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Cyclotron Inventé - Histoire

Cyclotron Inventé - Histoire

Le Cyclotron, également connu sous le nom de briseur d'atomes, a été inventé par Ernest Lawrence, un physicien américain de l'Université de Californie à Berkely. L'accélérateur de particules, comme on l'appelait aussi, a permis des recherches avancées dans les domaines de la biologie et de la physique. En 1939, Lawrence a reçu le prix Nobel de physique pour ses travaux.

Histoire

L'Université de Chicago a été l'une des premières universités à avoir un cyclotron installé académiquement (1968). Cette machine, illustrée ci-dessus, et le programme qu'elle soutenait ont connu une longue et riche histoire en radiochimie et en instrumentation. Des chercheurs tels que Katherine Lathrop, Paul Harper, Robert (Bob) Beck et d'autres ont fourni une riche palette d'intérêts de recherche. L'essentiel de l'histoire des débuts du département de radiologie de l'Université de Chicago se trouve sur ce site. relier.

Katherine Lathrop, membre du projet Manhattan, était un membre clé de l'équipe de l'Université de Chicago qui a introduit le 99m Tc dans la pratique clinique au début des années 1960 en tant qu'agent radiotraceur en médecine nucléaire. Cette substance radioactive est aujourd'hui utilisée des dizaines de milliers de fois par jour aux États-Unis et des dizaines de millions de fois par an dans le monde dans des scanners de médecine nucléaire destinés à identifier des tumeurs ou un métabolisme anormal. Harper et Lathrop ont également développé la méthode commerciale pour produire 125 I, un autre radionucléide de diagnostic couramment utilisé. Elle est décédée en 2005.

Le cyclotron CS-15 a été installé en 1968 et a fonctionné pendant 30 ans. Il était logé à l'intérieur d'une chambre forte dans le sous-sol de l'Institut Frank McLean. La radiochimie a été effectuée à l'étage au-dessus où se trouvait un scanner TEP. Le CS-15 a été mis hors service en 1997 en raison de changements dans l'orientation de la recherche parrainée par le DOE. Intérêt renouvelé au début des années 2000 pour démarrer un programme de radiochimie autour d'un nouveau cyclotron à la pointe de la technologie.

Pour des images du nouveau Cyclotron, consultez le Galerie . Pour voir comment le Cyclotron a été déplacé dans son coffre-fort, consultez Insertion du Cyclotron vidéo.


Robert R. Wilson, professeur de physique à Harvard et concepteur du cyclotron de Harvard, a été le premier à proposer l'utilisation de protons pour traiter le cancer.

Robert R. Wilson était un physicien américain connu pour ses travaux sur le projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale. Il était membre de l'équipe qui a développé la bombe atomique et a ensuite dirigé un immense groupe de physiciens qui ont conçu, conçu, construit et exploité le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) à l'extérieur de Chicago.

Bien que Wilson soit un scientifique dévoué, il était également un défenseur engagé des droits de l'homme et s'est fait le champion de l'utilisation pacifique de l'énergie atomique qu'il a contribué à libérer. L'Oklahoma Proton Center est un exemple de cette utilisation pacifique.

La contribution de Robert Wilson à la protonthérapie s'est manifestée dans un article qu'il a publié en 1946. Intitulé "Radiological Use of Fast Protons" (Radiology 1946:47:487-91), l'article a établi les principes fondamentaux et les techniques encore utilisés aujourd'hui à l'Oklahoma Proton Centre et centres de protonthérapie dans le monde entier.

Robert Rathbun Wilson (4 mars 1914 – 16 janvier 2000)

Le Berkeley Radiation Laboratory a mené des études approfondies sur les protons et confirmé les prédictions de Wilson. En 1954, ils ont traité le premier patient avec des protons. Les chercheurs ont commencé à reconnaître le plein potentiel de l'isolement des protons pour traiter des conditions médicales. Une compréhension avancée de l'accélération des particules, des faisceaux de protons et de leur application en radiothérapie a montré de meilleurs résultats pour les patients diagnostiqués avec de nombreuses formes de cancer. Wilson est considéré comme « le père de la protonthérapie » pour toutes ses recherches et ses efforts visant à faire progresser la protonthérapie.

Le cyclotron de 60 pouces de Lawrence, avec des pôles magnétiques de 60 pouces de diamètre, au Lawrence Radiation Laboratory de l'Université de Californie (1939), l'accélérateur le plus puissant au monde à l'époque. Image d'un cyclotron moderne de l'Oklahoma Proton Center utilisé pour accélérer les protons à plus des deux tiers de la vitesse de la lumière et utilisé dans le traitement des cancers humains.


