Syklotroni – toiminta, historia ja sovellukset hiukkaskiihdyttimissä

Syklotroni – selkeä katsaus toimintaan, historiaan ja sovelluksiin hiukkaskiihdyttimissä. Lue teknologia, käyttötarkoitukset ja nykyaikaiset esimerkit.

Tekijä: Leandro Alegsa

04-01-2026 22:51

Syklotroni on eräänlainen hiukkaskiihdytin, jonka keksi Ernest Lawrence Kalifornian yliopistosta Berkeleystä vuonna 1930. Se kiihdyttää varattuja hiukkasia pyörittämällä niitä ympyrässä. Ensimmäiset syklotronit olivat kämmenen kokoisia. Joissakin nykyaikaisissa ympyräkiihdyttimissä käytetään kaupungin levyistä ympyrää.

Syklotronit käyttävät kohtisuoraa magneettikenttää taivuttaakseen elektroneja ja hiukkasia puoliympyrän muotoiselle radalle sähkökentän avulla. Sovellettu sähkökenttä kiihdyttää elektroneja magneettikenttäalueen D-elektrodien (joita kutsutaan myös "deeiksi") välillä.

Kiihdyttävä sähkökenttä kääntyy juuri silloin, kun elektronit tekevät puolikierroksensa loppuun, ja kiihdyttää ne raon yli. Suuremmalla nopeudella ne liikkuvat suuremmalla puoliympyrällä. Kun tämä prosessi on toistettu useita kertoja, ne tulevat ulos ulostuloaukosta suurella nopeudella.

Toimintaperiaate

Syklotronin perusajatus on yksinkertainen: varatut hiukkaset (esim. protonit, deuteronit, alfa-hiukkaset tai negatiiviset ionit) sijoitetaan magneettikenttään, joka pakottaa ne liikkumaan kaarevasti. Samanaikaisesti niihin kohdistetaan vaihtovirtaiseen kytketty sähkökenttä, joka antaa liikemäärään lisäenergiaa aina, kun hiukkaset ylittävät tyhjön jaon (deeien välinen aukko). Tämä aiheuttaa hiukkasten radan laajenemisen spiraalimaisesti ulospäin.

Syklotronin taajuusperiaate perustuu niin kutsuttuun syklotronitaajuuteen f = qB / (2πm), missä q on hiukkasen varaus, B magneettivuon tiheys ja m hiukkasen massa. Tämä yhtälö pätee ei-relativistisille nopeuksille — kun hiukkasen nopeus lähestyy valonnopeutta, sen suhteellinen massa kasvaa ja yhtälön perusolettamus ei enää päde, mikä rajoittaa perinteisen syklotronin käyttöaluetta.

Laitteisto koostuu tyypillisesti ionilähteestä, tyhjiökammiosta, kahdesta puolikuun muotoisesta dee-elektrodista, korkeataajuus (RF) -lähettimestä ja voimakkaasta magneettikentästä synnyttävästä kelasta tai magneettirakenteesta. Erotus (extraction) energisoiduista hiukkasista toteutetaan esimerkiksi elektrostaattisella taittimen avulla tai käyttämällä ionien stripperi-foilia (esim. H−-ionien muuttaminen protoneiksi).

Historia ja kehitys

Ernest Lawrencen kehittämä ensimmäinen toimiva syklotron 1930-luvun alussa mahdollisti korkeampien energioiden saavuttamisen pienellä laitteistolla verrattuna aiempiin linjakiihdyttimiin. Lawrencen työ johti myöhemmin suuren mittakaavan kiihdyttimien kehitykseen ja hän sai tunnustusta alansa edistämisestä.

Ajan myötä perinteisestä syklotronista kehitettiin useita variantteja, jotta voitaisiin kompensoida suhteellisuusteorian vaikutuksia ja parantaa fokusoitavuutta. Tärkeimpiä jatkokehityksiä ovat olleet:

Synkrokylotroni (synchrocyclotron): säätää RF-taajuutta ajan funktiona kompensoimaan relativity:n vaikutusta
Isochronous (vakioaikainen) syklotroni: käyttää muuttuvaa magneettikenttää tai sektorimagneettia pitääkseen kierroksen ajan vakiona eri nopeuksilla
AVF (azimuthally varying field) -syklotronit: parantavat säteen fokusoitumista käyttämällä sektorimuotoista magneettikenttää

Sovellukset

Medisiininen käyttö: pieniä syklotroneja käytetään laajalti radioisotooppien tuotantoon PET- ja SPECT-kuvantamista varten (esim. 18F, 11C). Protoniterapiassa käytetään korkeamman energian syklotroneja syövän sädehoidossa.
Tieteellinen tutkimus: ydinfysiikan, atomifysiikan ja materiaalitutkimuksen kokeet hyödyntävät syklotroneja hiukkasten ohjaamiseen ja törmäytysten tuottamiseen.
Teollisuus: syklotroneilla tuotetaan myös isotooppeja teollisiin ja tutkimuskäyttöihin sekä tehdään materiaalien säteilykäsittelyjä.
Neutronien tuotanto: tiettyjen hiukkasten osumista materiaaleihin syntyy neutroneja, joita voidaan käyttää esimerkiksi materiaalitutkimuksessa tai neutroniksi- perustuvissa sovelluksissa.

