Siklotron unsurlari ve alt sistemleri



Yüklə 43.7 Kb.
tarix17.03.2018
ölçüsü43.7 Kb.

2.4. Siklotron Bileşenleri ve Alt Sistemleri
Bu bölümde siklotronların alt sistemlerinin ve bileşenlerinin kısaca tanımları verilmiştir. Şekil 4 ve Şekil 5 de iki tane örnek verilmiştir ki bu örnekler PSI deki hızlandırıcı laboratuvarlarının birbirinden tamamen farklı iki siklotronunu ve bileşenlerini göstermektedir. Magnet tasarımı, RF sistemleri, siklotrona demetin alınması ve çıkarılması detayla ele alınması gereken diğer konulardır.
Magnetik alan genellikle elektromagnetlerle üretilir. Şekil 4 te verilen injektör 1 deki durumda magnet dairesel kutuplu bir tek parça H-tipi magnettir. Diğer taraftan şekil 5 de verilen dairesel siklotron 8 farklı magnet bölgesini kullanır. İki siklotron da dikey ve eksenel odaklamayı rölativistik enerjilere kadar çoğaltmak için , açıyla değişen magnetik alana sahiptir. Magnetlerin genişlik ve ağırlığı alan büyüklüğüne ve maksimum enerjiye bağlıdır. Oda sıcaklığı için magnetlerin tipik kutup çapları 30 MeV enerjili protonlar için 1,5 m ve 100 MeV enerjili protonlar için yaklaşık 2,5 m dir. Ayrılmış sektör siklotronlarında ortalama alan daha düşüktür, ortalama yörünge yarı çapları 72 MeV de 2 m ve 600 MeV de 4,5 m dir. Siklotron magnetlerinin tipik ağırlığı Ref. 9’ dan alınan grafik olan Şekil 7’de gösterilmektedir (9). Süper iletken bobinlerle oldukça yüksek alan şiddetine ulaşılmıştır ve buna karşılık magnetlerin ağırlığı uygun şekilde azalmıştır.
İlk siklotronlar iyon kaynağına sahip değildi. Magnet merkezine ortamdaki kalıcı gazları iyonize edici bir flaman yerleştirilmişti ancak bu durumda kötü kaliteli ve daha çok dağınık bir iyon demeti elde edilirdi. Bu durumun önüne bir iç iyon kaynağı dahil edilerek geçildi. Başlıklı ark olarak da bilinen bir boşaltma arkı kaynak olarak daha iyi belirlenmiş başlangıç şartları altında daha kaliteli bir demet sağladı. Modern siklotronlarda genellikle dış iyon kaynağı ve eksenel enjeksiyon sistemi kullanılır. Eksenel enjeksiyon sistemi ,düşük enerjilerde demeti siklotron magnetinin merkezine getirmek için kullanılır. Bu kaynaklar genellikle özel kullanımlar için optimize edilmiştir. Mesela polarize iyon kaynakları , ağır iyon kaynakları, yüksek yüklü iyon elde etmek için ECR (Elektron Siklotron Rezonans ) kaynakları, negatif hidrojen atomlarının Hˉ kaynakları. İç kaynaklar 4mm – 10 mm çapında , magnetlerin merkezinde , alan çizgilerine paralel bacalara sahiptir. Her iki kaynak da arkı beslemek için ya da soğuk katodlar için flaman kullanırlar ve ark gerilimi olarak 1 kV’ luk ark gerilimi kullanırlar. RF sisteminin elektrik alanı, iyonları bacada bulunan yarığın içinden plazmadan dışarı doğru hızlandırırlar.
RF sistemi ve hızlandırıcı elektrodların geometrileri , kuvvetli olarak siklotronun genel tasarımına, Şekil 4’de gösterilen durumda bir 180˚ Dee’ ye daha düşük siklotronlarda iki 90˚ Dee’ye ya da yüksek harmonik mod h’da yapılan siklotronlarda üç 60˚ Dee’ye bağlıdır. Ayrılmış sektör siklotronlar geniş, yüksek Q RF rezonans boşlukları ya da magnetler arasındaki kaviteleri kullanırlar. Açık olarak avantajlar , düşük RF kayıpları ve yüksek enerji kazancıdır. Tipik değerler voltajın maksimum değeri için Dee’lerde 50 ve 100 kV arasında rezonatörlerde 50 kV’un üstünde ve PSI’daki dairesel siklotronların büyük kavitelerinde 750 kV’dur.