Cyclotron Inventé - Histoire

Lawrence invente le cyclotron
1931

Photo : Cyclotron de 4 pouces recouvert de cuivre, l'un des modèles les plus simples d'Ernest Lawrence

Quand Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) a obtenu son doctorat en physique, le sujet le plus brûlant était de bombarder le noyau de l'atome pour voir quelles nouvelles particules il pourrait produire. Ernest Rutherford n'avait montré que récemment que frapper l'atome d'un élément pouvait lui faire émettre des électrons et se transformer en un élément différent.

Lawrence a rejoint la faculté de physique de l'Université de Californie (Berkeley) en 1928 et a été intrigué par cette nouvelle physique. Jusqu'à présent, les gens avaient utilisé des particules alpha (le produit de la radioactivité naturelle) et des protons (atomes d'hydrogène, contenant une charge positive de 1) pour bombarder d'autres atomes. Mais ils avaient à peu près épuisé ce champ de recherche. Pour en savoir plus, ils avaient besoin d'un moyen artificiel pour accélérer ces particules à une plus grande énergie. Plusieurs accélérateurs ont été inventés pour donner à la particule de bombardement un énorme "coup" de potentiel électrique. Mais il semblait que vous auriez besoin d'un coup de pied d'environ 1 million de volts pour obtenir l'accélération requise, et faire une machine pour résister à cette puissance était presque impossible.

À cette époque, Lawrence a lu un article allemand décrivant un accélérateur linéaire qui augmentait l'énergie d'une particule par étapes en utilisant des champs électriques alternatifs. Cela a augmenté la vitesse de la particule, mais pour vraiment l'amener à l'énergie souhaitée, l'accélérateur aurait dû être trop long. Lawrence savait qu'un champ magnétique dévierait les particules chargées dans un chemin courbe. En faisant tourner les particules en spirale, il pouvait augmenter leur énergie petit à petit à chaque fois qu'ils faisaient le tour d'une électrode. La machine circulaire pouvait tenir dans une seule pièce. Les particules s'enroulaient en spirale à mesure qu'elles gagnaient plus d'énergie, et lorsqu'elles se déplaçaient assez rapidement, elles sortaient de l'appareil avec une force incroyable dans un collecteur.

L'université a donné à Lawrence le feu vert pour construire ce qu'il a appelé le cyclotron en 1930. Avec quelques étudiants diplômés, il a essayé un certain nombre de configurations différentes. Ils ont réussi à utiliser des électrodes, un oscillateur à radiofréquence produisant 10 watts, un vide, des ions hydrogène et un électro-aimant de 10 cm. L'ensemble de l'engin était assez petit. Avec un aimant plus gros, l'équipe de Lawrence a pu produire 80 000 électrons-volts en 1931, et plus tard la même année, avec un cyclotron de 25 cm, 1 million d'électrons-volts. Les cyclotrons sont devenus de plus en plus grands, avec des capacités nouvelles et différentes. Un cyclotron de 69 cm pourrait accélérer des ions contenant à la fois des protons et des neutrons. Avec cela, les chercheurs ont produit des radio-isotopes artificiels comme le technicium et le carbone 14 utilisés en médecine et en recherche sur les traceurs. En 1939, un appareil de 152 cm était utilisé à des fins médicales et Lawrence a remporté le prix Nobel de physique. Le travail a commencé sur une machine de 467 cm en 1940, mais la Seconde Guerre mondiale a interrompu son développement. L'équipe de Lawrence s'est penchée sur la production de l'uranium 235 nécessaire à la bombe atomique.

Le développement du cyclotron et la croissance du laboratoire de rayonnement de Lawrence ont eu d'énormes implications pour la science et la façon dont cela est fait. Ce nouvel outil pourrait sonder le noyau de l'atome et offrir des applications en médecine et en recherche chimique. Il a lancé l'ère moderne de la physique des hautes énergies. Mais il a également lancé l'ère de la « grande science », une nouvelle façon d'organiser le travail scientifique. Pour nourrir et entretenir ces outils de plus en plus gros, complexes et coûteux, il fallait plus de personnel et surtout plus d'argent. Les gouvernements et les entreprises ont vu qu'ils avaient un intérêt dans une telle recherche et sont intervenus en tant que bailleurs de fonds.

Ernest Lawrence est décédé en 1958. En 1961, l'élément 103 a été découvert et nommé « lawrencium » en son honneur.


