Què és la construcció bàsica d'un cicletró?
Abans de comprendre el principi bàsic de funcionament del cicletró, és necessari entendre la força sobre una partícula carregada en moviment en un camp magnètic i també el moviment de la partícula carregada en aquest camp.
Força sobre una partícula carregada en moviment en un camp magnètic
Quan un conductor que porta corrent conductor de longitud L metres amb una corrent I amperes col·locat perpendicularment en un camp magnètic de densitat de flux B Weber per metre quadrat, llavors la força, més aviat la força magnètica, que actua sobre el conductor seria
Ara, suposem que hi ha un total de N electrons lliures mòbils en el conductor de longitud L metres causant la corrent I amperes.
On e és la càrrega elèctrica d'un electró i és 1.6 × 10-19 coulombs.
Ara, de les equacions (1) i (2) obtenim
Aquí, N electrons causen la corrent I amperes, i considerem que viatgen una longitud L metres en un temps t, per tant, la velocitat de deriva dels electrons seria
De les equacions (3) i (4), obtenim
És la força que actua sobre N electrons en el camp magnètic, per tant, la força sobre un sol electró en aquest camp magnètic podria ser
Moviment d'una partícula carregada en un camp magnètic
Quan una partícula carregada es mou en un camp magnètic, hi ha dos casos extrems. La partícula es mou o bé en la direcció del camp magnètic o bé perpendicular al camp magnètic.
Quan la partícula es mou en l'eix de la direcció del camp magnètic, la força magnètica que actua sobre ella,
Per tant, no hi ha cap força que actui sobre la partícula, per tant, no hi ha canvis en la velocitat de la partícula i, per tant, es mou en línia recta amb velocitat constant.
Ara, si la partícula carregada es mou perpendicular al camp magnètic, no hi haurà cap canvi en la velocitat de la partícula. Això és degut a que la força que actua sobre la partícula és perpendicular al seu moviment, per tant, la força no fa cap treball sobre la partícula i, per tant, no hi ha cap canvi en la velocitat de la partícula.
Però aquesta força que actua perpendicular al seu moviment farà que la direcció del moviment de la partícula canvii continuament. Com a resultat, la partícula es mou en una trajectòria circular de radi constant amb velocitat constant.
Si el radi del moviment circular és R metres, llavors
Ara,
Per tant, el radi del moviment depèn de la velocitat del moviment.
La velocitat angular i el període són constants.
Principis bàsics del cicletró
Aquest concepte del moviment d'una partícula carregada en un camp magnètic va ser utilitzat amb èxit en un aparell anomenat cicletró. Conceptualment, aquest dispositiu és molt simple, però té usos immensos en els camps de l'enginyeria, la física i la medicina. És un dispositiu d'acceleració de partícules carregades. El moviment de la partícula carregada sota un camp magnètic perpendicular és aplicat exclusivament en l'aparell anomenat cicletró.
Construcció del cicletró
Aquest dispositiu té fonamentalment tres parts principals de construcció
Un electroimant de gran mida per crear un camp magnètic uniforme entre els seus dos pols magnètics colocats cara a cara.
Dos meitats de cilindre buits de baixa altura fets de metalls de alta conductivitat. Aquests components del cicletró s'anomenen Dees.
Una font d'alta tensió alternativa de freqüència alta.
Detalls de construcció
Els Dees estan colocats cara a cara entre els pols electromagnètics. Els Dees estan colocats de manera que l'aresta recta estigui cara a cara amb un petit espai entre ells. També el flux magnètic de l'electroimant talla aquests Dees exactament perpendicularment. Ara, aquests dos Dees estan connectats a dos terminals d'una font d'alta tensió alternativa de manera que si un Dee està en potencial positiu, l'altre estarà en potencial negatiu exactament oposat al mateix temps. Com que la font és alternativa, el potencial dels Dees es canvia segons la freqüència de la font. Ara, si una partícula carregada es llança des d'un punt proper al centre d'un Dee amb una certa velocitat V1. Com que el moviment de la partícula és perpendicular al camp magnètic externament aplicat, no hi haurà cap canvi de velocitat, però la partícula carregada seguirà una trajectòria circular de radi
On, m grams és la massa i q coulombs és la càrrega de la partícula llançada i B Weber/metre2 és la densitat de flux del camp magnètic externament aplicat perpendicular.
Després de viatjar π radians o 180o amb radi R1, la partícula carregada arriba a l'aresta del Dee. Ara, el període i la freqüència de la font d'alta tensió alternativa s'ajusten amb el període del moviment circular de manera que
La polaritat de l'altre Dee esdevé oposada a la càrrega de la partícula. Per tant, degut a l'atracció del Dee davant i també degut a la repulsió del Dee on es troba la partícula, la partícula guanya energia cinètica addicional.
On ν1 és la velocitat de la partícula en el Dee anterior i ν2 és la velocitat de la partícula en el Dee següent. Ara, la partícula es mou amb aquesta major velocitat amb radi R2 metres.