Şekil 2.7. K değerine karşı tipik siklotron magnet ağırlıkları. Süperiletken sarımlarla yeterince yüksek alan şiddetlerine ulaşılabilir ve magnet ağırlıkları 15 kat azaltılabilir..


Çıkış sistemlerinde genellikle elektrostatik elementler , elektromagnetik elementler ve pasif magnetik kanallar, demeti dairesel yörüngenin dışına çevirirler ve demeti alanın kenarına doğru odaklarlar. İlk elektrostatik saptırıcının iç elektrodu kritik bir bölümdür ve septum adını alır. Septum dairesel demetten ayrıdır. (Septum latince bıçak anlamındadır)
Ayrıca, demet akımını ölçmek ve demet davranışını kontrol etmek için kullanılan izleme cihazları ve demet algılayıcıları (prob) önemlidirler. Bunlara ek olarak vakum odacığı, vakum pompaları, radyasyona karşı koruma ve uzaktan kumanda için kontrol sistemleri de bir siklotronun alt sistemleridir.
2.5. Siklotron Gelişiminin Yakın Tarihi
Siklotron gelişiminin tarihi siklotronların farklı tipleri için ilginç ara kesitler sunar. Kullanıcıların yeni fikirlerine uygun ihtiyaçlarını karşılayan siklotronlar kurallara göre geliştirilirken, bazı çeşit siklotronlar kullanımdan kalkmıştır. Sayılardaki ve çeşitlerdeki gelişmeler Şekil 8’de gösterilmektedir.


Şekil 8. 1930 larda inşa edilen ilk siklotrondan bu yana farklı tipteki siklotronların sayılarındaki zaman içindeki gelişme
TABLO-1 Avf Siklotronları ve Ayrılmış Sektör Siklotronlarının Karşılaştırılması

PSI Enjektör 1 PSI Enjektör 2



AVF-Siklotron Ayrılımlı Bölge Siklotronu

Siklotron Parametreleri

Dönme Sayısı 500 100

Dönme Ayrılımı Çıkışta 0.3-3mm Çıkışta 18mm

Magnet 1 kutup,=2.5m 4 Ayrılmış sektör, R=3.5m

Kutup Parlaklığı ’lik 4 spiral açılı Spiral açısı yok

Ağırlık,Aralık 470t, aralık 240/450mm 4x180t,aralık 35mm

Bav, Bmax 1.6t , 2.0t 0.36T, 1.1T

RF Sistemi Dee 2 Rezonatör

Max. Hızlandırma Gerilimi 2x70 kV 4x250 kV

Frekans 4.6-17 MHz, 50 MHz 50MHz

İyon Kaynakları iç Sıcak Katot __

Dış ECR, Polarize iyon Uç iyon kaynağı

kaynakları

Enjeksiyon 14 kV eksenel enjektör 870 keV’lik enjektör

sistemi


Demet Özellikleri

Enjektör modu

Proton E,I 72 MeV, max. 200µA 72 MeV, max.1.6mA

Değişken Enerji

Protonlar 10-72 MeV, 10µA __

Döteronlar 10-65 MeV, 10µA __

Alfalar 20-120 MeV, 5µA __



Ağır İyonlar 130(Z2/A) MeV __

Normalize Emittans 2.4/1.2 π mm mrad 1.2/1.2 π mm mrad

Faz Genişliği

Enerji Yayılımı 3x10-3 2x10-3


Kullanıcı (1992’deki durum)

Enjektör Kullanma % 20 %100

Nükleer Fizik % 40 __

Kimyasal ve Atomik Fizik % 10 __

Radyoizotop Üretimi % 10 (parazitlik % 40 )

Kanser Terapisi % 10 __

Değişik Işınlamalar % 10 __

Temel bilgiler ilk özetlerin tablolarında bulunmaktadır (10) ve siklotronlar hakkında bilgi, uluslararası konferansların bildirilerini içeren derlemelerden alınmaktadır [11]. Siklotronların gelişmeleriyle ilgili ilginç makaleler R.R. Wilson [12], J.A. Martin [13], F. Resmini [14] ve J. R. Richardson [15] tarafından verilmiştir. Siklotronların ulaşacağı sınırlar ve şekilleri W. Joho tarafından verilmiştir [9, 16].


