համակարգում)

այնպես որ մասնիկները դուանտների բացակում հայտնվում են ժամանակի միևնույն պահին։ Արագության մեծացմանը զուգընթաց մեծանում է նաև շրջանաձև շարժման արագությունը և մասնիկները արագանալով շարժվում են հարթ պարուրաձև հետագծով։ Լրացուցիչ շեղող դաշտի ազդեցությամբ արագացած մասնիկների փունջը դուրս է գալիս բացակից։

Ցիկլատրոնն անընդհատ կաշխատի, քանի որ փնջին թիրախային ուղեծիր հաղորդող մագնիսական դաշտը անփոփոխ է, և բարձր հաճախականության էլեկտրական դաշտը մասնիկների արագացման գործընթացում նույնպես չի փոխում պարամետրերը։

Թերություններ

Ցիկլատրոնի հնարավորությունները սահմանափակ են ոչ ռելյատիվիստական էներգիաներով մասնիկների համար․

$\omega _{c}={\frac {eH}{mc}}{\frac {1}{\gamma }}$

քանի որ նույնիսկ աննշան ռելյատիվիստական ուղղումները (γ-ի շեղումը միավորից) խախտում են մասնիկների տարբեր պտույտների արագացման սինխրոնությունը և էականորեն մեծացած էներգիաներով մասնիկներն արագանալու համար արդեն չեն հասցնում էլեկտրական դաշտի ցանկալի փուլում դուանտների բացակի մեջ հայտվել։ Շարքային ցիկլատրոններում պրոտոնները կարելի է արագացնել մինչև 20-25 ՄէՎ։

Ծանր մասնիկները պարույրի պտտման ռեժիմում (պարույրություն) մինչև տասնապատիկ ավելի մեծ էներգիաներ (մինչև 1000 ՄէՎ) արագացնելու համար կիրառվում են ցիկլատրոնի տարատեսակները՝ իզոխրոնային ցիկլատրոնը (ռելյատիվիստական), ֆազատրոնը։ Իզոխրոնային ցիկլատրոններում ռելյատիվիստական էֆեկտները կոմպենսացվում են մագնիսական դաշտի շառավղի մեծացմամբ։

Պատմություն

Յեյլի համալսարանից Կալիֆոռնիայի Բերկլիի համալսարանում նոր աշխատանքի անցած ֆիզիկայի կրտսեր դոկտոր Էռնեստ Լոուրենսն ապրում էր Բերկլիի Դասախոսների ակումբում և մինչև ուշ գիշեր համալսարանական գրադարանից դուրս չէր գալիս։ 1929 թվականի սկզբին այդպիսի միայնակ գիշերային աշխատանքի ժամանակ նրա ուշադրությունը գրավեց գերմանական «Արխիվ ֆոր էլեքտրոտեխնիկ» (գերմ.՝ «Archiv fur Elektrotechnik» Էլեկտրոտեխնիկի արխիվ) նոր լույս տեսած ամսագրում նորվեգացի ինժեներ Ռոլֆ Վիդերոյեի (1902-1996) մասնիկների գծային արագացուցիչի մասին հոդվածը։ Այդտեղ դիտարկված էր մասնիկների նկատմամբ բազմակի լարում կիրառելով բարձր էներգիաներ ստանալու նոր մեթոդ։ Լոուրենսի համար ակնհայտ հետաքրքրություն չէր ներկայացնում ռեզոնանսային արագացումը, որի դեպքում դրական լիցքավորված մասնիկները էլեկտրական իմպուլսներով հաջորդաբար արագացում էին ստանում՝ անցնելով մի շարք վակուումային խողովակների միջով։ Արագացումը դադարում էր, երբ փորձարարի փորձանոթները վերջանում էին կամ մասնիկները էլեկտրական իմպուլսների հետ սինխրոնիզացիայից դուրս էին գալիս և ցրվում էին խողովակի պատերի վրա։

Գծային արագացուցիչի սխեման

Հոդվածում նկարի վրա վակուումային փորձանոթները դասավորված էին հաջորդաբար՝ ուղիղ գծով։ Քանի որ Լոուրենսը լավ չէր տիրապետում գերմաներենին, ապա ավելի շուտ ուշադիր ուսումնասիրում էր նկարները, քան թե փորձում էր հասկանալ տեքստը։ Ուժեղ ինտուիցիայի շնորհիվ Լոուրենսը անմիջապես հասկացավ, որ եթե մասնիկները շարժվեին շրջանով, ոչ թե ուղիղ գծով, իսկ մասնիկների իոնային փնջի ֆոկուսացումն իրականացվեր մագնիսի միջոցով, ապա հավանական է, որ կլուծվեր մասնիկներին փոխանցվող էներգիայի սահմանափակումների խնդիրը։

