Школы для студентов, аспирантов и молодых ученых в Лабраториях ОИЯИ
Сотрудники УНЦ ОИЯИ
FAQ
Список курсов, читаемых в 2016/2017 учебном году
Базовые кафедры в ОИЯИ
Вузы – партнеры УНЦ
Базовые установки ОИЯИ
Учебно-методические пособия УНЦ ОИЯИ
Всемирно известные ученые в ОИЯИ
Интересное рядом (научно-популярные очерки)
Контакты
О Дубне
Новости
Фазотрон
Физические задачи
Установка Фазотрон предназначена для создания пучков тяжелых заряженных частиц и выполнения научных исследований и прикладных работ на выведенных пучках. На фазотроне действует 10 каналов пучков, которые используются для экспериментов с π-мезонами, мюонами, нейтронами и протонами. Пять вторичных пучков предназначены для медицинских исследований, главным образом по терапии онкологических заболеваний. Основные направления исследований на фазотроне:
Принцип действия
Синхроциклотрон или фазотрон – циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле и ускоряются в уменьшающемся по частоте высокочастотном электрическом поле. В своих основных чертах принцип действия и устройство фазотрона те же, что и у циклотрона. Однако циклотрон ускоряет нерелятивистские частицы, для которых справедливы законы ньютоновской механики (например, протоны с энергией до 25 МэВ). Для таких частиц время одного оборота в дуантах не зависит от энергии и поэтому в циклотроне используется ускоряющее высокочастотное поле неизменной частоты. Однако, когда скорость протона достигает примерно 1/5 скорости света, вступают в силу законы релятивистской механики и условие синхронизма нарушается. С каждым новым оборотом время обращения увеличивается, и частицы с всё большим опозданием подходят к зазору между дуантами, попадая не в ускоряющую, а в замедляющую фазу высокочастотного электрического поля. В фазотроне этот эффект релятивистского запаздывания компенсируется соответствующим снижением частоты ускоряющего поля. В этой связи фазотрон функционирует в режиме повторяющихся с определённой частотой интервалов ускорения. Частота ускоряющего поля в рабочей части каждого интервала падает в соответствии с энергией частиц, а затем возвращается к своему начальному значению. После этого начинается следующий интервал ускорения.
Фазотрон
Основные технические параметры фазотрона:
энергия ускоренных протонов – (659 ± 6) МэВ; частота циклов ускорения протонов (частота модуляции) – 250 Гц; интенсивность выведенного протонного пучка в режиме» быстрого» вывода – 2 – 2,5 µА; и в режиме «медленного» вывода 1,6 – 2,0 µА. Выведенный протонный пучок имеет микроструктуру – сгустки частиц длительностью около 10 наносекунд следуют с интервалом около 70 наносекунд.
История создания
Фазотрон располагается в Лаборатории ядерных проблем – старейшей лаборатории Института. Лаборатория была основана в 1947 г., когда началось создание крупнейшего в то время ускорителя – пятиметрового синхроциклотрона на энергию 560 МэВ. Пуск ускорителя состоялся 14 декабря 1949 г. Для исследований на синхроциклотроне был организован Институт Ядерных Проблем АН СССР. В 1956 г. синхроциклотрон и весь штат сотрудников ИЯП АН СССР были переданы Советским правительством в ведение организованного в Дубне Объединенного института ядерных исследований. В 1979 – 1984 годах синхроциклотрон был реконструирован в фазотрон с пространственной вариацией магнитного поля. В результате проведенной реконструкции интенсивность выведенного пучка протонов возросла в 20 – 25 раз.
Пучки Фазотрона для прикладных исследований
Первый в Советском Союзе (ныне СНГ) протонный пучок с необходимыми для лучевой терапии параметрами быт создан в 1967 г по предложению В. П. Джелепова в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна) на фазотроне 680 МэВ [2] Все работы на этом пучке проводились совместно сотрудниками Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР (ныне Онкологический научный центр Российской АМН) и группой физиков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Клинические исследования были начаты после серии физико-дозиметрических и радиобиологических экспериментов. В конце 1985 года в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ было завершено создание шестикабинного клинико-физического комплекса, включающего в себя:
Фазотрон, синхроциклотрон — циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, дейтронов, ионов и др.), в котором магнитное поле однородно и постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.
Принцип действия
В своих основных чертах принцип действия и устройство синхроциклотрона те же, что и у циклотрона. Отличием является компенсация эффекта релятивистского запаздывания [2] путём соответствующего снижения частоты ускоряющего поля.
Синхроциклотрон функционирует в режиме повторяющихся с определённой частотой интервалов ускорения. Частота ускоряющего электрического поля в рабочей части каждого интервала падает в соответствии с энергией частиц, а в конце интервала возвращается к своему начальному значению.
Данный принцип отражён в названии ускорителя — синхроциклотрон.
ФАЗОТРОН — (синхроциклотрон), циклич. резонансный ускоритель тяжёлых заряж. ч ц (протонов, ионов), в к ром управляющее магн. поле постоянно во времени, а частота ускоряющего ВЧ электрич. поля меняется. Движение ч ц в Ф. происходит по раскручивающейся… … Физическая энциклопедия
фазотрон — ускоритель, синхроциклотрон Словарь русских синонимов. фазотрон сущ., кол во синонимов: 2 • синхроциклотрон (2) • … Словарь синонимов
ФАЗОТРОН — (сиихроциклотрон) ускоритель заряженных частиц (см. (1)), в вакуумной камере которого частицы движутся по спирали в постоянном магнитном поле и ускоряются высокочастотным электрическим полем с медленно изменяющейся частотой. Изменение частоты… … Большая политехническая энциклопедия
фазотрон — (см. фаза + (элек)трон) иначе синхроциклотрон установка для ускорения (ускоритель) тяжелых заряженных микрочастиц (протонов, дейтронов, альфа частиц) до энергии в миллиард электрон вольт; в фазотроне частицы ускоряются высокочастотным… … Словарь иностранных слов русского языка
фазотрон — fazotronas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. phasotron vok. Phasotron, m rus. фазотрон, m pranc. phasotron, m … Fizikos terminų žodynas
— резонансный циклич. ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени азимутально однородном (или почти однородном) магн. поле и периодически изменяющемся по частоте высокочастотном ускоряющем напряжении.
При движении без ускорения частицы описывают в камере круговые траектории, радиус к-рых определяется из (2). При движении с ускорением радиус окружности с увеличением импульса частиц растёт, так что траектории приобретают вид раскручивающихся спиралей. Частота обращения частиц с увеличением падает, соответственно должна уменьшаться частота ускоряющего напряжения. (Вторая причина уменьшения частоты заключается в том, что устойчивое вертикальное движение частиц при ускорении возможно только в магн. поле, индукция к-рого уменьшается с радиусом.) Рабочий режим Ф. носит поэтому циклич. характер: частота ускоряющего напряжения на рабочей части цикла падает в соответствии с энергией частиц, а затем возвращается к своему нач. значению. После этого начинается следующий цикл ускорения.
Практический предел на энергию, достижимую при помощи Ф., накладывает вес магн. системы и энергопотребление ускорителя. Для ускорения частиц до самых больших энергий применяют ускорители, в к-рых магн. поле создаётся не по всей площади круга, а на узкой кольцевой дорожке, в пределах к-рой происходит движение ускоряемых частиц. Как ясно из (2), при растущем импульсе частиц и пост. радиусе траектории в течение ускорит. цикла должна изменяться индукция магн. поля. Такие ускорители называют с и н х р о ф а з о т р о н а м и или синхротронами протонным.
Как уже говорилось, Ф. уступают место изохронным циклотронам, в к-рых частота ускоряющего поля постоянна, а с энергией частиц (с радиусом) возрастает усреднённое по азимуту значение магн. индукции. При таком законе изменения В возникает неустойчивость вертикального движения, с к-рой удаётся справиться ценой отказа от азимутальной симметрии магн. поля.
Рис. Внешний вид протонного фазотрона Объединённогоинститута ядерных исследований.
Приведём в качестве примера параметры Ф., введённого в действие в 1984 в Объединённом ин-те ядерных исследований в Дубне (рис.). Протоны ускоряются до энергии 600 МэВ; вес магнита 7000 т, диаметр магн. полюсов 6 м. Потребляемая мощность: 700 кВт для питания магнита, 200 кВт для питания высокочастотной системы. Частота циклов ускорения 250 Гц; усреднённый по времени ток внутреннего пучка
6 мкА, тон выведенного пучка
3,5 мкА. Во время реконструкции Ф. в структуру магн. поля были введены спиралевидные неоднородности, к-рые позволяют уменьшить диапазон изменения частоты ускоряющего напряжения.