2.5.1. Klasik Siklotronlar
Siklotronlar üzerindeki çalışmalar 1930’lu yıllarda nükleer fiziğin yeni alanlarında ortaya çıkan ihtiyaçlardan doğmuştur. İlk siklotron hafif iyonları yüksek hızlara ulaştırmak amacıyla E. O. Lawrence ve M. S. Livingston [17] tarafından 1931’de Berkeley’de California Üniversitesi laboratuvarında yapılmıştır. Günümüzde bu laboratuvar E.O. Lawrence’in, siklotron gelişimine katkısı nedeniyle Lawrence Berkeley Laboratuvarı (LBL) olarak anılmaktadır. Lawrence’nin 11,0 inçlik siklotronu 28 cm çapında kutup yüzüne sahipti ve 1,220,000 V luk ve 0,001μA’lik protonlar üretmişti (18). Bu siklotron ilk olarak 1932’de deneyler için kullanılmıştır. Daha sonraki yıllarda çok sayıda siklotron üretilmiştir. B. Cohen [10] 1959’da 48 tane siklotronu listelemiştir. İlk siklotronların hepsi düz kutuplara sahipti ve bu nedenle kutubun kenarına doğru magnetik alan şiddetindeki küçük azalma için yeterli odaklama yapılmalıydı. Bir yandan odaklama diğer yandan rölativistik enerjilere hızlandırma için artan radyal alanlar arasındaki ihtiyaçların çelişmesi bir an evvel çözülmesi gereken bir problemdi. Sonuç olarak klasik siklotronların enerjilerindeki sınırlamalar üzerine ilk yayın 1937’de H. E. Bethe ve M. E. Rose [19] tarafından yayınlanmıştır. Bu yayında, bir siklotronda o gün için protonların ulaşılabileceği maksimum enerjinin 12 MeV, Alfa parçacıklarınınkinin ise 34 MeV olabileceği vurgulanmıştır.
2.5.2. Frekans Modülasyonlu Siklotronlar (FM-Siklotronlar) veya Sinkrotronlar
Nötronların ve müonların keşfinin etkisi altında ve pionların varlığının önceden bilinmesiyle, 1932 ve 1937 yılları arasında yüksek enerjiye ulaşmak için çözüm arandı. L.H.Thomas’ın [20] önerdiği 1938’de yayınlanan “magnetik alanın kutup açısıyla değişimi” ni kullanmak o zamanlar geçerli değildi. Çünkü sinüsoidal magnetik alan üretilmesi çok zordu. Sinkro-siklotronlar 1945 yılında yapılan savaştan sonra E. M. McMillan [22] ve V. Veksler [21] tarafından yapılan önerileri takiben kuruldu. Bu siklotronlar eksenel odaklamayı gerçekleştirmek için yarıçap doğrultusunda azalan alanlara sahiptir. Fakat rölativistik enerjilere ulaşmak için, parçacıklar hızlandırılırken frekans düşürülmelidir. Sinko-siklotronlar faz odaklamalı siklotronlardır. Hızlandırma süresince herhangi bir anda, parçacıkların fazı, sürücü RF sisteminin frekansındaki aktif değişimine karşılık gelen enerji kazanımını veren faz civarında salınırlar. Frekans taraması yavaştır ve 50 – 4000 devir/sn’dir. Bu nedenle hızlandırma yavaş gerçekleşir. Dee voltajının 10 kV ve 40 kV arasında yüksek bir değerde olması gerekir. Bütün bu özellikler sinkro-siklotronların yapımını ve işletilmesini kolaylaştırır. J. R. Richardson’a [15] göre o gün için FM siklotronları kadar işlevsel hızlandırıcı olmamıştır. Frekans modülasyonunun dezavantajı parçacıkların devirsel yörüngelerde dolanmasıdır. Bu bakımdan sinko-siklotronlar düşük duty faktörlü, düşük ortalama demet yoğunluklu, atmalı (pulsed) demet sağlarlar.
Berkeley’deki 184 inç’lik sinko-siklotron E.O.Lawrance tarafından yapıldı [23]. Bu siklotronda, proton demetleri için 200 MeV’in üstüne, alfa parçacığı demeti için ise 400 MeV’in üstüne çıkıldı. Frekans modülasyonlu siklotronlarda, en yüksek demet enerjisine Gatchina’da (St. Petersburg, Rusya) 1000 MeV olarak ulaşıldı. Günümüzde (1994 yılı itibarıyla) iyi bilinen ve çalışmakta olan yedi sinko–siklotron mevcuttur.

