κύκλοτρο ή κυκλοτρόνιο

Κυκλικός επιταχυντής ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων (πρωτόνια, σωμάτια α, δευτερόνια κλπ.). Κατασκευάστηκε κατά το 1930 από τον Έρνεστ Ορλάντο Λόρενς (Νόμπελ φυσικής, 1939) του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια και λειτούργησε για πρώτη φορά το 1932. Υπήρξε η πρώτη επιταχυντική διάταξη που κατασκευάστηκε ποτέ και αποτελεί τον πρόγονο των σημερινών γιγάντιων επιταχυντών, των οποίων η σημασία κρίνεται νευραλγική για την εξέλιξη της σύγχρονης φυσικής. Το κ. αποτελεί μια διάταξη τόσο απλή όσο και μεγαλοφυή. Αποτελείται από δύο κοίλα ημικυλινδρικά ηλεκτρόδια σε σχήμα D (ντι), διαμέτρου μερικών δεκάδων εκατοστών, που χωρίζονται μεταξύ τους από ένα μικρό διάστημα και είναι τοποθετημένα μέσα σε έναν αερόκενο αντιμαγνητικό θάλαμο (με πίεση περίπου 10^-5 mm/Hg). Τα ηλεκτρόδια συνδέονται με μια πηγή εναλλασσόμενης τάσης πολύ μεγάλης συχνότητας. Το σύνολο τοποθετείται ανάμεσα στους πόλους ενός ηλεκτρομαγνήτη με ισχυρότατο και ομογενές μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές στο πεδίο αυτό είναι κάθετες στο επίπεδο που ορίζεται από τα D. Στο κέντρο του χώρου μεταξύ των D εισάγονται τα ιόντα (πρωτόνια, δευτερόνια κλπ.) που πρόκειται να επιταχυνθούν. Η ώθηση δίνεται στα ιόντα από μια διαφορά δυναμικού (τάση), που εφαρμόζεται μεταξύ των δύο D. Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει μόνο στο διάκενο ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια και, με την αναστροφή της πολικότητας της τάσης, τα σωματίδια επιταχύνονται εκ νέου κλπ. Επειδή η ένταση του μαγνητικού πεδίου που καμπυλώνει την πορεία των ιόντων παραμένει σταθερή, η αύξηση της ταχύτητας των ιόντων –επομένως η αύξηση της κινητικής τους ενέργειας– αναγκάζει τα σωματίδια να διανύουν κυκλικές τροχιές με συνεχώς μεγαλύτερη ακτίνα και με αμετάβλητο χρόνο για κάθε διαδρομή ενός κύκλου, επειδή στη μεγαλύτερη διαδρομή αντιστοιχεί πάντα μεγαλύτερη ταχύτητα. Η ημιπερίοδος της εναλλασσόμενης τάσης των ηλεκτροδίων αντιστοιχεί στον χρόνο που χρειάζονται τα επιταχυνόμενα σωματίδια να διανύσουν μία ημιπεριφέρεια. Έτσι, τα σωματίδια βρίσκουν πάντα μια διαφορά δυναμικού με αντεστραμμένη πολικότητα κατά τη μετάβασή τους από το ένα D στο άλλο, η οποία και τα επιταχύνει περαιτέρω. Τελικά, η τροχιά που διανύεται από τα ιόντα μοιάζει με σπειροειδή καμπύλη, που ξεκινά από το κέντρο των D και καταλήγει στην περιφέρεια. Με αυτό το σύστημα είναι δυνατή η μετάδοση μερικών εκατοντάδων ωθήσεων σε κάθε σωματίδιο, πριν αυτό φτάσει στο εξωτερικό χείλος των D, όπου αποκλίνει με τη βοήθεια ενός αρνητικά φορτισμένου ηλεκτροδίου και εξέρχεται από ένα μικρό παράθυρο, για να προσπέσει στο υπό μελέτη υλικό. Το πρώτο κ. που κατασκεύασε ο Λόρενς και οι συνεργάτες του αποτελούσε μία συσκευή μέτριων διαστάσεων. Οι ενέργειες που επιτυγχάνονται σήμερα με τα κ. δεν είναι πολύ υψηλές· δεν είναι μεγαλύτερες από 15-25 MeV για τα πρωτόνια και άνω των 50 MeV για τα σωματίδια α. Ένα ανυπέρβλητο όριο για τα κ., η κατασκευή των οποίων συνεπάγεται την υπερπήδηση σημαντικών τεχνικών δυσκολιών, οφείλεται στη σχετικιστική αύξηση της μάζας των σωματιδίων (θεωρία της σχετικότητας), που γίνεται αισθητή με την αύξηση της ταχύτητας. Αυτή η αύξηση γίνεται σημαντική στις εξωτερικές τροχιές και έχει επακόλουθο την επιβράδυνση των σωματιδίων, με τελικό αποτέλεσμα την αδυναμία σύμπτωσης μεταξύ του χρόνου που χρειάζεται το σωματίδιο να διατρέξει μια ημιπεριφέρεια και του χρόνου της ημιπεριόδου της εναλλασσόμενης τάσης που χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση των σωματιδίων. Με σκοπό να υπερπηδηθεί αυτό το εμπόδιο, ο Έντουιν Μακ Μίλαν σχεδίασε το 1945 έναν ταλαντωτή που ονομάστηκε συγχροκύκλοτρο. Σε αυτόν η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης που επιταχύνει τα σωματίδια μεταβάλλεται συγχρόνως με την αύξηση της μάζας των σωματιδίων, η οποία οφείλεται, όπως προαναφέρθηκε, στην αύξηση της ταχύτητας. Μια μεταγενέστερη πρόοδο αποτέλεσε το σύγχροτρο, το οποίο πρότεινε ο Μάρκους Όλιφαντ. Κάτω: αριστερά, το πρώτο κύκλοτρο του Λόρενς (1932)· δεξιά, τομή του αερόκενου θαλάμου ενός κύκλοτρου· στο εσωτερικό είναι τοποθετημένα τα δύο ημικυλινδρικά ηλεκτρόδια D. Τα σωματίδια ακολουθούν τη διαδρομή που σημειώνεται στο σχήμα με μαύρη γραμμή.