Պրոտոնային կարուսել

«Պրոտոնային կարուսելի» գաղափարն իրականացնելու համար Լոուրենսը 25 դոլար ծախսելով կառուցեց 4 դյույմ շառավղով, 80 կէՎ էներգիայով մասնիկների ստացման մոդել, որը տեղավորվում էր խոհանոցային սեղանի վրա։ Սարքավորումն ամիսներ անց՝ 1930 թվականի հունվարին ներկայացրեց Ամերիկայի ֆիզիկոսների հասարարկությանը։

1930 թվականի սեպտեմբերին Գիտությունների ազգային ակադեմիայի նիստի ժամանակ Լոուրենսը հայտնեց սարքի հնարավորությունների մասին։ Այս մոդելը սենսացիոն նորություն էր հավաքված գիտնականների համար։ Իհարկե Լոուրենսին այդ փոքրիկ մոդելով չհաջողվեց ստանալ Գիտությունների ակադեմիային խոստացած էներգիայի չափերը՝ 1 ՄէՎ (միլիոն էլեկտրոնվոլտ), բայց սկզբունքի ճիշտ լինելն ապացուցվեց։

Լոուրենսի խոհանոցային ցիկլատրոնը նրա առաջին քայլն էր հաջողության ճանապարհին։ Ազգային գիտա-հետազոտական խորհրդի կողմից նրան տրամադրվեց 500 դոլլար ավելի խոշոր սարքավորում կառուցելու համար, որը ֆիզիկայի համար հետաքրքրություն ներկայացնող էներգիաներին հասնելու հնարավորություն կտար։ Քսանամյա Սթենլի Միլթոն Լիվինգսթոնը Լոուրենսին օգնեց պատրաստել հաջորդ՝ արույրից (լատուն) մոդելը, որից հետո՝ 1930 թվականին Էռնեստ Լոուրենսը ստացավ պրոֆեսորի կոչում՝ դառնալով Կալիֆոռնիայի համալսարանների պատմության մեջ առաջին քսանհինգամյա պրոֆեսորը։

Ինչո՞ւ ցիկլատրոն

Ցիկլ+(էլեկ)տրոն բառերից։ Լիվինգսթոնը «պրոտոնային կարուսելը» սկզբում անվանեց ցիկլային ռեզոնանսային արագացուցիչ, ապա՝ ցիկլատրոն, որը պայմանավորված էր մասնիկների ցիկլիկ հետագծով և նրանց արագացումն իրականացնող մարտկոցների էլեկտրավակուումային գեներատորների ձևով (D)։ Ինչպես նաև ցիկլատրոն բառը խորհրդավոր էր հնչում պոտենցիալ ֆինանսավորողների և հիմնադրամների համար։

Ցիկլատրոններ

Կոկրոֆ-Ուոլտոնի լարման բազմապատկիչ, որը կիրառվել է տարրական մասնիկների առաջին արագացուցիչներում, 1937 թվական։ Այժմ գտնվում է Լոնդոնի Գիտությունների ազգային թանգարանում

Ցիկլատրոնների ֆիզիկայի ռելյատիվիստական աշխարհում ավելի բարձր էներգիաներ ստանալու համար պահանջվում էին, համապատասխանաբար, առավել խոշոր և հզոր վակուումային պոմպեր և էլեկտրամագնիսներ։ Լոուրենսը ՌադԼաբի «տղաների» (այդպես կոչում էր իր ասպիրանտներին) հետ մեկը մյուսի ետևից ցիկլատրոններ էր ստեղծում, չսպասելով նրանց հնարավորությունների ուսումնասիրության արդյունքներին և չհետևելով չափիչ սարքերի տվյալներին.

