***MARKA *** MODEL DAIRESEL PARÇA HIZLANDIRICININ  GENEL ANLATIMI

Sisteme Genel Bakış:

   Radioisotope delivery system ***, dairesel parça hızlandırma temel mekanizması üzerine kurulmuş yapay radyoaktif nükleidler (positron-emitting radionulides) ve çeşitli radyoaktif kimyasallar (radiochemicals) üretmeye yarayan bütün (complex) bir yapıdır.

   Radyoisotop ürtimi yapılırken operatör bilgisayar ekranındaki programlanmış  farklı seçenekler içinden bir radyoisotop seçer.Diğer bütün yönetimsel işlemler ve diğer tüm uygulamalar kendiliğinen -otomatik olarak- yapılır.***’ in  kullanım ilkeleri  parçacıkların ivmelenme parametresinden çok üretim sonucuna; yani  üretim ile ilgili parametrelere bağlıdır.Aslolan üretilen radyoaktif nükleidin aktivitesi ve diğer önemli parametreleridir. Sistemin çalışma süreci ,adım adım kaydedilen değişmeler, sistemin anlık durumu ilgili ağ üzerindeki bilgisayar sisteminin monitöründen izlenebilmektedir.

   İleri seviyede gelişmiş kontrol sistemi; otomatik olarak  seçilen “target”ı (hedef)  “bamline” ışınlama yolu üzerine odaklar; “target”i üretime hazırlar  (“load” eder); siklotron ışınlamasını başlatır ve optimize eder.Işınlama hedefini (target) üretim süresi boyunca  ışınlar;  siklotronu kapatır ve üretilen yapay radyoaktif nükleodi FDG kimyasal modülüne gönderir.Siklotronun çift ışınlama  (dual beam) yöntemiyle ışınlanması  aynı anda iki farklı radyoaktif nükleodin üretilmesine veya tek ışınlamadan (single beam) iki kat verim elde edecek şekilde her iki  targıtta da  aynı  yapay radyaktif nükleodin üretilmesi mümkündür.

   Buna rağmen tüm bu işlemlerin manuel olarak operatör kontrolünde yapılması da mümkündür.Keza staj süresince yapılan üretimlerin tümü operatör kontrolünde yapılmıştır.

Siklotronun Temel Çalışma Prensipleri:

   *** Model negatif iyon siklotronu 11MeV enerji aktarma kapasiteli  “deep valley” ve “hill” olarak tabir edilen derin vadi ve tepe görünümlü  iç tasarıma sahip bir sistemdir.

   *** Model negatif iyon siklotronlara çıkış enerjileri 11 MeV (milyon elktron volt) olacak şekilde yarı spiral dönüler boyunca negatif iyonlara elektrostatik kuvvetler uygulayarak iyonların ivmelenmesini yani hızlarının artmasını sağlar. Sözü edilen negatif iyonların (eksi parçacıklar)  (H ‾ ) üretimi siklotronun hızlandırma bölgesinin merkezine yerleştirilmiş [Penning Ion Gauge (PIG) ion source ] -yüklü parçacık kaynağı- tarafından sağlanmaktadır.

   H‾ parçacıkları hızlandırma bölgesine “ion source” denen yüklü parçacık kaynağından çekildikten sonra, dönü başına sekiz kez enerji aktarılmak üzere dört adet “dee” denilen elektrot arasında ivmelenmeye başlar.

    Işın demetinin  ivmelenmesi; tank (yoke) etrafınca konumlandırılmış ,tek, elektromıknatıssal akım kangalıyla oluşturulan düzgün manyetik alan içinde gerçekleşmektedir.Bu manyetik alan D’ler (elektrotlar) arasında  kapalı bir eğri boyunca ivmelenirken, hızındaki artış nedeniyle yörüngesinde genişleme meydana gelir, ki bu magnetik alanda hızlı iyonun devinim özelliğidir (quasi- spiral orbit).Kısaca ifade edecek olursak; manyetik kuvvet saptırıcı bir kuvvettir ve dairesel devinimin spiral devinime dönüşmesini sağlar.   Tepe (hill) ve derin vadiler (valley) arasındaki büyük magnetik alan faklılığı ışın demetinin belirgin bir şekilde genişleyen ve şiddetlenen bir hal almasını sağlar ; bu tasarıma “deep valley design” denir.

   Bu yüksek şiddetli  dairesel ışınlama yüksek ışın taşınımına (transmission) dolaylı olarak düşük iç radyoaktif etkileşimlere yol açar.Burada temel sorun olan ışının odaklanması ve verimli iletimi böylece çözümlenmiş olmaktadır.