Cyclotron Inventé - Histoire

J ohn D. Cockcroft et Ernest Walton du Cavendish Laboratory à Cambridge, en Angleterre, a cherché un moyen d'entrer dans le noyau grâce à une prédiction de la mécanique quantique. George Gamow avait suggéré qu'une particule avec trop peu d'énergie pour surmonter la répulsion électrique du noyau traverse la barrière. (L'astuce était que l'énergie de la particule n'était pas réellement bien définie, selon le principe d'incertitude de Heisenberg). En 1930, Cockcroft et Walton ont utilisé un transformateur de 200 kilovolts pour accélérer des protons dans un tube à décharge droit, mais ils ont conclu que le tunnel de Gamow ne fonctionnait pas et ont décidé de rechercher des énergies plus élevées.

Pour pénétrer dans le noyau, Cockcroft et Walton ont construit un multiplicateur de tension qui utilisait un empilement complexe de condensateurs connectés par des diodes de redressement comme interrupteurs. En ouvrant et en fermant les interrupteurs dans le bon ordre, ils pourraient générer un potentiel de 800 kilovolts à partir d'un transformateur de 200 kilovolts. Ils ont utilisé le potentiel pour accélérer des protons dans un tube sous vide de huit pieds de long. En 1932, ils ont placé une cible de lithium au bout du tube et ont découvert que les protons désintégraient un noyau de lithium en deux particules alpha. Une équipe soviétique à Kharkov a trouvé le même résultat plusieurs mois plus tard.


Robert Van de Graaff.


Accélérateur Cockcroft-Walton.


Les scientifiques travaillant sur un
Générateur Van de Graaff.

Le générateur Van de Graaff

Robert Van de Graaff a travaillé comme ingénieur pour l'Alabama Power Company avant d'obtenir son doctorat. en physique à Oxford. Alors qu'il était boursier postdoctoral à Princeton, il a conçu un appareil pour créer une haute tension en utilisant les principes simples de l'électrostatique. Une ceinture de matériau isolant transporte l'électricité d'une source ponctuelle à un grand conducteur sphérique isolé. Une autre ceinture fournit également de l'électricité de charge opposée à une autre sphère. Les sphères accumulent un potentiel jusqu'à ce que le champ électrique brise l'air et qu'une énorme étincelle se propage à travers. En 1931, Van de Graaff pouvait charger une sphère à 750 kilovolts, donnant une différence de 1,5 mégavolts entre deux sphères chargées de manière opposée.

En augmentant le rayon des sphères, Van de Graaff pouvait atteindre des tensions plus élevées sans former d'arc. La tension maximale en théorie, en mégavolts, équivalait à peu près au rayon de la sphère en pieds. Il prévoyait bientôt une paire de sphères de 15 pieds de diamètre.

Notes de Lawrence sur le papier de Widerôumle.

L'accélérateur linéaire

Les difficultés à maintenir les hautes tensions ont conduit plusieurs physiciens à proposer d'accélérer les particules en utilisant plus d'une fois une tension plus basse. Lawrence apprit l'existence d'un tel stratagème au printemps 1929, en parcourant un numéro de Archivür Elektrotechnik, un journal allemand pour les ingénieurs électriciens. Lawrence ne lisait que très difficilement l'allemand, mais il fut récompensé de sa diligence : il trouva un article d'un ingénieur norvégien, Rolf Widerômle, dont il put traduire le titre par "Sur un nouveau principe pour la production de tensions plus élevées". a expliqué le principe et Lawrence a sauté le texte.

Droit: Les diagrammes de Rolf Widerômle décrivant une méthode d'accélération des ions ont inspiré l'invention du cyclotron par Ernest Lawrence.

Les particules avec une charge électrique positive sont attirées dans la première électrode cylindrique par un potentiel négatif au moment où elles sortent du tube, le potentiel est passé au positif, ce qui les propulse loin de l'électrode avec une deuxième poussée. L'ajout d'espaces et d'électrodes peut étendre le schéma à des énergies plus élevées.

Le Cyclotron

L'accélérateur linéaire s'est avéré utile pour les ions lourds comme le mercure, mais les projectiles plus légers (comme les particules alpha) nécessitaient un tube à vide de plusieurs mètres de long. Lawrence jugea cela peu pratique. Au lieu de cela, il a pensé à plier les particules dans un chemin circulaire, en utilisant un champ magnétique, afin de les envoyer à travers la même électrode à plusieurs reprises.

Quelques calculs rapides ont montré qu'un tel dispositif pourrait tirer parti des lois de l'électrodynamique. L'accélération centripète d'une particule chargée dans un champ magnétique perpendiculaire B est evB/c, où e est la charge, v la vitesse de la particule et c la vitesse de la lumière. La force centrifuge mécanique sur la particule est mv 2 /r, où m est la masse et r le rayon de son orbite. Équilibrer les deux forces pour une orbite stable donne ce qu'on appelle maintenant l'équation du cyclotron : v/r = eB/mc.

