מהו הבנייה הבסיסית של ציקלוטרון?

לפני הבנת העקרונות הבסיסיים של עבודת הציקלוטרון יש להבין את הכוח על חלקיק טעון הנע בשדה מגנטי וכן את תנועת החלקיק הטעון בשדה המגנטי.

כוח על חלקיק טעון הנע בשדה מגנטי

כאשר מוביל נושא זרם באורך L מטר עם זרם I אמפר ממוקם מאונך בשדה מגנטי עם צפיפות זרימה B ובר למטר מרובע, אז הכוח, או יותר נכון הכוח המגנטי שפועל על המוביל יהיה

נניח שיש N מספר של אלקטרונים חופשיים במוביל באורך L מטר המגינים על זרם I אמפר.

כאשר e הוא המטען החשמלי של אלקטרון אחד והוא 1.6 × 10-19 קולון.
מתוך המשוואות (1) ו-(2) מקבלים

כאן, N מספר של אלקטרונים הגורמים לזרם I אמפר, ויחשבו שהם עוברים מרחק L מטר בזמן t, לכן מהירות הדריפט של האלקטרונים תהיה

מתוך המשוואות (3) ו-(4), מקבלים

זהו הכוח שפועל על N מספר של אלקטרונים בשדה המגנטי, ולכן הכוח על אלקטרון בודד בשדה המגנטי יכול להיות

תנועה של חלקיק טעון בשדה מגנטי

כאשר חלקיק טעון נע בשדה מגנטי, יהיו שני מצבים קיצוניים. החלקיק נע לאורך כיוון השדה המגנטי או שהוא נע מאונך לשדה המגנטי.
כאשר החלקיק נע לאורך ציר כיוון השדה המגנטי, הכוח המגנטי שפועל עליו,

ולכן לא יהיה כוח שפועל על החלקיק, ולא יהיה שינוי במהירות החלקיק והוא ינוע בקו ישר במהירות קבועה.

אם החלקיק הטעון נע מאונך לשדה המגנטי, לא יהיה שינוי במהירות החלקיק. זה כי הכוח שפועל על החלקיק מאונך לתנועת החלקיק ולכן הכוח לא יבצע עבודה על החלקיק ולא יהיה שינוי במהירות החלקיק.
אבל הכוח שפועל על החלקיק מאונך לתנועתו והכיוון של תנועת החלקיק ישתנה באופן מתמיד. כתוצאה מכך החלקיק ינוע במסלול מעגלי ברדיוס קבוע במהירות קבועה.
אם רדיוס התנועה המעגלית הוא R מטר אז

עכשיו,

ולכן רדיוס התנועה תלוי במהירות התנועה.
מהירות זוויתית ותקופת זמן הן קבועות.

עקרונות בסיסיים של ציקלוטרון

המושג של תנועת חלקיק טעון בשדה מגנטי נוצל בהצלחה במכשיר בשם ציקלוטרון. מושגית המכשיר פשוט מאוד אך יש לו שימושים עצומים בתחום ההנדסה, הפיזיקה והרפואה. זהו מכשיר להאצת חלקיקים טעונים. תנועת החלקיק הטעון תחת השדה המגנטי מאונך היא זו שהוזכרה במכשיר בשם ציקלוטרון.

בניית ציקלוטרון

המכשיר כולל שלושה חלקים בנייה עיקריים

1. אלקטרומגנט גדול ליצור שדה מגנטי אחיד בין שני קטבים מגנטיים מנוגדים הנמצאים מול פנים מול פנים.

   
   

2. שני חצאי צינור גבהים נמוכים עשויים מתכת בעלת נוהליות גבוהה. אלו הם מרכיבי הציקלוטרון שנקראים דיסות.

   
   

3. מקור מתח חילופין בתדר גבוה ומשתנה.

פרטי בניית

הדיסות מונחים מול פנים מול פנים בין הקטבים האלקטרומגנטיים. הדיסות מונחים כך שצלע ישרה תהיה מול פנים מול פנים עם פער קטן ביניהם. גם השדה המגנטי של האלקטרומגנט חותך את הדיסות בדיוק מאונך. עכשיו שני הדיסות מחוברים לשני טרמינלים של מקור מתח חילופין כך שאם דיס אחד נמצא במתח חיובי, השני יהיה במתח שלילי מדויק באותו זמן. מכיוון שהמקור הוא חילופין, המתח של הדיסות משתנה בהתאם לתדר של המקור. עכשיו אם חלקיק טעון מושלך מנקודה קרובה למרכז אחד מדיסות במהירות V1. מכיוון שהתנועה של החלקיק עכשיו מאונכת לשדה המגנטי החיצוני, לא יהיה שינוי במהירות אך החלקיק הטעון יתנהג במסלול מעגלי ברדיוס
כאשר m גרם הוא המסה וq קולון הוא המטען של החלקיק שנשלח ובWeber/metre2 הוא צפיפות הזרם של השדה המגנטי החיצוני המאונך.
אחרי נסיעה של π רדיאנים או 180o ברדיוס R1 החלקיק הטעון מגיע לקצה הדיס. עכשיו תקופת הזמן והתדר של המקור המתח החילופין מותאמים לתקופת התנועה המעגלית שהיא
ש这样一来，翻译就完成了。请确认是否需要进一步的调整或有其他内容需要翻译。