• 11-դյույմանոց ցիկլատրոն՝ 1 ՄէՎ (միլիոն էլեկտրոնվոլտ) էներգիա (1931)
• 27-դյույմանոց (68 սմ) 4.8 ՄէՎ էներգիա(1932)
• 37-դյույմանոց (94 սմ) 8 ՄէՎ էներգիա (1937)
• 60-դյույմանոց (1.5 մ) 16 ՄէՎ էներգիա (1939)
• 184-դյույմանոց (4.7 մ) սինխրոցիկլոտրոն (1945)։

Այդ սարքավորումները լայնորեն կիրառվում էին միջուկային ռեակցիաների և արհեստական ռադիոակտիվության ուսումնասիրություններում։

11-դյույմանոց ցիկլատրոն

Մեկ տարի անց Լոուրենսը ու Լիվինգսթոնը աշխատանքների մեջ ներգրավեցին Դավիթ Սլոանին։ Կառուցվեց մագնիսի բևեռների միջև 11 դյույմ տրամագծով նոր ցիկլատրոն, որը երեք անգամ գերազանցում էր նախորդին, էլեկտրամագնիսը 2 տ էր կշռում և արժեցավ 800 դոլլար։ Լոուրենսը այն տեղակայել էր Բերկլիի ֆիզիկայի ֆակուլտետի շենքում, իր աշխատասենյակի մոտ։ Լոուրենսն ու Լիվինգսթոնը մշակեցին իոնային փնջի ֆոկուսացման մագնիսական մեթոդ՝ կիրառելով փափուկ պողպատից պատրաստված կարգավորող մեկուսիչ օղակներ, որոնք տեղադրեցին էլեկտրամագնիսի բևեռների և վակուումային խցիկի միջև մագնիսական դաշտի անհամասեռությունների կոմպենսացման համար։ 1931 թվականի օգոստոսին միլիոն էլեկտրոնվոլտ էներգիայով մասնիկներ ստացման։

1932 թվականինբրիտանացի գիտնականներին հաջողվեց ճեղքել ատոմը, ընդ որում կիրառելով լարման բազմապատկիչ և մի քանի հարյուր հազար վոլտ։ Էռնեստ Լոուրենսը հասկացավ, որ բավարար ուշադրության չէր արժանացրել ճշգրիտ չափիչ սարքերին։ Նա ֆիզիկոս Դոնալդ Կուկսին հրավիրեց իր հետ աշխատելու, որին ճանաչում էր դեռևս Յեյլի համալսարանից և վստահում էր։ Նա հայտնաբերեց և վերացրեց անսարքությունները։ Անգլիացի գիտնականների հաջողության շոկից ուշքի գալով Լոուրենսը առաջարկեց հզորացնել իր հաջորդ ցիկլատրոնը։

Էռնեստ Լոուրենսի 27-դյույմանոց ցիկլատրոն (1935). կափարիչը բաց է, երևում են դուանտները

27-դյույմանոց ցիկլատրոն

1934 թվականի փետրվարի 20-ին Էռնեստ Լոուրենսի արտոնագիր ստացած ցիկլատրոնի գյուտի սխեման։ ԱՄՆ 1948384 արտոնագիր - «Մեթոդ և սարքավորում իոնների արագացման համար»

27-դյույմանոց ցիկլատրոնի մագնիսը կշռում էր 80 տ և 11-դյույմանոց ցիկլատրոնից տասն անգամ թանկ արժեցավ։ Այն պատրաստված էր Կալիֆոռնիայի առափնյա ծոցում գտնվող Դաշնային հեռագրական ընկերության համար։ Այդ հսկա մագնիսը տեղափոխվեց ծովածոց գործարար և բարերար Ֆրեդերիկ Կոտրելի ուժերով։ Այն կիրառական նշանակություն ունեցավ միջուկային ֆիզիկայում և 1934 թվական փետրվարի 20-ին արտոնագիր ստացավ։

Արհեստական ռադիոակտիվություն։ Վտանգավորություն

27-դյույմանոց ցիկլատրոնն անսահման քանակությամբ նոր ռադիոակտիվ իզոտոպներ ստանալու մեծ հեռանկարներ էր խոստանում, որոնք կիրառություն կգտնեին դեռևս անհայտ բնագավառներում։ Սակայն 1934 թվականին Ֆրեդերիկ Ժոլիո-Կյուրիի և Իռեն Ժոլիո-Կյուրիի արհեստական ռադիոակտիվության հայտնագործությունը, երկու ամիս հետո Էնրիկո Ֆերմիի նեյտրոնների ռադիոակտիվ ընդունակության մասին բացահայտումը ստիպեցին «ՌադԼաբ»-ում որոշ փոփոխություններ կատարել։