2.5.3. AVF (Açı ile değişen magnetik alan) veya sektör odaklamalı siklotronlar
Siklotronların gelişimi birkaç farklı yönden motive edilmiştir. 1950’de geniş nötron akısı , açı ile değişen alanla elektron modeli üzerindeki çalışmaları sınırlandırmak için temeldi ve J.R.Richardson [15] tarafından verilmiştir. Yüksek enerji fiziğinde ilk pionların üretimi 1949 yılında olmuştur. 1953’de üretilen K ve I mezonları daha fazla gelişmeye neden olmuştur. Yüksek enerji hızlandırıcıları için alternatif gradyent ve spiral biçimli alanlar önerilmiştir. Sonuç olarak şiddet sınırlamalarının sinko-siklotronlarda bulunması L.H.Thomas’ın (20) ilk fikrini tekrar göz önüne almak için iyi bir neden oluşturmuştur. Çünkü bu sayede açı ile değişen magnetik alanı (AVF) kullanarak , odaklamanın iyileştirilmesi göz önüne alınıyordu. Başarı 10 yılın sonunda geldi. 1957’de Delf’de sektör odaklamalı siklotronlarla ilgili ilk konferansa katılanlar çok heyecanlıydı. 1962’de altı tane, 1970’de kırk tane AVF siklotronları çalıştırıldı. Esneklikteki gelişmeyle demet niteliği ve demet şiddeti hızla arttı. Kullanıcıların ihtiyaçları ve özel gereksinimleri karşılanmalıydı. Değişken enerji ve geniş bir demet yelpazesi (ağır iyon demetleri, kutuplanmış demetler) gerçekleştirilmeliydi. 1969’da W.Marshall [24] AVF siklotronlarıyla ilgilenmiştir ve biyoloji sağlık, metalurji, radyokimya gibi nükleer fizik dışındaki konularda da AVF siklotronlarının uygulama potansiyeline sahip AVF için elde edilen bu verimliliğin genellikle siklotronların başarısının olacağına işaret etmiştir.
TRIUNF ( Kanada )’ da bulunan 520 MeV enerjili siklotronlarda spiral açı 70˚ kadar büyüktür ve bu pratik bir limit olmuştur. Demet şiddetleri genellikle bir parça magnetli AVF siklotronlarının çoğunda çıkışta çakışan bir dönme yapısına sahip olduğunda, kaynağın çıkışıyla yada çıkıştaki demet kaybıyla sınırlıdır.
Verimin ve esnekliğin tipik örneği PSI’ daki Enjektör 1’dir (Şekil 4). Tipik demet özellikleri, önemli siklotron parametreleri ve bunların şimdiki kullanımları enjektör 2’nin karşı gelen parametreleriyle karşılaştırılması için Tablo 1 de verilmiştir.
2.5.4. Ayrılmış Sektör Siklotronları
Bir sonraki değişim “Mezon fabrikası yarışı ” ile geldi. Amaç daha önce geçerli olandan 10 –100 kere daha büyük seviyedeki akı değişikliğini araştırmak için başlıca nükleer ve parçacık fiziğindeki özel deneylere pionları ve müonları sağlamaktır. Fakat, daha sonra geçerli meson demeti bulundu ve bununla beraber katıhal fiziği ve sağlık fiziği gibi diğer alanlarda tecrübeler edinildi. Bu farklı çeşit hızlandırıcılar arasında ve önemli