چه چیزی ساختار پایه‌ای سیکلوترون است
قبل فهم مبدأ العمل الأساسي لـ Cyclotron، من الضروري فهم القوة المؤثرة على جسيم مشحون في حركة داخل المجال المغناطيسي وكذلك حركة الجسيم المشحون في المجال المغناطيسي.
القوة المؤثرة على جسيم مشحون في حركة داخل المجال المغناطيسي
عندما يتم وضع موصل يحمل تياراً موصل كهربائي بطول L متر وتيار I أمبير بشكل عمودي في مجال مغناطيسي بكثافة تدفق B ويبير لكل متر مربع، فإن القوة أو ما يمكن تسميتها بالقوة المغناطيسية المؤثرة على الموصل ستكون
الآن، دعونا نفترض أن هناك إجمالي N عدد من الإلكترونات الحرة المتحركة في الموصل الكهربائي بطول L متر تسبب التيار I أمبير.
حيث e هو الشحنة الكهربائية للكترون واحد وهي 1.6 × 10-19 كولوم.
الآن من المعادلة (1) و (2) نحصل على
هنا، عدد N من الإلكترونات تسبب التيار I أمبير، وافترض أنهم يسافرون طول L متر في الوقت t، لذلك سيكون سرعة الانجراف للإلكترونات
من المعادلة (3) و (4)، نحصل على
هذه هي القوة المؤثرة على N عدد من الإلكترونات في المجال المغناطيسي وبالتالي القوة المؤثرة على إلكترون واحد في ذلك المجال المغناطيسي ستكون
حركة جسيم مشحون في المجال المغناطيسي
عندما يتحرك جسيم مشحون في المجال المغناطيسي، سيكون هناك شرطان متطرفان. إما أن يتحرك الجسيم في اتجاه المجال المغناطيسي أو يتحرك بشكل عمودي عليه.
عندما يتحرك الجسيم على محور اتجاه المجال المغناطيسي، القوة المغناطيسية المؤثرة عليه ستكون
وبالتالي لن تكون هناك قوة مؤثرة على الجسيم، ولن يكون هناك تغيير في سرعة الجسيم وبالتالي سيتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة.
الآن إذا تحرك الجسيم المشحون بشكل عمودي على المجال المغناطيسي فلن يكون هناك تغيير في سرعة الجسيم. هذا لأن القوة المؤثرة على الجسيم تكون عمودية على حركة الجسيم وبالتالي لن تقوم بأي عمل على الجسيم ولن يكون هناك تغيير في سرعته.
لكن هذه القوة المؤثرة على الجسيم بشكل عمودي على حركته ستتغير باستمرار. وبذلك سيتحرك الجسيم في دائرة ذات نصف قطر ثابت بسرعة ثابتة.
إذا كان نصف قطر الدائرة R مترًا
الآن،
وبالتالي يعتمد نصف قطر الحركة على سرعة الحركة.
تكون السرعة الزاوية والزمن الدوري ثابتين.
المبادئ الأساسية لـ Cyclotron
تم استخدام هذا المفهوم الخاص بحركة الجسيم المشحون في المجال المغناطيسي بنجاح في جهاز يسمى Cyclotron. من الناحية المفاهيمية، هذا الجهاز بسيط جداً ولكنه له استخدامات هائلة في مجالات الهندسة والفيزياء والطب. إنه جهاز لتسريع الجسيمات المشحونة. يتم تطبيق حركة الجسيم المشحون تحت المجال المغناطيسي العمودي فقط في الجهاز المسمى Cyclotron.
بناء Cyclotron
هذا الجهاز أساساً يحتوي على ثلاثة أجزاء رئيسية
مغناطيس كهربائي كبير لإنشاء مجال مغناطيسي منتظم بين قطبيه المغناطيسيين المواجهين.
اثنان من الأسطوانات الفارغة ذات ارتفاع منخفض مصنوعة من المعادن الموصلة عالي الجودة. يُطلق على هذه المكونات من Cyclotron اسم Dees.
مصدر تيار عالي التردد ذو جهد عالٍ.
تفاصيل البناء
تم وضع Dees وجهًا لوجه بين قطبي المغناطيس الكهربائي. تم وضع Dees بحيث يكون الحافة المستقيمة مواجهة مع فجوة صغيرة بينهما. كما أن تدفق المجال المغناطيسي للمغناطيس الكهربائي يقطع Dees بشكل عمودي تمامًا. الآن تم ربط هذين Dees بطرفين لمصدر جهد متردد بحيث إذا كان أحد Dees في الجهد الإيجابي سيكون الآخر في الجهد السلبي المقابل في نفس الوقت. بما أن المصدر متردد، سيتم تغيير الجهد لـ Dees وفقًا لتواتر المصدر. الآن إذا تم إطلاق جسيم مشحون من نقطة قريبة من مركز أحد Dees بسرعة معينة V1. بما أن حركة الجسيم الآن عمودية على المجال المغناطيسي الخارجي المطبق، لن يكون هناك تغيير في السرعة ولكن الجسيم المشحون سيتبع مسارًا دائريًا بنصف قطر
حيث m غرام هو الكتلة و q كولوم هو الشحنة للجسيم الملقى و B ويبير/متر2 هو كثافة التدفق للمجال المغناطيسي الخارجي المطبق عمودياً.
بعد السفر π راديان أو 180° بنصف قطر R1 يأتي الجسيم المشحون إلى حافة Dee. الآن تم ضبط الفترة الزمنية وتواتر المصدر لمصدر الجهد بحيث تكون الفترة الزمنية للحركة الدائرية
بحيث تصبح قطبية Dee الأخرى معاكسة لشحنة الجسيم. وبالتالي، بسبب جذب Dee الموجود أمام الجسيم المتحرك وكذا بسبب الرفض لـ Dee الذي يوجد فيه الجسيم حالياً، يحصل الجسيم على طاقة حركية إضافية.
حيث ν1 هي سرعة الجسيم في Dee السابق و ν2 هي سرعة الجسيم في Dee التالي. الآن سيتحرك الجسيم بهذه السرعة الأكبر بنصف قطر R2 متر.
مرة أخرى بسبب المجال المغناطيسي الخارجي العمودي الثابت، يسافر الجسيم نصف دورة أخرى بهذا النصف قطر الجديد R