Ցիկլատրոնի վրա փակցվեցին զգուշացումով գրություններ՝ «չհենվել ցիկլատրոնին»։ Ցիկլատրոնից նեյտրոնների դուրս թռչելու պահին սարքավորման շուրջն արագ տեղադրվում էին ջրով լցված մետաղական տարաներ (դրանց կլանման նպատակով)։ Նախկինում ասպիրանտները թերթից պատրաստված գլխարկներ էին դնում վակուումային պոմպերից ցայտող յուղից պաշտպանվելու համար, բայց ռադիոակտիվ ճառագայթումն ավելի մեծ վտանգ էր ներկայացնում։ Ասպիրանտներից մեկը հետագայում գրել է․

Մենք գիտակցեցինք, որ հսկայական քանակի, մեծ ինտենսիվության նեյտրոնների մեջ ենք աշխատում, և հենց լաբորատորիան ողողված է ցիկլատրոնի ճառագայթումից ծնված ռադիոակտիվությամբ։

Ռադիոակտիվ էին դառնում ոչ միայն գրպանի դրամները, այլև ատամների ոսկյա և արծաթյա ատամնալիցքերը (պլոմբ)։ Լաբորատորիայի աշխատակիցները քաջատեղյակ էին ճառագայթման մահացու և դաժան վտանգների մասին (Ռադիումային աղջիկներ)։ Սակայն ցիկլատրոնի վրա աշխատողներից շատերը մասնագիտական ռիսկ և որոշ առումով խիզախություն էին համարում ճառագայթվելը։

Առանձնապես անխոհեմ և էքսցենտրիկ էր ՌադԼաբում աշխատող համալսարանի կլինիկայի բժիշկներից Ջոզեֆ Համիլթոնի գաղտնի փորձերը մարդու վրա ճառագայթման ազդեցությունը ստուգելու նպատակով, երբ երեք հիվանդների պլուտոնիում ներարկելով նպատակադրվել էր հայտնաբերել «կախարդական գնդակներ»՝ ճառագայթող իզոտոպներ, որոնք ընտրողաբար կկուտակվեին տարբեր օրգաններում։

Լոուրենսի ասպիրանտներից Դևիդ Սլոանը, որը Սլոանի ճառագայթային խողովակի հեղինակն է, ճառագայթումից պաշտպանվելու համար աղբանոցից լաբորատորիա էր բերել 200 ֆունտանոց կապարե լիցքավորման մարտկոցներ, որի պատճառով ողնաշարի վնասվածք էր ստացել։

37-դյույմանոց ցիկլատրոն

Լոուրենսի և նրա ՌադԼաբի ճանաչմանը զուգընթաց աշխարհի բոլոր ֆիզիկոսների համար Բերկլիի համալսարանը փարոս էր հիշեցնում։ Շուտով ըստ Բիրգեի.

Բերկլիի համալսարանը դարձավ ոչ թե ցիկլատրոն ունեցող համալսարան, այլ ցիկլատրոնին կցված համալսարան։

27-դյույմանոց ցիկլատրոնը վերածվեց 37-դյույմանոց ցիկլատրոնի, որում ռետինե պաշտպանիչ օղակները փոխարինվեցին կարմիր զմուռսով։ 1937 թվականին 8 մլն էլեկտրոնվոլտ ռեկորդային արդյունք ստացվեց։

Լոուրենսը Քոմսթոքի Գիտությունների ազգային ակադեմիայի հեղինակավոր մրցանակի արժանացավ, նրա նկարը հայտնվեց Թայմս ամսագրի կազմի վրա։

60-դյույմանոց ցիկլատրոն

Լոուրենսի ճառագայթային լաբորատորիան Բերկլիում 60-դյույմանոց ցիկլատրոն (1930), 1939 թվականին ցիկլատրոնի կառուցման ավարտից հետո։
Ձախից աջ դոկտորներ՝ Դ․ Քուքսի (1892-1977), Դ․ Ռ. Քորսոն, ցիկլատրոնի գյուտարար դոկտոր Էռնեստ Օռլանդո Լոուրենս (1901- 1958), Ռ․ Լ. Թորնթոն, Ջ․ Բաքուս, Լուիս Ուոլթեր Ալվարես (1911-1988), Էդվին Մետիսոն ՄաքՄիլան (1907-1991)