   Hızlandırma çemberine düşen eksi yüklü parçacık hızlandırma elektrodunun köşesine geldiğinde; elektrodun bu köşesi alternatif  (değişken) gerilim etkisiyle belli bir değerde eksi potansiyele ulaşır, böylece parçacığa etkiyen itme etkisiyle, o parçacığa enerji aktarımı gerçekleşmiş olur.Işın diğer bir elektroda doğru yol almaktayken , ışının üzerine doğru gittiği elektrot belli değerlerde pozitif potansiyele ulaşır; böylece yüklü parçacığa etkiyen elektrostatik kuvvetle tekrar bir enerji aktarımı gerçeklenmiş olur.

   Bu değişken elektrot kutuplanması ve düzgün elektrik alan etkisinde yüklü (H‾) parçacıkların  “quasi-spiral path” denilen yarı spiral yörüngede devinimleri ve ivmelenmeleri sağlanır.

  H‾ parçacıklarının hızındaki büyüklük arttıkça dairesel devinimin yörüngelerinin çapı da artar; sonunda bu sayede, belli bir enerji değerine (11 MeV ) ulaşmış parçacıkların “carousel” denen bir döner yapı üzerine konumlandırılmış üç adet “foil” denen karbon levha hedeflerden birine istenen açı ile çarpması mümkün hale getirilmiştir.

   H‾ iyonun zayıf bağlarla taşıdığı iki adet elektronu 5 um (mikro metre) kalınlıktaki karbon levha hedef (foil) üzerine bırakılır; böylece H‾ iyonları H‾ iyonlarına (protona) dönüşür.

   Işın demeti olarak hızlandırılmış iyonların üzerindeki yüklerin değişimi, bu parçacıklara etkiyen elektrostatik kuvvetlerin yönünde değişime neden olur; dolayısıyla proton ışını karbon plakalardan geçtikden sonra dışbükey bir yarım yay çizerek tasarlanan ışın çıkış noktasına (target) çarpar.

   Foillerin üzerinde yer aldığı carousel , kontrol sistemi yardımıyla iyi konum bulununcaya kadar sağa ve sola olmak üzere iki yönde çevrilebilmektedir.

Dairesel Parça Hızlandırıcıların Temel Sistemleri:

·         Accelerator (hızlandırıcı)

·         Vacuum system (boşay –boşluk-  sistemi)

·         Magnet system (mıknatıssal sistem)

·         RF system (radyo sıklığı –frekansı- sistemi)

·         Ion source (yüklü parçacık kaynağı)

·         Beam post (ışın taşır)

·         Acceleration region (hızlanma bölgesi)

·         Extraction region (çıkış bölgesi)

·         Targetry system (hedef sistem)

·         Collimator assembly (çarpan odaklayıcı)

·         Target changer (hedef değiştirici)

·         Target bodies (hedef gövdesi)

·         Target support units (hedef destekleme ünitesi)

·         Chemical process control unit (kimyasal aktivite düzenleyicisi)

·         Gas processing unit (gaz destekleme ünitesi)

·         Shielding (radyoaktif ışınım kalkanı)

·         Shielding controls (radyoaktif ışınım kalkanı yöneticisi)

·         Shield interlocks (radyoaktif ışınım kalkanı koruması)

·         Component activation (bileşke aktivite)

   *** Marka *** model siklotronu VME tabanlı patentli bir bilgisayar yazılımının denetiminde kesintisiz olarak görüntülenmekte ve işlem sürecinde ayarlamaları yapılmaktadır.Kontrol sistemi ile  sistem yöneticisi çalışan arasında iletişimi sağlayan bir iş istasyonu tasarlanmıştır.Siklotronun sürücü komutları yönetici (operatör) tarafından seçilerek, sistemin otomatik üretimi başlatılır.Konu ile ilgili , siklotronun  yönetim değişkenleri (operating parameters) bilgisayar ekranından üretim süresince  izlenebilmektedir.

Cyclotrons and Synchrotrons

The term circular accelerator refers to any machine in which beams describe a closed orbit. All

circular accelerators have a vertical magnetic field to bend particle trajectories and one or more

gaps coupled to inductively isolated cavities to accelerate particles. Beam orbits are often not true

circles; for instance, large synchrotrons are composed of alternating straight and circular sections.

The main characteristic of resonant circular accelerators is synchronization between oscillating

acceleration fields and the revolution frequency of particles.