Rajoitukset, turvallisuus ja nykyaika

Perinteisen syklotronin suurin rajoitus on relativity-efekti: kun hiukkasen nopeus lähestyy valonnopeutta, tehokas kiihtyvyys heikkenee, ja laite ei pysty enää pitämään synkronia ilman erityisratkaisuja. Isochronous- ja synchrocyclotron-rakenteet sekä erittäin vahvat magneettikentät ovat vastauksia tähän ongelmaan.

Syklotronit vaativat vahvaa säteilysuojausta, sillä kiihdytetyt hiukkaset ja syntyvät sekundaarisäteily (gamma- ja neutronisäteily) voivat olla vaarallisia. Siksi niissä käytetään paksuja suojarakenteita ja tiukkoja käyttö- ja valvontamenettelyjä.

Nykyiset syklotronit vaihtelevat hyvin pienistä, sairaaloissa sijaitsevista radioisotooppien tuotantolaitteista suuriin tutkimuskeskusten laitteisiin, joiden magneettikentät ja dynaamiset RF-järjestelmät mahdollistavat kymmeniä tai satoja MeV energiatason kiihdytykset. Protoniterapiassa käytettävät laitteet liikkuvat tyypillisesti ~70–250 MeV alueella; pienemmät diagnostiset syklotronit tuottavat tavallisesti 10–30 MeV:n protoneita tai deuteroneja.

Käytännön huomioita

Valinta: oikeanlainen syklotroni valitaan tarvittavan energian, hiukkastyypin ja tuotettujen isotooppien mukaan.
Ylläpito: ionilähteet, RF-järjestelmä ja magneettijärjestelmät vaativat säännöllistä huoltoa ja kalibrointia.
Regulointi: erityisesti lääketieteellisessä ja teollisessa käytössä noudatetaan säteilyturvallisuusmääräyksiä ja lupamenettelyjä.

Yhteenvetona: syklotroni on tehokas ja monipuolinen hiukkaskiihdytin, jonka toiminta perustuu magneettikentän aiheuttamaan kaarevaan liikkeeseen ja ajoitettuun RF-kiihdytykseen. Sen kehitys on luonut perustan sekä modernille ydinfysiikalle että tärkeille sovelluksille lääketieteessä ja teollisuudessa.

Nykyaikainen syklotroni sädehoitoa varten

Syklotronin taajuus

Syklotronissa liikkuva varaus liikkuu ympyränmuotoista rataa vakiomagneettikentän vaikutuksesta. Jos lasketaan aika yhden kiertoradan suorittamiseen:

T = π2 r v = π 2m v q B v = π 2m q B {\displaystyle T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}} $T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}$ .

Todetaan, että jakso on riippumaton säteestä. Jos siis neliöaaltoa käytetään kulmataajuudella qB/m, varaus kiertyy ulospäin ja nopeutuu.

Kun magneettinapojen kahden puolen väliin kytketään neliöaalto, jonka kulmataajuus on ω=qB/m, varaus kiihdytetään uudelleen juuri oikeaan aikaan, jolloin se kiihtyy raon yli. Näin vakio syklotronitaajuus voi edelleen kiihdyttää varausta (niin kauan kuin se ei ole relativistinen).

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on syklotroni?

A: Syklotroni on eräänlainen hiukkaskiihdytin, joka kiihdyttää varattuja hiukkasia pyörittämällä niitä ympyrässä.

K: Kuka keksi syklotronin?

V: Ernest Lawrence Kalifornian yliopistosta Berkeleystä keksi syklotronin vuonna 1930.

K: Miten syklotroni toimii?

V: Syklotronit käyttävät kohtisuoraa magneettikenttää taivuttaakseen elektroneja ja hiukkasia puoliympyrän muotoiselle radalle sähkökentän avulla. Sähkökenttä kiihdyttää elektroneja magneettikenttäalueen D-elektrodien (joita kutsutaan myös "deeiksi") välillä. Kiihdyttävä sähkökenttä kääntyy juuri silloin, kun elektronit päättävät puoliympyränsä, niin että se kiihdyttää ne raon yli. Suuremmalla nopeudella ne liikkuvat suuremmalla puoliympyrällä. Kun tämä prosessi on toistettu useita kertoja, ne tulevat ulos ulostuloaukosta suurella nopeudella.

K: Mikä on varhaisten syklotronien koko?

V: Varhaiset syklotronit olivat kämmenen kokoisia.

K: Kuinka suuria ovat nykyaikaiset ympyräkiihdyttimet?

V: Joissakin nykyaikaisissa ympyräkiihdyttimissä käytetään kaupungin levyistä ympyrää.

K: Millaista kenttää syklotroneissa käytetään?

V: Syklotronit käyttävät kohtisuoraa magneettikenttää taivuttaakseen elektroneja ja hiukkasia puoliympyrän muotoiselle radalle sähkökentän avulla.

K: Miten elektroneja kiihdytetään syklotronissa?

V: Elektronit kiihdytetään magneettikenttäalueen "D"-elektrodien (joita kutsutaan myös "dees"-elektrodeiksi) välissä sähkökentän avulla.

Etsiä