Հերթական՝ 60-դյույմանոց ցիկլատրոնը սկսվեց կառուցվել (1939 թվական) հատուկ նպատակով՝ ռադիոակտիվ իզոտոպներ ստանալ քաղցկեղով հիվանդներին բուժելու համար։ Լուիս Ալվարեսը հաշվարկեց մագնիսի օպտիմալ չափը, Էդվին ՄաքՄիլանը սնուցման աղբյուրը պատրաստեց, Էդվարդ Լոֆգրենը օգնում էր Ուիլյամ Բրոբեկին, որը ՌադԼաբի միակ ինժեներն էր։ Այս ցիկլատրոնը կառուցելիս Լոուրենսը արդեն մեծ ճանաչում էր վայելում և որոշեց, որ «բժշկական ցիկլատրոնը» պետք է արագացնի մասնիկները մինչև 20 միլիոն էլեկտրոնվոլտ։ 200 տոննա կշռող էլեկտրամագնիսների բևեռների հեռավորությունը 60 դյույմ, մասնիկների փնջի երկարությունը 4 ֆուտ։ Ուիլյամ Կրոկերը Կալիֆորնիայի համալսարանական քաղաքում այդ սարքավորմանը համապատասխան նոր շենք կառուցելու նպատակով նվիրաբերեց 75 000 դոլլար։

60-դյույմանոց ցիկլատրոնը դեռ նոր էր կառուցվում, երբ 1939 թվականի հունվարին Գերմանիայում հայտնաբերվեց միջուկի ճեղքումը, որի ժամանակ առաջանում են տրանսուրանային տարրեր։ Այդ երևույթը նկատել էին նաև ՌադԼաբում։ Լուիս Ալվարեսի ասպիրանտներից Ֆիլիպ Աբելսոնը նկատել էր, որ ուրանը նեյտրոններով ռմբակոծելիս ռենտգենյան ճառագայթներ է արձակում։ Ռոբերտ Օպենհեյմերը, Էդվին Մետիսոն ՄաքՄիլանը, Գլենն Սիբորգը պատրաստվում էին աշխարհին ներկայացնել այդ երևույթը։

Սուպերցիկլատրոնի պլաններ

Ստեղծված իրավիճակում Լոուրենսը կարողացավ տեսնել ճեղքման հեռանկարները։ Նա նոր ցիկլատրոնի մասին էր մտածում, չնայած դեռ չէին ավարտվել 60-դյույմանոց ցիկլատրոնի աշխատանքները։ Եթե Բեռլինի Կայզեր Վիլհելմի ինստիտուտի գիտնականներն ատոմի ճեղքումը իրականացրել էին նեյտրոնների միջոցով, օգտագործելով բնական աղբյուր՝ մի կտոր ռադիում, ապա ցիկլատրոնը ուղղորդված ճառագայթման առավել հզոր աղբյուր էր, քանի որ ընդունակ էր ատոմի միջուկ թափանցել, հետևաբար հնարավոր էր ստանալ ավելի մեծ արդյունքներ և մինչև 100 միլիոն էՎ բարձր էներգիաների հասնել։ Այդ գարնանը Լուորենսը ռադիոյով ելույթի ժամանակ հայտնեց հսկա սուպերցիկլատրոն կառուցելու իր մտադրության մասին։

Լոուրենսը հաշվարկեց, որ անհրաժեշտ կլինի 2000 տոննա կշռով մագնիս, դուրս եկող մասնիկների փնջի երկարությունը՝ 140 ֆուտ։

Մենք ձգտում ենք հասկանալ, թե ուրանի ճեղքման ժամանակ նեյտրոնները մշտապե՞ս են արձակվում, թե՞ ոչ։ Եվ եթե այո, ապա ատոմային էներգիայի կիրառումը սահմաններ չի ճանաչի.... Շատ հավանական է, որ ատոմային էներգիան կիրառելու օրը հեռու չէ։ - 1940 թվականի փետրվար, Կավենդիշի լաբորատորիայի գիտնականներին գրած նամակից

184-դյույմանոց սինխրոտրոն

1946 թվականի նոյեմբերի 1-ին ՌադԼաբում մեկնարկեց 184-դյույմանոց սինխրատրոնը։ Առաջին շաբաթում ստացվեց դեյտերոնների 200 միլիոն էլեկտրոն-վոլտ փունջ, որը երկու անգամ գերազանցում էր 1939 թվականի հսկա ցիկլատրոնի սպասելիքներին։