— резонансный циклич. ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени азимутально однородном (или почти однородном) магн. поле и периодически изменяющемся по частоте высокочастотном ускоряющем напряжении.
При движении без ускорения частицы описывают в камере круговые траектории, радиус к-рых определяется из (2). При движении с ускорением радиус окружности с увеличением импульса частиц растёт, так что траектории приобретают вид раскручивающихся спиралей. Частота обращения частиц с увеличением падает, соответственно должна уменьшаться частота ускоряющего напряжения. (Вторая причина уменьшения частоты заключается в том, что устойчивое вертикальное движение частиц при ускорении возможно только в магн. поле, индукция к-рого уменьшается с радиусом.) Рабочий режим Ф. носит поэтому циклич. характер: частота ускоряющего напряжения на рабочей части цикла падает в соответствии с энергией частиц, а затем возвращается к своему нач. значению. После этого начинается следующий цикл ускорения.
Практический предел на энергию, достижимую при помощи Ф., накладывает вес магн. системы и энергопотребление ускорителя. Для ускорения частиц до самых больших энергий применяют ускорители, в к-рых магн. поле создаётся не по всей площади круга, а на узкой кольцевой дорожке, в пределах к-рой происходит движение ускоряемых частиц. Как ясно из (2), при растущем импульсе частиц и пост. радиусе траектории в течение ускорит. цикла должна изменяться индукция магн. поля. Такие ускорители называют с и н х р о ф а з о т р о н а м и или синхротронами протонным.
Как уже говорилось, Ф. уступают место изохронным циклотронам, в к-рых частота ускоряющего поля постоянна, а с энергией частиц (с радиусом) возрастает усреднённое по азимуту значение магн. индукции. При таком законе изменения В возникает неустойчивость вертикального движения, с к-рой удаётся справиться ценой отказа от азимутальной симметрии магн. поля.
Рис. Внешний вид протонного фазотрона Объединённогоинститута ядерных исследований.
Приведём в качестве примера параметры Ф., введённого в действие в 1984 в Объединённом ин-те ядерных исследований в Дубне (рис.). Протоны ускоряются до энергии 600 МэВ; вес магнита 7000 т, диаметр магн. полюсов 6 м. Потребляемая мощность: 700 кВт для питания магнита, 200 кВт для питания высокочастотной системы. Частота циклов ускорения 250 Гц; усреднённый по времени ток внутреннего пучка
6 мкА, тон выведенного пучка
3,5 мкА. Во время реконструкции Ф. в структуру магн. поля были введены спиралевидные неоднородности, к-рые позволяют уменьшить диапазон изменения частоты ускоряющего напряжения.
ФАЗОТРОН — (синхроциклотрон), циклич. резонансный ускоритель тяжёлых заряж. ч ц (протонов, ионов), в к ром управляющее магн. поле постоянно во времени, а частота ускоряющего ВЧ электрич. поля меняется. Движение ч ц в Ф. происходит по раскручивающейся… … Физическая энциклопедия
фазотрон — ускоритель, синхроциклотрон Словарь русских синонимов. фазотрон сущ., кол во синонимов: 2 • синхроциклотрон (2) • … Словарь синонимов
ФАЗОТРОН — (сиихроциклотрон) ускоритель заряженных частиц (см. (1)), в вакуумной камере которого частицы движутся по спирали в постоянном магнитном поле и ускоряются высокочастотным электрическим полем с медленно изменяющейся частотой. Изменение частоты… … Большая политехническая энциклопедия
фазотрон — (см. фаза + (элек)трон) иначе синхроциклотрон установка для ускорения (ускоритель) тяжелых заряженных микрочастиц (протонов, дейтронов, альфа частиц) до энергии в миллиард электрон вольт; в фазотроне частицы ускоряются высокочастотным… … Словарь иностранных слов русского языка
фазотрон — fazotronas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. phasotron vok. Phasotron, m rus. фазотрон, m pranc. phasotron, m … Fizikos terminų žodynas
падает, соответственно должна уменьшаться частота ускоряющего напряжения. (Вторая причина уменьшения частоты заключается в том, что устойчивое вертикальное движение частиц при ускорении возможно только в магн. поле, индукция к-рого уменьшается с радиусом.) Рабочий режим Ф. носит поэтому циклич. характер: частота ускоряющего напряжения на рабочей части цикла падает в соответствии с энергией частиц, а затем возвращается к своему нач. значению. После этого начинается следующий цикл ускорения.