Was ist die Grundkonstruktion eines Zyklotrons?
Bevor man das grundlegende Arbeitsprinzip des Zyklotrons verstehen kann, ist es notwendig, die Kraft auf ein sich bewegendes geladenes Teilchen in einem Magnetfeld und auch die Bewegung des geladenen Teilchens im Magnetfeld zu verstehen.
Kraft auf ein sich bewegendes geladenes Teilchen in einem Magnetfeld
Wenn ein Strom tragender Leiter der Länge L Meter mit einem Strom von I Ampere senkrecht in ein Magnetfeld mit einer Flussdichte B Weber pro Quadratmeter platziert wird, dann wäre die Kraft, genauer gesagt die magnetische Kraft, die auf den Leiter wirkt
Nun betrachten wir, dass insgesamt N Anzahl mobil freier Elektronen in dem Leiter liegen, die eine Länge von L Metern haben und einen Strom von I Ampere erzeugen.
Dabei ist e die elektrische Ladung eines Elektrons und beträgt 1,6 × 10-19 Coulomb.
Nun erhalten wir aus Gleichung (1) und (2)
Hierbei verursachen N Anzahl von Elektronen einen Strom von I Ampere, und es wird angenommen, dass sie eine Länge von L Metern in der Zeit t zurücklegen, daher wäre die Driftgeschwindigkeit der Elektronen
Aus Gleichung (3) und (4) erhalten wir
Es ist die Kraft, die auf N Anzahl von Elektronen im Magnetfeld wirkt, daher wäre die Kraft auf ein einzelnes Elektron in diesem Magnetfeld
Bewegung eines geladenen Teilchens in einem Magnetfeld
Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt, gibt es zwei extreme Bedingungen. Das Teilchen bewegt sich entweder in Richtung des Magnetfeldes oder es bewegt sich senkrecht dazu.
Wenn das Teilchen entlang der Achse in Richtung des Magnetfeldes bewegt, die auf es wirkende magnetische Kraft,
Daher wirkt keine Kraft auf das Teilchen, es gibt also keine Änderung der Geschwindigkeit des Teilchens und es bewegt sich in gerader Linie mit konstanter Geschwindigkeit.
Nun, wenn sich das geladene Teilchen senkrecht zum Magnetfeld bewegt, dann gibt es keine Änderung der Geschwindigkeit des Teilchens. Dies liegt daran, dass die auf das Teilchen wirkende Kraft senkrecht zur Bewegung des Teilchens ist, wodurch die Kraft keine Arbeit auf das Teilchen leistet und somit keine Änderung der Geschwindigkeit des Teilchens erfolgt.
Aber diese Kraft, die senkrecht zur Bewegung des Teilchens wirkt, ändert ständig die Bewegungsrichtung des Teilchens. Als Ergebnis bewegt sich das Teilchen im Feld auf einem Kreisbogen mit konstantem Radius und konstanter Geschwindigkeit.
Wenn der Radius der kreisförmigen Bewegung R Meter beträgt, dann
Nun,
Der Bewegungsradius hängt also von der Geschwindigkeit ab.
Die Winkelgeschwindigkeit und die Periodendauer sind konstant.
Grundprinzipien des Zyklotrons
Dieses Konzept der Bewegung eines geladenen Teilchens in einem Magnetfeld wurde erfolgreich in einem Gerät namens Zyklotron angewendet. Konzeptionell ist dieses Gerät sehr einfach, hat aber enorme Anwendungen in den Bereichen Ingenieurwesen, Physik und Medizin. Es handelt sich um ein Gerät zur Beschleunigung geladener Teilchen. Die Bewegung des geladenen Teilchens unter senkrechtem Magnetfeld wird ausschließlich in dem Gerät namens Zyklotron angewendet.
Aufbau des Zyklotrons
Dieses Gerät hat im Grunde drei Hauptbauteile
Großer Elektromagnet zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes zwischen seinen beiden gegenüberliegenden magnetischen Polen.
Zwei halbkreisförmige Hohlzylinder aus hochleitfähigen Metallen. Diese Komponenten des Zyklotrons werden als Dees bezeichnet.
Eine hochfrequente Wechselspannungsquelle mit hoher Spannung.
Aufbau-Details
Die Dees sind zwischen den elektromagnetischen Polen gegeneinander angeordnet. Die Dees sind so platziert, dass die gerade Kante gegeneinander steht, mit einem kleinen Abstand dazwischen. Auch schneidet der magnetische Fluss des Elektromagneten diese Dees exakt senkrecht. Nun sind diese beiden Dees an zwei Anschlüsse einer Wechselspannungsquelle angeschlossen, sodass, wenn eines der Dees positiv polarisiert ist, das andere genau im Gegenteil negativ polarisiert ist. Da die Quelle wechselt, ändern sich die Potentiale der Dees entsprechend der Frequenz der Quelle. Wenn nun ein geladenes Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit V