Բժշկության մեջ

Սլոանի խողովակ

Ժամանակակից ցիկլատրոն, օգտագործվում է ճառագայթային թերապիայում. մագնիսը ներկված է դեղին գույնով

Ռենտգենյան խողովակները, որոնք կիրառվում էին դիագնոստիկայի և հիվանդությունների բուժման մեջ, աշխատում էին ցիկլատրոնի վակուումային գեներատորների նույն ռադիոհաճախականությունների միջակայքում։ Այս պատահական համընկումը ՌադԼաբի ասպիրանտներին մղեց բժշկական սարքավորումներ ստեղծել։ Դևիդ Սլոանը կառուցեց 1 միլիոն վոլտ ռենտգենյան խողովակ, որը երեք անգամ հզոր էր այդ ժամանակ գոյություն ունեցող հիվանդանոցային սարքավորումից։ Սլոանի այդ հայտնագործությունը մեծ ճանաչում և կիրառում ունեցավ բժշկության մեջ։ 1933 թվականին Բերկլիի համալսարանի ճառագայթաբանները օնկոլոգիական հիվանդություններ բուժելիս կիրառում էին Սլոանի ճառագայթային խողովակը։

Քաղցկեղի բուժում

Մարդու մարմնի հյուսվածքներ թափանցելու նեյտրոնների ընդունակությունը Էռնեստ Լոուրենսը կիրառեց քաղցկեղի բուժման համար։ Ցիկլատրոնից դուրս եկող կենտրոնացած կտրուկ փունջը կարող էր չարորակ ուռուցքները քայքայել չվնասելով մոտակա առողջ հյուսվածքները։ Փորձնականորեն ցուցադրվում էր, որ ռադիոակտիվ նատրիումը ռադիումի համեմատ առավել անվտանգ ռադիոիզոտոպային ինդիկատոր է։ Այդ նպատակով կամավորները խմում էին իզոտոպի ջրային լուծույթը, մի քանի ակնթարթից Գեյգերի հաշվիչը (Geiger counter) ցույց էր տալիս իզոտոպի շարժումը։

Շվեյցարիայում պատրաստված Ֆրանսիական ցիկլատրոն, Ցյուրիխ, 1937 թվական. կարմիրը մագնիսն է (աջից), որից հեռացված է դուանտներով վակուումային խցիկը (ձախից)

Սթոունը և Համիլթոնը առաջին բժիշկներն էին, որոնք ցիկլատրոնից ստացված ճառագայթային իզոտոպները բժշկական նպատակներին ծառայեցրեցին։ Շաբաթական մեկ օր ֆիզիկոս ասպիրանտների փորձերը դադարեցվում էին և ցիկլատրոնի նեյտրոնների միջոցով բուժում էին քաղցկեղով հիվանդներին։

Մայոյի կլինիկայի բժիշկները Գունգե անունով 65-ամյա կնոջը ախտորոշեցին արգանդի անբուժելի քաղցկեղ։ Նա մի քանի ամսից մահանալու էր։ Շաբաթական մի անգամ ծովածոցը նավով հատելով Գունգեին բերում էին Սթոունի կլինիկա, որտեղ նրան մի քանի անգամ ճառագայթման էին ենթարկում, կիրառելով Սլոանի ճառագայթային խողովակը։ Բուժումը ցավոտ էր և տանջալից, բայց ուռուցքը աստիճանաբար կրճատվում էր։ Այդ դեպքից հետո, 1937 թվականի ավարտին Լուորենսի գործընկերները հավատացին նոր բժշկական տեխնոլոգիային։

Լոուրենսի ցիկլատրոն

1937 թվականի վերջում 37-դյույմանոց ցիկլատրոնը գիշեր ու զոր աշխատում էր՝ թողարկելով ռադիոակտիվ իզոտոպներ, որոնք Սթոունն ու Համիլթոնը անվճար տալիս էին աշխարհի հիվանդանոցներին և հետազոտական լաբորատորիաներին։