konuları bulmak için farklı laboratuvarlar arasında yarışma haline geldi. Dünya çapında üç mezon fabrikası inşa edildi. Bunlar Los Alamosta (USA) da bulunan 800 MeV enerjili lineer hızlandırıcı, Vancouver (Kanada) TRIUMF da bulunan 183 MeV ve 520 MeV arasında değişken enerjili Hˉ siklotronu ve 590 MeV enerjili dairesel siklotron, PSI (İsviçre)’deki ayrılmış sektör siklotronudur. Siklotron tasarımında sektör şekilli kutuptan ayrılmış sektör magnetlere geçiş 1963’de H.A.Willax (25) tarafından yapıldı. Bu AVF kurallarının gelişmesi için oldukça mantıklı bir adımdır. Aynı zamanda bu adım mekanik üzerindeki önemli etkileri ve siklotronların dinamik demet özelliklerini açıklayabiliyordu. Farklı magnetler arasındaki boş alana Dee’leri sıkıştırmak yerine kuvvetli ve yeterli yüksek Q-RF kavitelerini ya da rezonatörleri yerleştirmeye izin vermişti. Bu durum ayrılmada iyi sonuçlar elde edilen oldukça yüksek hızlandırma voltajını verir. Küçük kayıplarla sonuç demetine ulaşılır bu yüksek şiddetli siklotron demeti için zorunlu koşuldur.
Magnetler arasındaki boşluk aynı zamanda düz-üst kavitelerin yerleştirlmesine imkan sağlıyordu. Düz-üstlü RF sisteminin temelindeki düşünce hızlandırmanın demet paketçiğinin içindeki parçacıkların fazından bağımsız olmasını sağlamaktı. Bu olay düzenli RF hızlandırıcı voltajının kosinüsünün maksimum değerini değiştirmekle gerçekleştirilir. Bu olay kosinüse üçüncü harmoniği ekleyerek, düzenli RF voltajının genliğinin ℅ 11,5 i ile fakat zıt işaretle elde edilir. Düz – üst sisteminin ilk işletilmesi 1981 yılında S. Adam ve arkadaşları [26] tarafından, PSI ‘daki dairesel siklotronun sonuçları verilerek anlatıldı.
Bu avantajlar için ödenen bedel, en iç yörüngeyi sağlamada gerekli enjektörler gibi farklı ön hızlandırıcı için değerdi. Topolojik nedenlerle sektör magnetler siklotronların merkezine kadar genişletilemezler.
Günümüzde on bir tane ayrılmış sektör siklotronları çalıştırılmaktadır. Bütün bu durumlarda yüksek enerjili ağır iyon işletmek veya yüksek akım işletmek için büyük siklotronlar çalıştırılmaktadırlar. Bir sonraki olayda, ana hızlandırıcı ve enjektör arasındaki ya da ardışık safhalar arasındaki iyon şeridi, ön hızlandırılan iyonların yük yoğunluğunu arttırmak için kullanılabilir. İyon şeridi Şekil 2.3’de anlatıldığı gibi yük yoğunluğunun yüksek demet enerjilerine ulaşmasına izin verir.
Ayrılmış sektör siklotronlarının tipik özellikleri Tablo 1’de verilmiştir. Bu tabloda ayrılmış sektör siklotronlarıyla AVF siklotronları karşılaştırılmıştır. Çıkıştaki dönme ayrılmasındaki çarpma farkına bir örnek Şekil 9 da gösterilmektedir.