Particle recirculation is a major advantage of resonant circular accelerators over rf linacs. In a

circular machine, particles pass through the same acceleration gap many times (102 to greater than

108). High kinetic energy can be achieved with relatively low gap voltage. One criterion to

compare circular and linear accelerators for high-energy applications is the energy gain per length

of the machine; the cost of many accelerator components is linearly proportional to the length of

the beamline. Dividing the energy of a beam from a conventional synchrotron by the

circumference of the machine gives effective gradients exceeding 50 MV/m. The gradient is

considerably higher for accelerators with superconducting magnets. This figure of merit has not

been approached in either conventional or collective linear accelerators.

There are numerous types of resonant circular accelerators, some with specific advantages and

some of mainly historic significance. Before beginning a detailed study, it is useful to review

briefly existing classes of accelerators. In the following outline, a standard terminology is defined

and the significance of each device is emphasized.

Cyclotrons and Synchrotrons

Most resonant circular accelerators can be classed as either cyclotrons or synchrotrons. One

exception is the microtron, which is technologically akin to linear accelerators. The

microtron may be classified as a cyclotron for relativistic electrons, operating well beyond the

transition energy . The other exception is the synchrocyclotron .

A. Cyclotron

A cyclotron has constant magnetic field magnitude and constant rf frequency. Beam energy is

limited by relativistic effects, which destroy synchronization between particle orbits and rf fields.

Therefore, the cyclotron is useful only for ion acceleration. The virtue of cyclotrons is that they

generate a continuous train of beam micropulses. Cyclotrons are characterized by large-area

magnetic fields to confine ions from zero energy to the output energy.

1. Uniform-Field Cyclotron

The uniform-field cyclotron has considerable historic significance. It was the first accelerator to

generate multi-MeV particle beams for nuclear physics research. The vertical field is uniform in

azimuth. The field magnitude is almost constant in the radial direction, with small positive field

index for vertical focusing. Resonant acceleration in the uniform-field cyclotron depends on the

constancy of the non-relativistic gyrofrequency. The energy limit for light ion beams is about

15-20 MeV, determined by relativistic mass increase and the decrease of magnetic field with

radius. There is no synchronous phase in a uniform-field cyclotron.

2. Azimuthally-Varying-Field (AVF) Cyclotron

The AVF cyclotron is a major improvement over the uniform-field cyclotron. Variations are

added to the confining magnetic field by attaching wedge-shaped inserts at periodic azimuthal

positions of the magnet poles. The extra horizontal-field components enhance vertical focusing. It

is possible to tolerate an average negative-field index so that the bending field increases with

radius. With proper choice of focusing elements and field index variation, the magnetic field

variation balances the relativistic mass increase, resulting in a constant-revolution frequency. An

AVF cyclotron with this property is called an isochronous cyclotron. An additional advantage of

AVF cyclotrons is that the stronger vertical focusing allows higher beam intensity. AVF machines

have supplanted the uniform-field cyclotron, even in low-energy applications.

3. Separated-Sector Cyclotron

The separated-sector cyclotron is a special case of the AVF cyclotron. The azimuthal field

variation results from splitting the bending magnet into a number of sectors. The advantages of

the separated sector cyclotron are (1) modular magnet construction and (2) the ability to locate rf

Cyclotrons and Synchrotrons

feeds and acceleration gaps between the sectors. The design of separated-sector cyclotrons is

complicated by the fact that particles cannot be accelerated from low energy. This feature can be

used to advantage; beams with lower emittance (better coherence) are achieved if an independent

accelerator is used for low-energy acceleration.

4. Spiral Cyclotron

The pole inserts in a spiral cyclotron have spiral boundaries. Spiral shaping is used in both

standard AVF and separated-sector machines. In a spiral cyclotron, ion orbits have an inclination

at the boundaries of high-field regions. Vertical confinement is enhanced by edge focusing

?????. The combined effects of edge focusing and defocusing lead to an additional vertical

confinement force.

5. Superconducting Cyclotron

Superconducting cyclotrons have shaped iron magnet poles that utilize the focusing techniques

outlined above. The magnetizing force is supplied by superconducting coils, which consume little

power. Superconducting cyclotrons are typically compact machines because they are operated at

high fields, well above the saturation level of the iron poles. In this situation, all the magnetic

dipoles in the poles are aligned; the net fields can be predicted accurately.

B. Synchrocyclotron

The synchrocyclotron is a precursor of the synchrotron. It represents an early effort to extend the

kinetic energy limits of cyclotrons. Synchrocyclotrons have a constant magnetic field with

geometry similar to the uniform-field cyclotron. The main difference is that the rf frequency is

varied to maintain particle synchronization into the relativistic regime. Synchrocyclotrons are

cyclic machines with a greatly reduced time-averaged output flux compared to a cyclotron.

