サイクロトロンの基本構造とは何か
サイクロトロンの基本的な動作原理を理解する前に、磁場内の運動電荷に働く力とその運動について理解する必要があります。磁場における運動電荷の動きについても理解する必要があります。
磁場内の運動電荷に働く力
電流が流れる導体が長さLメートルで、電流Iアンペアであり、磁束密度Bウェーバー/平方メートルの磁場に垂直に配置されている場合、導体に作用する磁力は以下のようになります。
次に、長さLメートルの導体にN個の移動可能な自由電子があり、それらが電流Iアンペアを生じているとします。
ここで、eは電子の電荷で、1.6 × 10-19クーロンです。
式（1）と（2）から
ここで、N個の電子が電流Iアンペアを生じ、それらが時間tで長さLメートルを移動するとします。したがって、電子のドリフト速度は
式（3）と（4）から
これは、磁場内のN個の電子に作用する力であり、その磁場内で単一の電子に作用する力は
磁場内の電荷粒子の運動
電荷粒子が磁場内を運動するとき、極端な二つの条件があります。粒子は磁場の方向に沿って運動するか、または磁場に対して垂直に運動します。
粒子が磁場の方向に沿って運動するとき、それに作用する磁力は
したがって、粒子には力が作用せず、粒子の速度は変化せず、一定の速度で直線運動します。
次に、電荷粒子が磁場に対して垂直に運動する場合、粒子の速度は変化しません。これは、粒子に作用する力が粒子の運動方向に対して垂直であるため、力は粒子に対して仕事を行わず、粒子の速度は変化しないからです。
しかし、この力は粒子の運動方向に対して垂直に作用し、粒子の運動方向は常に変化します。結果として、粒子は一定の半径と一定の速度で円軌道を描きます。
円運動の半径がRメートルの場合
次に
したがって、運動の半径は運動の速度に依存します。
角速度と周期は一定です。
サイクロトロンの基本原理
磁場内の電荷粒子の運動の概念は、サイクロトロンという装置で成功裏に応用されました。この装置は概念的には非常に単純ですが、工学、物理学、医学の分野で大きな用途を持っています。これは電荷粒子を加速する装置です。電荷粒子が垂直な磁場下での運動は、サイクロトロンという装置で完全に適用されています。
サイクロトロンの構造
この装置には主に三つの構造部品があります。
均一な磁場を両対面配置された磁石の間で生成する大型の電磁石。
高伝導性金属製の低高さの中空半円筒。これらのサイクロトロンの部品はデーズと呼ばれます。
高周波の交流高電圧源。
構造詳細
デーズは、電磁石の両極間に面対面で配置され、直線エッジが小さな隙間を挟んで向かい合います。また、電磁石の磁束はデーズに対して正確に垂直に切ります。次に、これらの二つのデーズは交流電圧源の二つの端子に接続され、一方のデーズが正の電位を持つとき、もう一方のデーズは同時に負の電位を持つように調整されます。電源が交流であるため、デーズの電位は電源の周波数に応じて変化します。次に、あるデーズの中心近くから一定の速度V1で電荷粒子を投げ込みます。粒子の運動が外部に適用された磁場に対して垂直であるため、速度は変化しませんが、電荷粒子は半径
ここで、mグラムは質量、qクーロンは投げ込まれた粒子の電荷、Bウェーバー/平方メートルは外部に適用された垂直磁場の磁束密度です。
πラジアンまたは180度を半径R1で移動した後、電荷粒子はデーズの端に到達します。ここで、適用された電圧源の周期と周波数は、円運動の周期と一致するように調整されます。
これにより、他のデーズの極性が粒子の電荷と反対になるため、前方のデーズによる引き寄せと現在のデーズからの反発により、粒子は追加の運動エネルギーを得ます。
ここで、ν