Şekil 9. Çıkış yarıçapına yakın tipik dönme yapısı. Enjektör 1 ve 2 için dönme yapısındaki çarpıcı fark, bunların sırasıyla tek magnet kutuplu ve ayrılmış sektör magnetli siklotronlara ait olmasındandır.




2.5.5. Süperiletken Siklotronlar
Süper iletkenliğin gelişmesiyle birlikte, süper iletkenliğin siklotronlarda kullanılıp kullanılamayacağı sorusu gündeme geldi. İlk önce böyle bir olayın gerçekleşemeyeceği düşünüldü. Çünkü bu alanda öncülük yapan H.G.Blosser [27] 1972’de süper iletkenlik kullanılarak önemli problemlerin çözülemeyeceğini söyledi. Çeşitli siklotronların dizaynı için harcanan çaba çok önemliydi. Fakat iki özel uygulamada açık olarak avantaj, Şekil 7’de görüldüğü gibi 15 kere daha düşük magnetleri kullanarak aynı demeti elde etmekti ve bu olayın gerçekleşmesi yeterince önemliydi.
Üniversite laboratuvarı ağır çekirdek fiziğiyle ilgileniyordu. İlk kez demet üretilen süper iletken siklotronları 1982’de East Lansing (USA)’ da uluslararası süper iletken siklotron laboratuarında H.G.Blosser [28] tarafından yapıldı. Bu siklotron K=500 süper iletken siklotronuydu. Enerji bölgesi GANIL’daki büyük siklotronlarla karşılaştırılabilir. Fakat sonuç yörünge yarıçapı 300 cm yerine 67 cm dir ve magnet ağırlığı 1700 ton terine 100 tondur.
Magnetlerin küçük olamasını gerektiren diğer bir uygulama hastanelerdeki medikal uygulamalardır. En tipik olay Detroit (USA) da Harper Hastanesinde, nötron terapileri için kurulan 50 MeV döteron siklotronudur. Bu magnet o kadar küçük olabilmektedir ki, Şekil 10’da gösterildiği gibi bir kanser tedavi cihazı olarak, doğrudan ışınlanma yatağı (gauntry) ile birleşik olarak imal edilip kullanılabilmektedir. Günümüzde 7 tane süper iletken siklotronları çalıştırılmaktadır. Farklı yörünge kanallarıyla çok özel süperiletken siklotron Münih (Almanya)’daki TRINITRON’dur.
2.5.6. Ticari Siklotronlar
Ticari ve endüstriyel alanda kullanılan ve çalıştırılan siklotronlar genellikle kanser terapisi için tıpta veya radyo izotop üretiminde kullanılmaktadırlar. Daha sonra AVF siklotronlarının verimli siklotronlar olduğu kanıtlandı. 1960’dan sonra 10 yıl içinde birkaç tane şirket piyasaya siklotronlarla girmeyi denedi (AEG, Philips, Scanditronix, The Cyclotron Corporation, Thomson – CSF/CGR gibi) 10 – 15 yıl sonra bu şirketlerin bazıları siklotron gelişimiyle ilgili çabalarını azalttı yada durdurdu. Görülüyor ki radyo kimyadaki araştırmalar Pozitron Yayımlı Tomografideki (PET) gelişme nötronlarla veya yüklü parçacıklarla mümkün olan kanser terapi çalışmaları gibi uygulamadaki ilk gelişmeler gerekliydi.

Şekil 10. Detroit’teki (USA) süperiletken siklotron. Nötronlarla kanser tedavisi için ışınlama başlığı ile entegre edecek kadar küçükkür. A) 4.3 m çaplı destek halkası üzerine monte edilen siklotronun kurulma aşamasını, b) tedavi düzeneğinin yandan görünüşü.

15 yıl sonra küçük siklotronların sayısı madikal veya ticari kullanımlarda hızla artmıştır. Siklotron imalatçılarının listesi yeni isimler içerirler ( mesela CT/PET Systems / Siemens, D. V. Efremov Institute, EBCO, IBA, Oxford Instruments, Scanditronix, Sumitamo Heavy Industries, The Japan Steal Works). Pozitron emisyon tomografisi (PET) için komple siklotron (baby siklotron ) sistemleri geliştirildi. Bazı hastanelerde ve diğer kullanım alanlarında bu tür siklotronlar yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Şekil 2’de izotop üretimi için özel olarak dizayn edilen siklotron örneği görülmektedir. Bu siklotronların hepsi kendi öz uygulamaları için optimize edilmişlerdir. Bu siklotronlar mümkün olduğunca kullanımları kolay olarak yapılmışlardır. Bu aynı zamanda aşağıdaki sloganla ifade edilmektedir. “En fazla 2 önemli butona basmakla insan 4 yararlı O-15 izotopu üretebilir”







Dostları ilə paylaş:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©muhaz.org 2017
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə