Quelle est la construction de base du cyclotron?
Avant de comprendre le principe de fonctionnement de base du cyclotron, il est nécessaire de comprendre la force exercée sur une particule chargée en mouvement dans un champ magnétique et aussi le mouvement de la particule chargée dans le champ magnétique.
Force exercée sur une particule chargée en mouvement dans un champ magnétique
Lorsqu'un conducteur porteur de courant conducteur de longueur L mètres avec un courant I ampères placé perpendiculairement dans un champ magnétique de densité de flux B Weber par mètre carré, alors la force, ou plutôt la force magnétique agissant sur le conducteur serait
Maintenant, supposons qu'il y ait un total de N électrons libres mobiles dans le conducteur sur une longueur L mètres causant un courant I ampères.
Où e est la charge électrique d'un électron et elle est de 1,6 × 10-19 coulombs.
Maintenant, à partir des équations (1) et (2), nous obtenons
Ici, N électrons causent un courant I ampères, et supposons qu'ils parcourent une longueur L mètres en temps t, donc la vitesse de dérive des électrons serait
À partir des équations (3) et (4), nous obtenons
C'est la force agissant sur N électrons dans le champ magnétique, donc la force sur un seul électron dans ce champ magnétique peut être
Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique
Lorsqu'une particule chargée se déplace dans un champ magnétique, il y a deux conditions extrêmes. La particule se déplace soit dans la direction du champ magnétique, soit perpendiculairement au champ magnétique.
Lorsque la particule se déplace selon l'axe de la direction du champ magnétique, la force magnétique qui s'exerce sur elle,
Il n'y aura donc aucune force agissant sur la particule, donc aucune modification de la vitesse de la particule et elle se déplacera en ligne droite avec une vitesse constante.
Si maintenant la particule chargée se déplace perpendiculairement au champ magnétique, il n'y aura pas de changement dans la vitesse de la particule. Cela est dû au fait que la force agissant sur la particule est perpendiculaire au mouvement de la particule, donc la force ne fera aucun travail sur la particule, il n'y aura donc aucun changement dans la vitesse de la particule.
Mais cette force agissant perpendiculairement au mouvement de la particule modifie continuellement la direction du mouvement de la particule. En conséquence, la particule se déplacera en suivant une trajectoire circulaire de rayon constant avec une vitesse constante.
Si le rayon du mouvement circulaire est R mètres, alors
Maintenant,
Le rayon du mouvement dépend donc de la vitesse du mouvement.
La vitesse angulaire et la période sont constantes.
Principes de base du cyclotron
Ce concept de mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique a été appliqué avec succès dans un appareil appelé cyclotron. Conceptuellement, cet appareil est très simple, mais il a de nombreuses utilisations dans les domaines de l'ingénierie, de la physique et de la médecine. C'est un dispositif d'accélération de particules chargées. Le mouvement de la particule chargée sous un champ magnétique perpendiculaire est uniquement appliqué dans l'appareil nommé cyclotron.
Construction du cyclotron
Cet appareil a essentiellement trois parties de construction principales
Un électroaimant de grande taille pour créer un champ magnétique uniforme entre ses deux pôles magnétiques opposés placés face à face.
Deux demi-cylindres creux de faible hauteur fabriqués à partir de métaux à haute conductivité. Ces composants du cyclotron sont appelés Dees.
Une source de tension alternative haute fréquence à haute tension.
Détails de construction
Les Dees sont placés face à face entre les pôles électromagnétiques. Les Dees sont disposés de telle sorte que leurs bords droits soient face à face avec un petit espace entre eux. De plus, le flux magnétique de l'électroaimant coupe exactement ces Dees perpendiculairement. Maintenant, ces deux Dees sont connectés aux deux bornes d'une source de tension alternative, de sorte que si un Dee est en potentiel positif, l'autre sera en potentiel négatif exactement opposé au même moment. Comme la source est alternative, le potentiel des Dees est modifié selon la fréquence de la source. Si maintenant une particule chargée est lancée d'un point proche du centre d'un Dee avec une certaine vitesse V1. Comme le mouvement de la particule est maintenant perpendiculaire au champ magnétique externe appliqué, il n'y aura pas de changement de vitesse, mais la particule chargée suivra un chemin circulaire de rayon
Où m gramme est la masse et q coulomb est la charge de la particule lancée et B Weber/mètre2 est la densité de flux du champ magnétique externe appliqué perpendiculairement.
Après avoir parcouru π radians ou 180o avec un rayon R1, la particule chargée arrive au bord du Dee. À présent, la période et la fréquence de la source de tension alternative sont ajustées avec la période du mouvement circulaire, c'est-à-dire
Ainsi, la polarité de l'autre Dee devient opposée à celle de la charge de la particule. Par conséquent, en raison de l'attraction du Dee devant la particule en mouvement et aussi en raison de la répulsion du Dee dans lequel la particule se trouve, la particule gagne une énergie cinétique supplémentaire.
Où ν1 est la vitesse de la particule dans le précédent Dee et ν2 est la vitesse de la particule dans le Dee suivant. À présent, la particule se déplacera avec cette vitesse plus grande avec un rayon R2 mètres.