Lawrence a été surpris de constater que la fréquence de rotation d'une particule est indépendante du rayon de l'orbite : f = v/2 r = eB/2mc, r disparaissant de l'équation. La méthode circulaire permettrait ainsi à un champ électrique alternant à fréquence constante de propulser des particules vers des énergies toujours plus élevées. Au fur et à mesure que leurs vitesses augmentaient, le rayon de leur orbite augmentait également. Chaque rotation prendrait le même temps, gardant les particules en phase avec le champ alternatif au fur et à mesure de leur spirale vers l'extérieur.

Un champ électrique avec une fréquence d'environ quatre millions de cycles par seconde se situait dans le domaine des ondes radio courtes. L'expérience de Lawrence avec ces ondes serait utile, et les progrès récents dans les oscillateurs à tube à vide de haute puissance seraient indispensables. Combiné à un champ magnétique raisonnable, un potentiel sur les électrodes de seulement dix mille volts pourrait accélérer une particule alpha à un million d'électrons-volts. De plus gros aimants promettaient des énergies plus élevées. En théorie, le schéma offrait la voie longtemps recherchée pour étudier le noyau. Lawrence a pressé les étudiants et les professeurs de confirmer ses calculs et a esquissé un dispositif.


Lawrence et le cyclotron : la naissance de la grande science

Une annonce officielle de l'Union internationale de chimie pure et appliquée publiée le 30 décembre 2015 suscite toujours l'enthousiasme des scientifiques. La septième ligne du tableau périodique est officiellement terminée, grâce à l'ajout des éléments 113, 115, 117 et 118 (avec respectivement les noms temporaires ununtritium, ununpentium, ununseptium et ununoctium). Il a fallu de nombreuses expériences utilisant divers accélérateurs de particules de plusieurs pays différents, mais tout ce travail a finalement porté ses fruits. Mais qu'est-ce que ce travail impliquait? Puisque l'uranium est le dernier élément naturel, tous ceux qui le suivent sont fabriqués par l'homme. La synthèse de ces éléments nécessite de casser un atome dans un autre et de surveiller les produits de fission. L'astuce pour créer un élément synthétique est de donner suffisamment d'énergie à la collision. Aujourd'hui, nous avons de nombreux accélérateurs avancés de toutes formes et tailles pour aider à atteindre cet objectif, y compris celui utilisé dans un récent PLOS UN Study &mdash et tout a commencé avec un homme nommé Ernest Orlando Lawrence.

Lawrence et le laboratoire de radiation

Sur la rive est de la baie de San Francisco se trouve une ville connue pour sa gastronomie, son activisme et sa science, Berkeley, en Californie. En fait, l'Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley) a produit tellement de lauréats du prix Nobel qu'elle a réservé un parking sur le campus. UC Berkeley revendique 22 professeurs lauréats du prix Nobel et 29 anciens élèves lauréats du prix Nobel. Le premier lauréat de l'UC Berkeley était Lawrence, l'inventeur du cyclotron.

Figure 1. Schéma d'un cyclotron. Image obtenue via Wikimedia Commons. L'image est dans le domaine public. Auteur inconnu.

En 1928, Lawrence, originaire du Dakota du Sud et titulaire d'un doctorat de l'Université de Yale, a été embauché comme professeur adjoint de physique à l'UC Berkeley. Il est entré dans un monde où les départements de physique, de chimie et d'ingénierie étaient complètement séparés et leurs membres ne se sont jamais mélangés. Mais un jour, il a griffonné une idée sur une serviette qui allait changer l'histoire. Cette idée n'ouvrirait pas seulement la voie à la découverte élémentaire, elle entraînerait une collaboration multidisciplinaire et ce que Lawrence appelait la « science big », un terme qu'il utiliserait pour décrire des projets tels que le grand collisionneur de hadrons et l'observatoire à ondes gravitationnelles interférométriques laser.

Son idée était de fournir de l'énergie à une particule sans utiliser de hautes tensions. A cette époque, pour accélérer une particule, il fallait un accélérateur linéaire. Cependant, les accélérateurs linéaires nécessitent des tensions élevées car le champ électrique ne peut transférer l'énergie à la particule qu'une seule fois. Cela limite l'accélération qui peut être obtenue dans une configuration linéaire. Lawrence s'est rendu compte que l'utilisation d'un accélérateur circulaire pouvait résoudre ce problème. Le même champ électrique pourrait être utilisé pour accélérer des particules plus d'une fois. Lawrence a mis au point un appareil qu'il a appelé le &ldquoproton-merry-go-round&rdquo (Ernest Lawrence&rsquos Cyclotron) à l'époque.

Le cyclotron

Figure 2. Les prototypes de cyclotrons construits par Lawrence. Exposée au Lawrence Hall of Science. Photo de Deb McCaffrey.

