Какво е основната конструкция на циклотрон?
Прежде да разберем основния принцип на действие на циклотрон, е необходимо да се разбере силата, действаща върху заредена частица, движеща се в магнитно поле, както и движението на заредената частица в магнитното поле.
Сила, действаща върху заредена частица, движеща се в магнитно поле
Когато проводник с дължина L метра, през който протича ток I ампера, е поставен перпендикулярно в магнитно поле с индукция B Вебер/квадратен метър, силата, или по-точно магнитната сила, действаща върху проводника, ще бъде
Нека предположим, че в проводника с дължина L метра, през който протича ток I ампера, има общо N броя подвижни свободни електрони.
Където e е електрическият заряд на един електрон и той е 1.6 × 10-19 кулон.
От уравнения (1) и (2) получаваме
Тук, N броя електрони, причиняващи ток I ампера, и предполагаме, че те изминават дължина L метра за време t, следователно дрейфова скорост на електроните ще бъде
От уравнения (3) и (4) получаваме
Това е силата, действаща върху N броя електрони в магнитното поле, следователно силата, действаща върху един електрон в това магнитно поле може да бъде
Движение на заредена частица в магнитно поле
Когато заредена частица се движи в магнитно поле, има две крайни условия. Частицата се движи или по посока на магнитното поле, или перпендикулярно на него.
Когато частицата се движи по оста на посоката на магнитното поле, магнитната сила, действаща върху нея,
Следователно няма сила, действаща върху частицата, следователно няма промяна в скоростта на частицата и тя се движи по права линия с постоянна скорост.
Ако заредената частица се движи перпендикулярно на магнитното поле, няма промяна в скоростта на частицата. Това е така, защото силата, действаща върху частицата, е перпендикулярна на движението на частицата, следователно силата не извършва работа върху частицата, следователно няма промяна в скоростта на частицата.
Но тази сила, действаща перпендикулярно на движението на частицата, ще променя непрекъснато посоката на движението на частицата. Следователно частицата ще се движи в кръгова пътека с постоянен радиус и постоянна скорост в полето.
Ако радиусът на кръговото движение е R метра, то
Сега,
Следователно радиусът на движението зависи от скоростта на движението.
Угловата скорост и периодът са константи.
Основен принцип на циклотрон
Този концепт за движението на заредена частица в магнитно поле беше успешно приложен в устройство, наречено циклотрон. Концептуално това устройство е много просто, но има огромни приложения в областта на инженерството, физиката и медицината. Това е устройство за ускоряване на заредени частици. Движението на заредената частица под перпендикулярно магнитно поле се прилага единствено в устройството, наречено циклотрон.
Конструкция на циклотрон
Това устройство има три основни конструктивни части
Голям електромагнит за създаване на равномерно магнитно поле между две лице-към-лице поставени магнитни противоположни полюси.
Две ниски холеви половинки цилиндри, направени от високопроводящи метали. Тези компоненти на циклотрона се наричат „Dees“.
Високочестотен алтернативен източник на високо напруга.
Конструктивни детайли
„Dees“ са поставени лице-към-лице между магнитните полюси. Те са поставени така, че правата им страна да е лице-към-лице с малка разстояние между тях. Магнитната индукция на електромагнита пресича „Dees“ точно перпендикулярно. Сега тези два „Dees“ са свързани към два терминала на алтернативен източник на напруга, така че, ако един „Dee“ е в положителен потенциал, другият ще бъде в точно обратен отрицателен потенциал по същото време. Тъй като източникът е алтернативен, потенциалът на „Dees“ се променя в съответствие с честотата на източника. Ако заредена частица е хвърлена от точка близо до центъра на един „Dee“ с определена скорост V1. Тъй като движението на частицата е перпендикулярно на външно приложено магнитно поле, няма промяна в скоростта, но заредената частица ще следва кръгова пътека с радиус
Където m грама е масата и q кулон е зарядът на хвърлената частица, а B Вебер/квадратен метър2 е индукцията на външно приложено перпендикулярно магнитно поле.
След изминаване на π радиана или 180o с радиус R1 заредената частица достига края на „Dee“. Сега периода и честотата на приложението източник на напруга са така регулирани, че да съвпадат с периода на кръговото движение, което е