Եվրոպայի առաջին ցիկլատրոն

Եվրոպայի առաջին ցիկլատրոնը՝ ԽՍՀՄ ԳԱ Վ. Խլոպինի անվան Ռադիումային ինստիտուտի ցիկլատրոնն է։ Սկսվել է կառուցվել Լենինգրադում, Ռադիումային ինստիտուտում 1932—1937 թվականներին։ Գաղափարը առաջացել էր Միսովսկիի գլխում դեռևս 1922 թվականին, որը Ռադիումային ինստիտուտի ձևավորման ժամանակ զբաղեցրեց ֆիզիկայի բաժնի վարիչի պաշտոնը։ Նրա գաղափարը հավանության արժանացավ ղեկավարության կողմից, ընդ որում նախագծի խորհրդատուներն էին Աբրամ Իոֆեն (1880-1960) և Պյոտր Կապիցան (1894 — 1984): Նախագծի առաջին աշխատանքները սկսել են գիտնականներ Գեորգի Գամովը (1904-1968) (1933 թվականին ԽՍՀՄ-ից ԱՄՆ տեղափոխվելուց հետո՝ Ջորջ Գամով) և Լև Միսովսկին (1888-1939)։ Նրանք ուսումնասիրելով Լոուրենսի և Լիվինգսթոնի գործող 25-սանտիմետրանոց ցիկլատրոնի գաղափարը՝ 1932 թվականին Ռադիումային ինստիտուտի գիտական խորհրդին ներկայացրեցին 1 մետրանոց ցիկլատրոնի նախագիծ, որը չորս անգամ մեծ էր Լոուրենսի ցիկլատրոնից։

Նախագծի հաստատումից հետո կառուցման աշխատանքները ղեկավարել և իրականացրել են Ռադիումային ինստիտուտի ֆիզիկայի բաժնի աշխատակիցներ Գամովը, Իգոր Կուրչատովը (1903-1960), Միսովսկին, ինժեներ-էլեկտրիկ Վիկտոր Ռուկավիշնիկովը (1895—1960), Աբրահամ Ալիխանովը (1904-1970) և այլք Վիտալի Խլոպինի (1890-1950) ղեկավարությամբ։

Եվրոպայի առաջին ցիկլատրոնը գործարկվեց 1937 թվականին։ Իսկ իմպուլսային քանակությամբ խորհրդային առաջին պլուտոնիումը թողարկվեց 1945 թվականին։

Նեյտրոնային ճառագայթային թերապիայի սենյակ, Վաշինգտոնի համալսարան (UW Therapy room). սեղանը նախատեսված է հիվանդի պառկելու համար, ձախ կողմի մեծ սպիտակ մասն իր առանցքի շուրջը 360 °-ով հորիզոնական պտտվելու և հիվանդի ամբողջ մարմինը բուժելու հնարավորությամբ է օժտված

Սինխրոտրոնային ճառագայթման խոշոր կենտրոններ

Աշխարհի ամենաճանաչված սինխրոտրոնային ճառագայթման կենտրոններն են․

• Գերմանական ամենախոշոր Դեզի սինխրոտրոնը՝ DESY (գերմաներեն՝ Deutsches Elektronen-Synchrotron-Գերմանական էլեկտրոնային սինխրոտրոն)
• ֆրանսիական Սոլեիլ արագացուցիչը՝ SOLEIL (ֆրանսերեն՝ Source Optimisée de Lumière d’Énergie Intermédiaire du LURE, նաև ֆրանսերեն soleil — արև) ցիկլային արագացուցիչ ԼՈՒՐԵ-ին առընթեր
• Կանադայի Սասկատունի համալսարանի Սիէլէս՝ CLS (ֆրանսերեն՝ Canadian Light Source)
• Կանադայի Վանկուվերի TRIUMF լաբորատորիայի աշխարհի խոշորագույն ցիկլատրոն (գործարկվել է 1974 թվականից), որի մագնիսը կշռում է 4000 տոննա, ստեղծելով 4,6 Կիլոգրամ-ուժ դաշտ՝ H− իոնները արագացնում են մինչև 500 ՄէՎ (ՄԷՎ (մեգաէլեկտրավոլտ)=1 միլիոն էլեկտրավոլտ) բարձր էներգիաներ։ Արագացնող բարձր հաճախության դաշտը 23 ՄՀց (մեգահերց) և լարվածության ամպլիտուդը՝ 96 կՎ, թողարկվող հոսանքը՝ 300 մկԱ
• ամերիկյան SPEAR-3 (անգլերեն՝ Stanford Positron Electron Asymmetric Rings), National Accelerator Laboratory-Արագացուցիչների ազգային լաբորատորիա, մինչև 2008 թվականը՝ SLAC-Stanford Linear Accelerator Center՝ Սթենֆորդի գծային արագացուցիչի կենտրոն։