L'idée de Lawrence était simple (relativement parlant). Il a utilisé de puissants aimants pour créer un champ magnétique perpendiculaire qui entraînerait les particules dans un chemin circulaire. Il contenait les particules dans deux dees métalliques, qui sont deux morceaux de métal façonnés comme pour enfermer un disque. Les actes, cependant, étaient séparés par un écart crucial. Lorsque les dees étaient polarisés par un courant RF, ils fournissaient de l'énergie à la particule à chaque fois qu'elle traversait l'espace. Cela ferait en sorte que le chemin circulaire deviendrait un chemin en spirale vers l'extérieur, la particule accélérant en cours de route. Finalement, la particule heurterait sa cible et divers processus nucléaires pourraient se produire. Son premier appareil était fait de &ldquowire et de cire à cacheter et coûtait probablement 25 $ en tout.&rdquo (À propos de : Lawrence Hall of Science.) Son modèle suivant, qui était le premier appareil fonctionnel, est exposé au Lawrence Hall of Science à Berkeley. L'appareil deviendrait connu sous le nom de cyclotron.

Chaque fois que Lawrence a créé un cyclotron fonctionnel, il a immédiatement jeté son dévolu sur un plus grand cyclotron. Cependant, pour commencer à mettre à l'échelle ses appareils de la taille d'un banc, il aurait besoin de l'aide d'ingénieurs. Il s'est lié d'amitié avec un ingénieur électricien de l'UC Berkeley nommé Leonard Fuller, qui lui fournirait les aimants dont il avait besoin. Il s'est également lié d'amitié avec Gilbert Lewis. Lewis était au département de chimie de l'UC Berkeley ce que Lawrence était au département de physique, sauf que Lewis n'a jamais reçu le prix Nobel. (Selon Coffey, c'est parce que Lewis ne jouait pas bien avec les autres, en particulier le comité Nobel.) Lewis a également découvert les deutérons, une particule cruciale dans les découvertes du cyclotron. Avec l'aide de Fuller et Lewis, Lawrence a pu construire un cyclotron de 27 pouces. Cet appareil était si gros qu'il ne rentrait plus dans le laboratoire. Lawrence a fondé le Radiation Laboratory dans un autre bâtiment afin d'abriter ses cyclotrons. Latimer Hall se trouve aujourd'hui là où se trouvait autrefois le &ldquoRad Lab&rdquo.

Figure 3. Le cyclotron de 37 pouces exposé au Lawrence Hall of Science. Photo de Deb McCaffrey.

La science nucléaire est née

Le Rad Lab étant opérationnel, Lawrence et &ldquo[his] boys&rdquo (Ernest Lawrence Exhibit) se sont rapidement mis à faire des découvertes. Le cyclotron de 27 pouces a été repensé en un cyclotron de 37 pouces. Cet appareil de 37 pouces a fourni le premier élément artificiel : le technétium. C'était également un élément clé du projet Manhattan, le Rad Lab a réussi à séparer magnétiquement l'uranium-235, ouvrant ainsi la voie à la bombe larguée sur Hiroshima. Le cyclotron de 37 pouces est toujours visible devant le Lawrence Hall of Science.

Bien sûr, 37 pouces était encore assez grand pour Lawrence. Il a aidé son frère à créer un cyclotron de 60 pouces qui allait découvrir le carbone 14 et synthétiser le neptunium et le plutonium. Son chef-d'œuvre, cependant, était le cyclotron de 184 pouces qu'il a construit après avoir reçu le prix Nobel. Sans surprise, cet appareil nécessiterait une installation encore plus grande. Un bâtiment avec un toit en dôme distinctif a été construit sur la colline au-dessus du campus pour l'abriter. Un autre problème était que les vitesses approcheraient de la limite où la relativité restreinte doit être prise en compte. L'appareil a dû être converti en un synchrocyclotron. Les deux modifications majeures ont été de faire varier la fréquence RF et de remplacer un dee par une version ouverte du dee (voir figure 1 pour un rappel de ce à quoi ressemble un dee). Cette contribution de géant scientifique à la physique était des mésons artificiels, mais le frère de Lawrence, John, l'a également utilisé pour faire des progrès médicaux importants. En 1958, Ernest Lawrence est décédé, laissant un formidable héritage derrière lui.

Figure 4. Une vue de la source lumineuse avancée depuis le patio de la bibliothèque Doe. Photo de Deb McCaffrey.

Sur les épaules d'un géant

Bien que le cyclotron de 184 pouces n'existe plus, le toit en dôme distinctif marque toujours la crête où il se trouvait autrefois. Le Berkeley Radiation Laboratory est devenu le Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory et le cyclotron a été remplacé par une source de lumière synchrotron qui est toujours utilisée aujourd'hui.

