Mis on tsüklotroni põhiehitus?
Enne, kui mõista tsüklotroni põhiline tööprintsip, on vaja mõista liikuvale laetud osakesele mõjuva jõu ja selle liikumist magnetväel.
Liikuvale laetud osakesele mõjuv jõud magnetväes
Kui elektrivooluga varustatud johtur pikkusega L meetrit ja vooluga I ampeerit asetatakse risti magnetväega B Weberi per meetri ruut, siis johturile mõjuv jõud ehk magnetjõud oleks
Olgu, et johturis on kokku N arv vaba liikuvaid elektronit, mis asuvad pikkuse L meetril ja tekitavad voolu I ampeerit.
Kus e on ühe elektroni laeng, mis on 1.6 × 10-19 kulonit.
Nüüd võrranditest (1) ja (2) saame
Siin, N arv elektrone tekitab voolu I ampeerit, ja eeldame, et nad liiguvad pikkuse L meetri kaugusele aja jooksul t, seega nende elektronide driftkiirus oleks
Võrranditest (3) ja (4) saame
See on jõud, mis mõjub N arvul elektrone magnetväes, seega ühe elektroni jõud selles magnetväes oleks
Laetud osakese liikumine magnetväes
Kui laetud osakes liigub magnetväes, siis on kaks äärmist olukorda. Osakes liigub kas magnetväe suunas või risti magnetväega.
Kui osakes liigub magnetväe suuna teljes, siis temale mõjuv magnetjõud oleks
Seega ei mõjuta osakest jõudu, seega ei muutu osakese kiirus ja see liigub sirgjoones konstantse kiirusega.
Nüüd, kui laetud osakes liigub risti magnetväega, siis osakese kiirus ei muutu. See on selle tõttu, et osakesele mõjuv jõud on risti tema liikumise suunaga, seega jõud ei tee osakesele tööd ja seega ei muutu osakese kiirus.
Aga see jõud, mis mõjub osakesele risti tema liikumise suunaga, muutub pidevalt. Tulemuseks liigub osakes magnetväes ringjoones konstantse raadiuse ja konstantse kiirusega.
Kui ringjoone liikumise raadius on R meetrit, siis
Nüüd,
Seega sõltub liikumise raadius osakese kiirusest.
Kulmi kiirus ja periood on konstandid.
Tsüklotroni põhiline printsip
Selle laetud osakese liikumise käsitlusega magnetväes on edukalt kasutatud seadmes, mida nimetatakse tsüklotroniks. Konseptsiooniliselt on see seade väga lihtne, kuid tal on suurepärane kasutusinseneri-, füüsika- ja meditsiini valdkonnas. See on laetud osakete kiirendamise seade. Laetud osake liigub risti magnetväega ja seda käsitlust rakendatakse täpselt tsüklotronis.
Tsüklotroni ehitamine
See seade omab kolme peamist ehituslikku osa
Suur elektromagnet, mis loob ühtlase magnetväe oma vastastikku asetsevate magneetsete poolte vahel.
Kaks madala kõrgusega tühi poolikke silindrit, mis on valmistatud kõrgele juhivusega metallidest. Neid komponente tsüklotronis nimetatakse Deedeks.
Kõrge sagedusega alterneeruv pingevooallikas.
Ehituslikud üksikasjad
Deed on paigutatud näokohal elektromagnetide poolte vahel. Deed on nii paigutatud, et nende sirged servad on näokohal, vahel on väike lõik. Samuti lõikab elektromagneti magnetfluss need Deed täpselt risti. Nüüd need kaks Deed on ühendatud alterneeruva pingevooallika kahele terminaalile, nii et kui üks Deed on positiivsel potentsiaalil, siis teine on täpselt vastupidisel negatiivsel potentsiaalil samal ajal. Kuna allikas on alterneeruv, muutub Deede potentsiaal vastavalt allika sagedusele. Kui nüüd laetud osake visatakse ühest Deedist keskel olevast punktist kindla kiirusega V1. Kuna osake liigub risti väliselt rakendatud magnetväega, siis kiiruse muutumist ei toimu, kuid laetud osake jälgib ringjoont, mille raadius on
Kus m grammi on visatatud osake mass, q kulonit on laeng ja B Weber/meeter2 on rakendatud risti magnetväe fluxitihekus.
Pi radiaani ehk 180o liikudes raadiusega R1 jõuab laetud osake Dee serva. Nüüd rakendatud pingevooallika periood ja sagedus on nii reguleeritud, et neid vastavalt ringjoone liikumise perioodile, mis on
Et teine Dee saaks vastupidise polaarsuse osakese laenguga. Seetõttu saab liikuva osakese lisakingimusenergiat Dee eesoleva atraktiivsuse ja Dee, kus osakes praegu asub, repulsiooni tõttu.
