Apakah Struktur Asas Siklotron?
Sebelum memahami prinsip asas Cyclotron, perlu dipahami dahulu daya yang bertindak pada zarah bercas yang bergerak dalam medan magnetik dan juga gerakan zarah bercas dalam medan magnetik tersebut.
Daya yang Bertindak pada Zarah Bercas yang Bergerak dalam Medan Magnetik
Apabila konduktor yang membawa arus konduktor dengan panjang L meter dan arus I amper ditempatkan secara tegak lurus dalam medan magnetik dengan ketumpatan fluks B Weber per meter persegi, maka daya atau lebih tepatnya daya magnet yang bertindak pada konduktor tersebut akan menjadi
Sekarang, mari kita pertimbangkan terdapat total N jumlah elektron bebas yang mudah bergerak dalam konduktor sepanjang L meter yang menyebabkan arus I amper.
Di mana, e adalah cas elektrik satu elektron dan ia adalah 1.6 × 10-19 coulomb.
Sekarang dari persamaan (1) dan (2) kita dapat
Di sini, N jumlah elektron yang menyebabkan arus I amper, dan anggap mereka bergerak sejauh L meter dalam masa t, maka halaju hanyutan elektron tersebut akan menjadi
Dari persamaan (3) dan (4), kita dapat
Ini adalah daya yang bertindak pada N jumlah elektron dalam medan magnetik, oleh itu daya pada satu elektron dalam medan magnetik tersebut boleh menjadi
Gerakan Zarah Bercas dalam Medan Magnetik
Apabila zarah bercas bergerak dalam medan magnetik, akan ada dua keadaan ekstrem. Zarah tersebut bergerak sama ada sepanjang arah medan magnetik atau ia bergerak tegak lurus kepada medan magnetik.
Apabila zarah bergerak sepanjang paksi arah medan magnetik, daya magnet yang bertindak padanya,
Oleh itu tidak akan ada daya yang bertindak pada zarah tersebut, oleh itu tidak ada perubahan pada halaju zarah dan oleh itu ia bergerak dalam garis lurus dengan kelajuan malar.
Sekarang jika zarah bercas bergerak tegak lurus kepada medan magnetik, maka tidak akan ada perubahan pada kelajuan zarah. Ini kerana daya yang bertindak pada zarah tersebut adalah tegak lurus dengan gerakan zarah, oleh itu daya tersebut tidak akan melakukan kerja pada zarah, jadi tidak akan ada perubahan pada kelajuan zarah.
Namun, daya ini bertindak pada zarah secara tegak lurus dengan gerakannya dan arah gerakan zarah akan berubah secara berterusan. Akibatnya, zarah tersebut akan bergerak dalam jalur melingkar dengan radius malar dan kelajuan malar.
Jika radius gerakan melingkar adalah R meter maka
Sekarang,
Oleh itu, radius gerakan bergantung pada kelajuan gerakan.
Kelajuan sudut dan tempoh masa adalah malar.
Prinsip Asas Cyclotron
Konsep gerakan zarah bercas dalam medan magnetik ini telah digunakan dengan berjaya dalam sebuah alat yang dipanggil cyclotron. Secara konseptual, alat ini sangat mudah tetapi memiliki penggunaan yang luas dalam bidang kejuruteraan, fizik, dan perubatan. Ini adalah alat untuk mengakselerasi zarah bercas. Gerakan zarah bercas di bawah medan magnetik yang tegak lurus sepenuhnya diterapkan dalam alat bernama cyclotron.
Pembinaan Cyclotron
Alat ini pada dasarnya mempunyai tiga bahagian pembinaan utama
Elektromagnet bersaiz besar untuk mencipta medan magnet seragam di antara dua kutub magnet yang diletakkan berhadapan-hadapan.
Dua silinder setengah kosong yang rendah dibuat daripada logam konduktif tinggi. Komponen-komponen cyclotron ini dipanggil Dees.
Sumber voltan selang-seli frekuensi tinggi yang tinggi.
Butiran Pembinaan
Dees diletakkan berhadapan-hadapan di antara kutub elektromagnet. Dees diletakkan sedemikian rupa, sehingga tepi lurusnya akan berhadapan-hadapan dengan jurang kecil di antara keduanya. Juga, fluks magnet elektromagnet memotong Dees secara tepat tegak lurus. Kini kedua-dua Dees ini disambungkan ke dua terminal sumber voltan selang-seli supaya jika satu Dee berada pada potensial positif, yang lain akan berada pada potensial negatif yang tepat berlawanan pada masa yang sama. Sebagai sumber yang selang-seli, potensial Dees berubah mengikut frekuensi sumber. Kini jika zarah bercas dilemparkan dari satu titik dekat ke pusat salah satu Dees dengan kelajuan V1. Kerana pergerakan zarah kini tegak lurus dengan medan magnetik yang dikenakan, tidak akan ada perubahan pada kelajuan tetapi zarah bercas akan mengikuti jalur melingkar dengan radius
Di mana, m gram adalah jisim dan q coulomb adalah cas zarah yang dilemparkan, dan B Weber/meter2 adalah ketumpatan fluks medan magnet yang dikenakan secara tegak lurus.
Setelah bergerak π radian atau 180o dengan radius R1 zarah bercas datang ke tepi Dee. Kini tempoh masa dan frekuensi sumber voltan disesuaikan dengan tempoh gerakan melingkar, yaitu
Sehingga polariti Dee lain menjadi berlawanan dengan muatan zarah. Oleh itu, kerana tarikan Dee di depan zarah yang bergerak dan juga kerana tolakan Dee di mana zarah tersebut berada, zarah mendapat tenaga kinetik tambahan.
Di mana ν1 adalah kelajuan zarah pada Dee sebelumnya dan ν2 adalah kelajuan zarah di Dee berikutnya. Kini zarah akan bergerak dengan kelajuan yang lebih besar dengan radius R2 meter.