Plus haut sur la colline, le Lawrence Hall of Science divertit les familles avec ses expositions et influence les étudiants de tout le pays avec l'élaboration de son programme. De l'autre côté des crêtes, le Lawrence Livermore National Laboratory poursuit la fusion. Ces institutions témoignent des réalisations scientifiques de Lawrence. Plus important encore, il a ouvert la voie à un nouveau paradigme scientifique, celui où des équipes multidisciplinaires se réuniraient pour construire des expériences colossales à la recherche des secrets bien gardés de l'univers.

Coffey, P. (2008) Cathédrales de la science : les personnalités et les rivalités qui ont fait la chimie moderne. Presse de l'Université d'Oxford.

Exposition Ernest Lawrence (s.d.) Lawrence Hall of Science

Hiltzik, M. (2015). Big Science: Ernest Lawrence et l'invention qui a lancé le complexe militaro-industriel. Simon & Schuster.

Laboratoire national de Lawrence Berkeley (1993) Faisceaux lumineux : La source lumineuse avancée.


Accélérateurs linéaires

BREF HISTORIQUE DU DEVELOPPEMENT DES ACCELERATEURS LINEAIRES:

L'installation du premier accélérateur linéaire clinique a commencé en juin 1952 dans l'unité de recherche radiothérapeutique du Medical Research Council (MRC) à l'hôpital Hammersmith de Londres. Il a été remis pour des tests de physique et d'autres tests en février 1953 et a commencé à traiter des patients le 7 septembre de la même année.

“Aujourd'hui - Des milliers d'accélérateurs linéaires médicaux sont utilisés dans les hôpitaux du monde entier et ont été efficaces pour traiter des millions de patients atteints de cancer. Les chercheurs continuent d'améliorer encore l'efficacité des accélérateurs linéaires médicaux dans la lutte contre le cancer.”

ÉTAPES DU DÉVELOPPEMENT DES ACCÉLÉRATEURS LINÉAIRES:


1931 — Une seconde près : le premier cyclotron

1937 – Premier traitement clinique par générateur Van de Graaff à la Harvard Medical School.
1932-1940—La décennie du cyclotron
1940—Le Bêtatron
1945 — De nouvelles idées : l'accélération synchrone mène au microtron
1947—Plus de synchronicité : le synchrotron électronique

1947 – Premier accélérateur linéaire construit à Stanford par William Hansen et les frères Varian.
1952—Des énergies encore plus élevées : le synchrotron à protons
1952—Un grand pas en avant : focaliser le faisceau
1953—Les synchrotrons deviennent plus forts

1953 – Patient traité avec le premier accélérateur linéaire médical à l'hôpital Hammersmith de Londres.

1953 – Le Dr Henry Kaplan et le physicien Edward Ginzton mettent au point le premier accélérateur linéaire médical de l'hémisphère occidental. L'unité 6MV a été installée à l'hôpital Stanford-Lane de San Francisco.
1946-1954—Le linac grandit : un linac à électrons et à protons

1960 – Varian Clinac ®6/100 introduit, le premier accélérateur linéaire de radiothérapie entièrement rotatif.
1966—Stanford prend le Linac au sérieux : SLAC
1960—Le collisionneur d'anneaux de stockage
1969—Le CERN entre dans l'ère des collisionneurs
1970—L'Allemagne rejoint l'ère des collisionneurs
1981—Les premiers collisionneurs proton-antiproton : CERN et FNAL

1981 – Lancement du Varian Clinac® 2500, le premier accélérateur linéaire médical à double énergie.

1985 – Philips présente le SL25®, le premier accélérateur linéaire médical entièrement contrôlé numériquement.

1988 – Varian présente le Varian Clinac ® 2100C, le premier accélérateur contrôlé par ordinateur de Varian.

1997 – Stanford poursuit ses recherches en utilisant la radiothérapie modulée en intensité, qui combine l'imagerie avec des accélérateurs linéaires qui délivrent des centaines de minces faisceaux de rayonnement sous n'importe quel angle.

2004 – La radiothérapie en quatre dimensions est mise en œuvre, qui prend en compte le mouvement de la respiration pendant l'imagerie et la radiothérapie.

PIONNIERS DANS LE DÉVELOPPEMENT DES ACCÉLÉRATEURS LINÉAIRES :

En 1958, Karl Brown fut le premier à utiliser l'algèbre matricielle pour calculer les aberrations magnéto-optiques dans les spectromètres de particules chargées, utilisés par les physiciens pour l'analyse précise de la structure nucléaire et subnucléaire. Il a développé un code informatique appelé TRANSPORT pour faciliter le processus de conception des équipements

Henry Kaplan et Ed Ginzton, PhD, professeur de génie électrique et de physique, ont développé le premier accélérateur linéaire médical de l'hémisphère occidental, installé à l'hôpital Stanford-Lane de San Francisco.

