ساختار پایه‌ای سیکلوترون چیست
قبل درک اصل کار سیکلوترون، لازم است نیروی وارد بر ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی و همچنین حرکت ذره باردار در میدان مغناطیسی را درک کنیم.
نیروی وارد بر ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی
وقتی یک هادی الکتریکی با طول L متر و جریان I آمپر به صورت عمودی در میدان مغناطیسی با چگالی شار B وبر بر متر مربع قرار داده شود، نیرو یا به عبارتی نیروی مغناطیسی وارد بر هادی خواهد بود
حال فرض کنید که N تعداد ذرات الکترونی آزاد در هادی با طول L متر وجود دارد که باعث جریان I آمپر می‌شوند.
که در آن e بار الکتریکی یک الکترون است و برابر با 1.6 × 10-19 کولوم است.
حال از معادلات (1) و (2) داریم
در اینجا، N تعداد الکترون‌ها باعث جریان I آمپر می‌شوند و فرض کنید که آنها در زمان t طول L متر را می‌پیمایند، بنابراین سرعت افت الکترون‌ها خواهد بود
از معادلات (3) و (4)، داریم
این نیروی وارد بر N تعداد الکترون‌ها در میدان مغناطیسی است، بنابراین نیروی وارد بر یک الکترون در آن میدان مغناطیسی خواهد بود
حرکت ذره باردار در میدان مغناطیسی
وقتی یک ذره باردار در میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، دو حالت حدی وجود دارد. ذره یا به موازات میدان مغناطیسی حرکت می‌کند یا به صورت عمودی بر میدان مغناطیسی.
وقتی ذره به موازات محور میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، نیروی مغناطیسی وارد بر آن،
بنابراین هیچ نیرویی روی ذره وارد نخواهد شد، بنابراین سرعت ذره تغییر نمی‌کند و به صورت خطی با سرعت ثابت حرکت می‌کند.
اکنون اگر ذره باردار به صورت عمودی بر میدان مغناطیسی حرکت کند، سرعت ذره تغییر نخواهد کرد. این به این دلیل است که نیروی وارد بر ذره عمود بر حرکت ذره است و بنابراین نیروی وارد شده هیچ کاری روی ذره انجام نمی‌دهد و بنابراین سرعت ذره تغییر نمی‌کند.
اما این نیروی وارد بر ذره عمود بر حرکت آن است و جهت حرکت ذره به طور مداوم تغییر می‌کند. بنابراین ذره در میدان با شعاع ثابت و سرعت ثابت به صورت دایره‌ای حرکت می‌کند.
اگر شعاع حرکت دایره‌ای R متر باشد
حال،
بنابراین شعاع حرکت به سرعت حرکت بستگی دارد.
سرعت زاویه‌ای و دوره زمانی ثابت هستند.
اصول پایه‌ای سیکلوترون
این مفهوم حرکت ذره باردار در میدان مغناطیسی در دستگاهی به نام سیکلوترون به کار گرفته شد. مفهومی این دستگاه بسیار ساده است اما کاربردهای زیادی در زمینه‌های مهندسی، فیزیک و پزشکی دارد. این یک دستگاه شتاب‌دهنده ذرات باردار است. حرکت ذره باردار تحت میدان مغناطیسی عمودی تنها در دستگاهی به نام سیکلوترون به کار گرفته شده است.
ساختار سیکلوترون
این دستگاه سه بخش اصلی ساختاری دارد
الکترومغناطیس بزرگ‌اندازه برای ایجاد میدان مغناطیسی یکنواخت بین دو قطب مغناطیسی مقابل هم.
دو نیمه‌استوانه‌ای کوتاه از فلزات با رسانایی بالا. این اجزای سیکلوترون به نام "Dees" شناخته می‌شوند.
منبع ولتاژ متناوب با فرکانس بالا.
جزئیات ساختاری
Dees به صورت مقابل در بین قطب‌های الکترومغناطیسی قرار داده شده‌اند. Dees به گونه‌ای قرار داده شده‌اند که لبه‌های مستقیم آنها با فاصله کوچکی رو به رو با هم قرار داشته باشند. همچنین میدان مغناطیسی الکترومغناطیس به صورت دقیقاً عمود بر Dees قطع می‌شود. حال این دو Dees به دو ترمینال منبع ولتاژ متناوب متصل شده‌اند به طوری که اگر یک Dees در پتانسیل مثبت باشد، دیگری در پتانسیل منفی دقیقاً مخالف در همان زمان خواهد بود. با توجه به تناوب منبع، پتانسیل Dees به ترتیب تغییر می‌کند. حال اگر یک ذره باردار با سرعت V1 از نقطه‌ای نزدیک به مرکز یک Dees پرتاب شود. چون حرکت ذره به صورت عمود بر میدان مغناطیسی خارجی است، سرعت تغییر نخواهد کرد اما ذره مسیر دایره‌ای با شعاع
که در آن m گرم جرم و q کولوم بار ذره پرتاب شده و B وبر بر متر مربع چگالی شار میدان مغناطیسی خارجی است.
بعد از حرکت π رادیان یا 180o با شعاع R1 ذره باردار به لبه Dees می‌رسد. حال دوره زمانی و فرکانس منبع ولتاژ به گونه‌ای تنظیم شده است که با دوره زمانی حرکت دایره‌ای همخوانی داشته باشد