Kinetic energies for protons to 1 GeV have been achieved. In the sub-GeV energy range,

synchrocyclotrons were supplanted by AVF cyclotrons, which generate a continuous beam.

Synchrocyclotrons have not been extended to higher energy because of technological and

economic difficulties in fabricating the huge, monolithic magnets that characterize the machine.

C. Synchrotron

Synchrotrons are the present standard accelerators for particle physics research. They are cycled

machines. Both the magnitude of the magnetic field and the rf frequency are varied to maintain a

synchronous particle at a constant orbit radius. The constant-radius feature is very important;

bending and focusing fields need extend over only a small ring-shaped volume. This minimizes the

Cyclotrons and Synchrotrons

cost of the magnets, allowing construction of large-diameter machines for ion energies of up to

800 GeV. Synchrotrons are used to accelerate both ions and electrons, although electron

machines are limited in energy by emission of synchrotron radiation. The main limits on achievable

energy for ions are the cost of the machine and availability of real estate. Cycling times are long in

the largest machines, typically many seconds. Electron synchrotrons and proton boosters cycle at

frequencies in the range of 15 to 60 Hz.

1. Weak Focusing Synchrotron

Early synchrotrons used weak focusing. The bending magnets were shaped to produce a field with

index in the range 0 < n < 1. With low focusing force, the combined effects of transverse particle

velocity and synchrotron oscillations resulted in beams with large cross section.

This implies costly, large-bore magnets.

2. Strong Focusing Synchrotron

All modern synchrotrons use transverse focusing systems composed of strong lenses in a

focusing-defocusing array. Strong focusing minimizes the beam cross section, reducing the

magnet size. Beam dynamics are more complex in a strong focusing synchrotron. The magnets

must be constructed and aligned with high precision, and care must be taken to avoid resonance

instabilities. Advances in magnet technology and beam theory have made it possible to overcome

these difficulties.

Alternating Gradient Synchrotron (AGS). The bending field in an alternating gradient

synchrotron is produced by a ring of wedge-shaped magnets which fit together to form an annular

region of vertical field. The magnets have alternate positive and negative field gradient with n » 1.

The combination of focusing and defocusing in the horizontal and vertical directions leads to net

beam confinement.

Separated Function Synchrotron. Most modern synchrotrons are configured as separated

function synchrotrons. The bending field is provided by sector magnets with uniform vertical field.

Focusing is performed by quadrupole magnetic lens set between the bending magnets. Other

magnets may be included for correction of beam optics.

3. Storage Ring

A storage ring usually has the same focusing and bending field configuration as a separated

function synchrotron, but provides no acceleration. The magnetic fields are constant in time. An

rf cavity may be included for longitudinal beam manipulations such as stacking or, in the case of

Cyclotrons and Synchrotrons

electrons, maintaining kinetic energy in the presence of radiation loss. A storage ring contains

energetic particles at constant energy for long periods of time. The primary applications are for

colliding beam experiments and synchrotron radiation production.

4. Collider

A collider is a synchrotron, storage ring, dual synchrotron, or dual storage ring with special

geometry to allow high-energy charged particles moving in opposite directions to collide head-on

at a number of positions in the machine. The use of colliding beams significantly increases the

amount of energy available to probe the structure of matter for elementary particle physics.

Colliders have been operated (or are planned) for counter-rotating beams of protons (pp collider),

electrons and positrons (e-e+), and protons and antiprotons (p ). p

Section ????? introduces the uniform-field cyclotron and the principles of circular resonant

accelerators. The longitudinal dynamics of the uniform-field cyclotron is reviewed in Section ????.

The calculations deal with an interesting application of the phase equations when there is no

synchronous particle. The model leads to the choice of optimum acceleration history and to limits

on achievable kinetic energy. Sections ??????? and ??????? are concerned with AVF, or isochronous,

cyclotrons. Transverse focusing is treated in the first section. Section ???? summarizes

relationships between magnetic field and rf frequency to preserve synchronization in fixed-field,

fixed-frequency machines. There is also a description of the synchrocyclotron.

Sections ????? are devoted to the synchrotron. The first section describes general features

of synchrotrons, including focusing systems, energy limits, synchrotron radiation, and the

kinematics of colliding beams. The longitudinal dynamics of synchrotrons is the subject of Section

??????. Material includes constraints on magnetic field and rf frequency variation for

synchronization, synchrotron oscillations, and the transition energy. To ???????????????????

summarizes the principles and benefits . Derivations are given to illustrate the

effects of alignment errors in a strong focusing system. Forbidden numbers of betatron

wavelengths and mode coupling are discussed qualitatively.