1972 – Le Dr Peter Fessenden arrive à Stanford et commence à développer un accélérateur linéaire qui combat les cellules tumorales en utilisant deux types de rayonnement. En collaboration avec Varian Medical Systems, Inc., l'équipe du Dr Fessenden crée le premier accélérateur linéaire qui combine à la fois le traitement par rayons X et par électrons.


Ernest Lawrence et l'invention du cyclotron

Le 8 août 1901 , un scientifique nucléaire américain pionnier Ernest Orlando Lawrence est né. Il a reçu le prix Nobel de physique 1939 pour son invention du cyclotron. Il est également connu pour ses travaux sur la séparation uranium-isotope pour le projet Manhattan, et pour avoir fondé le Lawrence Berkeley Laboratory et le Lawrence Livermore Laboratory.

« Je suis conscient que les réalisations scientifiques sont enracinées dans le passé, sont cultivées à pleine stature par de nombreux contemporains et ne s'épanouissent que dans un environnement favorable. Aucun individu n'est seul responsable d'un seul tremplin sur le chemin du progrès, et là où le chemin est fluide, le progrès est le plus rapide. Dans mon propre travail, cela a été particulièrement vrai.”
— Ernest Orlando Lawrence, discours du banquet du prix Nobel (29 février 1940)

Grandir dans le Dakota du Sud

Ernest Lawrence a grandi dans le Dakota du Sud. Ses parents étaient des descendants d'immigrants norvégiens et enseignaient au lycée de Canton, dans le Dakota du Sud. Sa mère, Gunda, se souvenait de son énorme curiosité lorsqu'il était encore enfant. Apparemment, Lawrence, âgé de deux ans, a réussi à allumer un feu avec des allumettes et à brûler tous ses vêtements. Sa mère s'est également souvenue que “ Ernest était toujours de bonne humeur et la vie lui semblait être un frisson après l'autre, mais il était aussi toujours persistant et insistant !“. Avec ses amis de lycée, Lawrence a construit très tôt une station de transmission radio à ondes courtes et a ensuite appliqué ses expériences à l'accélération des protons [1,2].

Carrière académique

Lawrence s'est inscrit à l'Université du Dakota du Sud et a vendu des ustensiles de cuisine à des ménages agricoles afin de financer ses études. Cette formation a été utile plus tard, lorsque Lawrence a dû vendre des projets scientifiques à des représentants du gouvernement et à des organismes de financement. Après avoir obtenu son baccalauréat, le jeune physicien s'est inscrit à l'Université du Minnesota pour terminer ses études de maîtrise et il a déménagé à Yale, où Lawrence a obtenu son doctorat. en 1925. Avant même d'avoir 27 ans, Lawrence a accepté un poste de professeur agrégé à Berkeley, où il est devenu le plus jeune professeur titulaire de l'institution trois ans plus tard [1]. En 1936, il devint également directeur du laboratoire de radiation de l'université, restant à ces postes jusqu'à sa mort [3].

Le Cyclotron

On suppose qu'en lisant un article scientifique de Rolf Widerøe sur un appareil produisant des particules à haute énergie, il a été inspiré pour travailler sur un accélérateur plus compact qui s'intégrerait dans les laboratoires de Berkeley. Après des travaux initiaux sur le potentiel d'ionisation des vapeurs métalliques, Lawrence a inventé le cyclotron en 1929. Le tout premier cyclotron qu'il a construit n'avait apparemment que 10 cm de diamètre et se composait de laiton, de fil et de cire à cacheter. Au cours de cette période, Lawrence et son groupe de recherche construit une plus grande machine, qu'il a utilisée pour bombarder divers éléments avec des particules accélérées. Dans de rares cas, des éléments complètement nouveaux et des centaines d'isotopes radioactifs auparavant inconnus d'éléments connus ont été générés par le bombardement de particules. Il a déposé une demande de protection par brevet pour son invention aux États-Unis le 26 janvier 1932, qui lui a été accordée le 20 février 1934.

Schéma du fonctionnement du cyclotron du brevet de Lawrence’s 1934

Isotopes radioactifs et thérapie contre le cancer

Il a été invité à la conférence Solvay de 1933 pour faire une présentation sur le cyclotron et Lawrence a étendu l'appareil à un cyclotron de 37 pouces en juin 1937. Deux ans plus tard, il a été utilisé pour la première fois pour bombarder le fer et produire ses premiers isotopes radioactifs. Avec un cyclotron plus puissant, il a pu produire les mésons connus du rayonnement cosmique pour la première fois en 1941, plus tard il a étendu ses études aux antiparticules. La même année, le premier patient atteint d'un cancer a reçu une thérapie neutronique du cyclotron.

