Hvad er den grundlæggende konstruktion af en cyklotron?
Før man kan forstå den grundlæggende arbejdsmåde af Cyclotron, er det nødvendigt at forstå kraften på en bevægende ladet partikel i et magnetfelt og også bevægelsen af den ladete partikel i magnetfeltet.
Kraft på en bevægende ladet partikel i et magnetfelt
Når en strømførende leder med længde L meter og strøm I ampere placeres vinkelret i et magnetfelt med fluxtæthed B Weber per kvadratmeter, vil kraften, eller mere præcist magnetkraften, der virker på lederen, være
Lad os nu antage, at der er N antal mobile fri elektroner i lederen, som ligger over længden L meter og årsager strømmen I ampere.
Her er e elektronens elektriske ladning, og den er 1,6 × 10-19 coulomb.
Fra ligning (1) og (2) får vi
Her er N antal elektroner, der årsager strømmen I ampere, og lad os antage, at de bevæger sig længden L meter i tiden t, så drift hastighed af elektronerne ville være
Fra ligning (3) og (4) får vi
Det er kraften, der virker på N antal elektroner i magnetfeltet, så kraften på en enkelt elektron i dette magnetfelt kan være
Bevægelse af en ladet partikel i et magnetfelt
Når en ladet partikel bevæger sig i et magnetfelt, er der to ekstreme tilfælde. Partiklen bevæger sig enten langs retningen af magnetfeltet eller vinkelret på magnetfeltet.
Når partiklen bevæger sig langs aksen i retningen af magnetfeltet, er magnetkraften, der virker på den,
Derfor vil der ikke være nogen kraft, der virker på partiklen, og dermed ingen ændring i partikelens hastighed, og den bevæger sig i en ret linje med konstant hastighed.
Hvis den ladete partikel bevæger sig vinkelret på magnetfeltet, vil der ikke være nogen ændring i partikelens hastighed. Dette skyldes, at kraften, der virker på partiklen, er vinkelret på partikelens bevægelse, og derfor udfører kraften ingen arbejde på partiklen, så der er ingen ændring i partikelens hastighed.
Men denne kraft, der virker vinkelret på partikelens bevægelse, vil konstant ændre retningen af partikelens bevægelse. Derfor vil partiklen bevæge sig i et cirkulært bane med konstant radius og konstant hastighed i feltet.
Hvis radius af den cirkulære bevægelse er R meter, så
Nu,
Derfor afhænger bevegelsesradius af partikelens hastighed.
Vinkelhastighed og tidsperiode er konstante.
Grundlæggende principper for Cyclotron
Dette koncept om bevægelse af ladede partikler i et magnetfelt blev succesfuldt anvendt i en apparatur kaldet cyclotron. Konceptuelt er dette apparat meget simpelt, men det har store anvendelser inden for ingeniørvidenskab, fysik og medicin. Det er en enhed, der accelererer ladede partikler. Bevægelsen af den ladete partikel under vinkelret magnetfelt anvendes udelukkende i apparaturet kaldet cyclotron.
Konstruktion af Cyclotron
Dette apparat har tre hovedkonstruktionsdele
Et stort elektromagnet til at skabe et uniformt magnetfelt mellem dets to ansigt-til-ansigt placerede magnetisk modsatte poler.
To lavdelede hule halvcylindere lavet af højtledende metaller. Disse komponenter i cyclotron kaldes Dees.
En højfrekvens-alternativ høj spændingskilde.
Konstruktionsdetaljer
Dees er placeret ansigt-til-ansigt mellem elektromagnetens poler. Dees er placeret sådan, at den rette kant vil være ansigt-til-ansigt med en lille spalte imellem dem. Magnetfloden fra elektromagnetet skærer disse Dees præcis vinkelret. Nu er disse to Dees forbundet til to terminaler af en alternativ spændingskilde, så hvis den ene Dee er i positiv potential, vil den anden være i præcis modsat negativ potential samtidig. Da kilden er alternativ, bliver potentialerne af Dees ændret i henhold til kildens frekvens. Hvis en ladet partikel kastes fra et punkt nær centrum af en Dee med en vis hastighed V1. Efter at partiklen nu bevæger sig vinkelret på det eksternt anvendte magnetfelt, vil der ikke være nogen ændring i hastigheden, men den ladete partikel vil følge en cirkulær bane med radius
Hvor m gram er massen og q coulomb er ladningen af den kastede partikel, og B Weber/meter2 er fluxtætheden af det eksternt anvendte vinkelrette magnetfelt.
Efter at have bevæget π radianer eller 180o med radius R1 kommer den ladete partikel til kanten af Dee. Tidsperioden og frekvensen af den anvendte spændingskilde