Հայաստանի ցիկլատրոններ և արագացուցիչներ

Հայաստանի Ֆիզիկայի ինստիտուտը լայն փորձ ունի այդ բնագավառում։

• Տարրական մասնիկների և միջուկային ֆիզիկան Հայաստանում
• Արուս (արագացուցիչ) Երևանի ֆիզիկայի ինստիտուտում ռուսերեն՝ Արմյանսկի ուսկորիտել՝ «Հայկական արագացուցիչ»)
• Քենդլ

2004 թվականին հայ գիտնականները ֆիզիկա-մաթեմատիկական գիտությունների դոկտոր Վասիլի Ցականովի գլխավորությամբ մշակել են երրորդ սերնդի սինխրոնային ճառագայթման աղբյուրի՝ Քենդլ (անգլ.՝ CANDLE-Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission, Սինքրոտրոնային ճառագայթման օգտագործմամբ գիտական հետազոտությունների կենտրոն) նախագիծ, որը միջազգային փորձագետների ուսումնասիրության արդյունքում բաժանվել է երկու փուլի․

• Արեալ (արագացուցիչ) (AREAL)- փորձարարական նախագիծ, որը հաջողությամբ մեկնարկվել է 2011 թվականից ուլտրաարագ գործընթացների գիտական հետազոտությունների հնարավորությամբ։ Գերմանիայի, Ֆրանսիայի, Շվեյցարիայի արագացուցիչների կենտրոնները ակտիվ մասնակցություն են ունեցել նախագծի ստեղծման աշխատանքում․ Ֆրանսիան լազերային տեխնիկա է տրամադրել, Շվեյցարիան՝ հատուկ Հայաստանի արագացուցիչի համար նախատեսված վակուումային սարքավորումներ։
• 2018 թվականից կիրականացվի CANDLE նախագիծը, որի օղակի պատրաստման ծախսերը նախնական հաշվարկներով մոտ 65 մլն եվրոյի կհասնի, որի քառորդ մասը Հայաստանի կառավարության կողմից է տրամադրվելու։ Արագացուցիչի շինարարությանը մասնակցելու են Իտալիան, Ռուսաստանը, մասնավորապես Նովոսիբիրսկը տրամադրելու է արագացուցիչի մագնիսները։

Քենդլ նախագիծը բարձր միջազգային վարկանիշ ունի։ Այն կարելի է անվանել հայկական գիտության ապրանքանիշ:...Մենք կարող ենք իմանալ հնագիտական պեղումների տարիքը կամ նոր դեղամիջոցներ ստեղծել - Հայաստանի գիտության գծով Պետկոմիտեի նախագահ Սամվել Հարությունյան

Հայկական արագացուցիչը մի շարք բնագավառներում ուսումնասիրություններ կատարելու հնարավորություն կունենա (ֆիզիկա, քիմիա, կենսաբանություն, հնագիտություն, բժշկություն)։ Քենդլ նախագիծը Հայաստանին հնարավորություն կտա դառնալ Եվրոպական սինխրոտրոնային ճառագայթման ցանցի անդամ, մասնակցել աշխատանքներին և միջազգային ներդրումներ ներգրավել։

Տես նաև

• Սինխրոցիկլոտրոն
• Արագացուցիչ
• Լիցքավորված մասնիկների կուտակիչներ
• Միկրոտրոն

Գրականություն

• Циклотрон-изобретение Лоуренса 1929. Информационная поддержка: ООО «Лайт Телеком»
• Բ. Ս. Իշխանով, Ի. Մ. Կապիտոնով, Է. Ի. Կեբին ЭкспериментЦиклотрон ուսումնական ձեռնարկ, Մ., ՄՊՀ հրատարակչություն, 2005, (ռուս.)
• Լ. Մ. Օնիշչենկո Ցիկլատրոններ, Տարրական մասնիկների և ատոմի միջուկի ֆիզիկա 2008, հ. 39, 6-րդ հրատ., էջ 1843—1897
• Է. Օ. Լոուրենս, Դ. Կուկսի Ցիկլատրոն 1937, Ֆիզիկայի հաջողությունները, հ․ 13, 4-րդ հրատ., թարգմ. Ն. Խլեբնիկովի (անգլ.)

Վիքիպահեստն ունի նյութեր, որոնք վերաբերում են «Ցիկլատրոն» հոդվածին։