Le prix Nobel de physique

Ernest Lawrence a reçu le prix Nobel de physique en 1939 et a été le premier à Berkeley à devenir lauréat du prix Nobel. Les scientifiques étaient également connus comme un écrivain incroyablement prolifique. La plupart de ses travaux ont été publiés dans L'examen physique et les actes de l'Académie nationale des sciences. Il a été décoré de nombreux prix et récompenses dont la Médaille du Mérite et il a été docteur honoris causa de treize universités américaines et d'une britannique, l'Université de Glasgow [3].

La vie plus tard

Lawrence a joué un rôle déterminant dans le développement de la bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale, après la guerre, il a fait campagne pour une interdiction des essais nucléaires et a été membre de la délégation américaine à la conférence de Genève de 1958 sur le sujet. Après la guerre, Lawrence a fait campagne pour le parrainage gouvernemental de grands programmes scientifiques. Le 103e élément du tableau périodique chimique, Lawrencium (Lr), a été nommé d'après lui.

Ernest Orlando Lawrence est décédé le 27 août 1958 à l'âge de 57 ans.

À la recherche de vidéos académiques yovisto, vous pourriez être intéressé par une conférence vidéo sur Accélérateurs de particules à l'Université de Berkeley par le professeur Norman.


Cyclotron Inventé - Histoire

Cette entrée a contribué par Dana Romero

Un dispositif inventé par E. O. Lawrence et M. S. Livingston à Berkeley en 1931 qui est utilisé pour accélérer des particules chargées au moyen d'un champ magnétique. Une particule de masse m et charge q se déplaçant avec une vitesse v va interagir avec un champ magnétique de force B dont la direction est perpendiculaire au plan de son déplacement avec force

La force du champ magnétique est perpendiculaire à la direction de la particule, ce qui entraîne un chemin circulaire à l'intérieur du cyclotron. Équation F avec une force centripète donne

donne le rapport charge-masse de la particule en termes de valeurs connues pour v, B, et R.

Les particules dans les cyclotrons émettent un rayonnement appelé rayonnement cyclotron.

Livingston, M. S. Accélérateurs à haute énergie. New York : Interscience Publishers, 1954.

Livingston, M.S. et Blewett, J.P. Accélérateurs de particules. New York : McGraw-Hill, 1962.

Livingston, M. S. Accélérateurs de particules : une brève histoire. Cambridge, MA : Harvard University Press, 1969.

Mann, W.B. Le Cyclotron, 2e éd. New York : Chemical Publishing Co., 1945.

Wilson, R.R. et Littauer, R. Accélérateurs : Machines de Physique Nucléaire. Garden City, NY : Anchor Books, 1960.


Histoire

The Lab’s legacy began in the summer of 1928, when a 27-year-old physics professor named Ernest O. Lawrence was wooed from his faculty position at Yale University to a job at the University of California’s Berkeley campus. While at Berkeley, Lawrence invented a unique particle accelerator called a cyclotron which would prove his hypothesis: whirling charged particles around to boost their energies, then casting them toward a target is an effective way to smash open atomic nuclei. The cyclotron would go on to win Lawrence the 1939 Nobel Prize in physics and usher in a new era in the study of subatomic particles. Through his work, Lawrence launched the modern era of multidisciplinary, team science. In August of 1931, when he created the Radiation Laboratory in a modest building on the Berkeley campus, Lawrence began recruiting a brilliant circle of colleagues from physics, chemistry, biology, engineering and medicine, whose groundbreaking teamwork would be critical to the laboratory’s legendary success. When his plans for bigger and better atom-smashing cyclotrons required more room, he moved the laboratory off campus and up to its present location in the Berkeley hills, overlooking the San Francisco Bay. After his death in 1959, the Lab was officially renamed the Ernest O. Lawrence Berkeley Laboratory.

The old Radiation Laboratory

Today, Berkeley Lab continues the tradition of multidisciplinary scientific teams working together to solve global problems in human health, technology, energy, and the environment. Thirteen Nobelists have worked here. And countless other researchers have contributed to the Lab’s success as an institution for furthering our nation’s scientific endeavors, whether in fundamental research, science education, or technology transfer.

Go here to view an article written in 2001 to commemorate the 100th anniversary of Lawrence’s birth in 1901.

As a youth, Lawrence was a ham-radio enthusiast and set up South Dakota’s first-ever radio station.