ما هو بناء الدائرة الدوامة الأساسية؟
قبل فهم المبدأ الأساسي لعمل السيكلوترون، من الضروري فهم القوة المؤثرة على الجسيم المشحون المتحرك في المجال المغناطيسي وكذلك حركة الجسيم المشحون في المجال المغناطيسي.
قوة الجسيم المشحون المتحرك في المجال المغناطيسي
عندما يتم وضع موصل يحمل تياراً كهربائياً بطول L متر وتيار I أمبير بشكل عمودي في مجال مغناطيسي بكثافة شعاعية B ويبر لكل متر مربع، فإن القوة أو القوة المغناطيسية التي تؤثر على الموصل ستكون
لنفترض الآن أن هناك N عدد من الإلكترونات الحرة المتحركة في الموصل بطول L متر مما يسبب تيار I أمبير.
حيث e هو الشحنة الكهربائية للإلكترون الواحد وهي 1.6 × 10-19 كولوم.
من المعادلة (1) و (2) نحصل على
هنا، N عدد من الإلكترونات التي تسبب تيار I أمبير، ولنفترض أنها تسافر مسافة L متر خلال زمن t، بالتالي سرعة الانجراف للإلكترونات ستكون
من المعادلة (3) و (4)، نحصل على
هذه هي القوة المؤثرة على N عدد من الإلكترونات في المجال المغناطيسي وبالتالي القوة المؤثرة على إلكترون واحد في ذلك المجال المغناطيسي ستكون
حركة الجسيم المشحون في المجال المغناطيسي
عندما يتحرك جسيم مشحون في مجال مغناطيسي، سيكون هناك حالة قصوى واحدة من حالتين. إما أن يتحرك الجسيم في اتجاه المجال المغناطيسي أو يتحرك بشكل عمودي على المجال المغناطيسي.
عندما يتحرك الجسيم على محور اتجاه المجال المغناطيسي، القوة المغناطيسية المؤثرة عليه،
وبالتالي لن تكون هناك قوة مؤثرة على الجسيم، ولن يكون هناك تغيير في سرعة الجسيم وبالتالي سيتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة.
والآن إذا تحرك الجسيم المشحون بشكل عمودي على المجال المغناطيسي، لن يكون هناك تغيير في سرعة الجسيم. هذا لأن القوة المؤثرة على الجسيم تكون عمودية على حركة الجسيم وبالتالي لن تقوم هذه القوة بأي عمل على الجسيم ولن يكون هناك تغيير في سرعته.
ولكن هذه القوة المؤثرة على الجسيم بشكل عمودي على حركته وتغيير اتجاه حركة الجسيم باستمرار. وبالتالي سيتحرك الجسيم في دائرة ذات نصف قطر ثابت وبسرعة ثابتة.
إذا كان نصف قطر الحركة الدائرية R متراً، فإن
الآن،
وبالتالي يعتمد نصف قطر الحركة على سرعة الحركة.
السرعة الزاوية والزمن الدوري ثابتين.
المبادئ الأساسية للسيكلوترون
تم استخدام هذا المفهوم لحركة الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي بنجاح في جهاز يسمى السيكلوترون. من الناحية المفاهيمية، هذا الجهاز بسيط للغاية ولكنه له استخدامات هائلة في مجال الهندسة والفيزياء والطب. إنه جهاز لتسرع الجسيمات المشحونة. يتم تطبيق حركة الجسيم المشحون تحت المجال المغناطيسي العمودي فقط في الجهاز المسمى السيكلوترون.
بناء السيكلوترون
يتكون هذا الجهاز أساساً من ثلاثة أجزاء رئيسية
مغناطيس كهربائي كبير لإنشاء مجال مغناطيسي منتظم بين قطبيه المغناطيسيين المواجهين.
نصف أسطوانتين فارغتين منخفضتين الارتفاع مصنوعتين من المعادن عالية التوصيل. تسمى هذه المكونات في السيكلوترون "ديز".
مصدر توتر عالي التردد ومعاكس عالي المصدر الكهربائي.
تفاصيل البناء
توضع الديز وجهًا لوجه بين قطبي المغناطيس الكهربائي. يتم وضع الديز بحيث تكون الحواف المستقيمة مواجهة لبعضها مع فجوة صغيرة بينهما. كما أن شدة المجال المغناطيسي للمغناطيس الكهربائي تقطع هذه الديز بشكل دقيق عمودي. الآن يتم توصيل هذين الديزين بطرفين لمصدر توتر معاكس بحيث إذا كان أحد الديزين في القدرة الإيجابية، سيكون الآخر في القدرة السلبية المعاكسة بنفس الوقت. بما أن المصدر معاكس، تتغير القدرة للديز وفقًا لتردد المصدر. الآن إذا تم رمي جسيم مشحون من نقطة قريبة من مركز أحد الديز بسرعة V1. حيث أن حركة الجسيم الآن عمودية على المجال المغناطيسي الخارجي المطبق، لن يكون هناك تغيير في السرعة ولكن الجسيم المشحون سيتبع مسارًا دائريًا بنصف قطر
حيث m غرام هو الكتلة و q كولوم هو الشحنة للجسيم المرمي و B ويبر/متر2 هي كثافة الشعاع للمجال المغناطيسي الخارجي المطبق عموديًا.
بعد السفر π راديان أو 180° بنصف قطر R1 يأتي الجسيم المشحون إلى حافة الديز. الآن تم تعديل الفترة الزمنية وتكرار المصدر الكهربائي المطبق بحيث تكون الفترة الزمنية للحركة الدائرية هي
بحيث تكون القطبية للديز الآخر معاكسة للشحنة للجسيم. وبالتالي بسبب جذب الديز الأمامي للجسيم المتحرك وكذلك بسبب دفع الديز الذي يوجد فيه الجسيم، يحصل الجسيم على طاقة حركية إضافية.
حيث ν1 هي سرعة الجسيم في الديز السابق و ν2 هي سرعة الجسيم في الديز التالي. الآن سيتحرك الجسيم بهذه السرعة الأكبر بنصف قطر R2 متر.
