Wat is de basisconstructie van een cyclotron?
Voordat we het basisprincipe van de Cyclotron begrijpen, is het nodig om de kracht op een bewegend geladen deeltje in een magnetisch veld en ook de beweging van het geladen deeltje in het magnetisch veld te begrijpen.
Kracht op een bewegend geladen deeltje in een magnetisch veld
Wanneer een stroomvoerende geleider met lengte L meter en stroom I ampère loodrecht in een magnetisch veld van fluxdichtheid B Weber per vierkante meter wordt geplaatst, dan zou de kracht, of liever gezegd de magnetische kracht, die op de geleider werkt
Laten we nu aannemen dat er in totaal N aantal mobiele vrije elektronen in de geleider liggen over een lengte L meter, waardoor een stroom I ampère ontstaat.
Waarbij e de elektrische lading van één elektron is en deze 1,6 × 10-19 coulomb bedraagt.
Uit vergelijking (1) en (2) krijgen we
Hierbij veroorzaken N elektronen een stroom I ampère, en laten we aannemen dat ze een afstand L meter in tijd t afleggen, dus de driftsnelheid van de elektronen zou zijn
Uit vergelijking (3) en (4) krijgen we
Dit is de kracht die op N aantal elektronen in het magnetisch veld werkt, dus de kracht op één elektron in dat magnetisch veld kan zijn
Beweging van een geladen deeltje in een magnetisch veld
Wanneer een geladen deeltje zich in een magnetisch veld beweegt, zijn er uiterste twee condities. Het deeltje beweegt ofwel in de richting van het magnetisch veld ofwel loodrecht op het magnetisch veld.
Wanneer het deeltje zich langs de as van de richting van het magnetisch veld beweegt, is de magnetische kracht die op het deeltje werkt,
Er zal dus geen kracht op het deeltje werken, dus geen verandering in de snelheid van het deeltje, en daarom beweegt het in een rechte lijn met constante snelheid.
Als het geladen deeltje loodrecht op het magnetisch veld beweegt, zal er geen verandering in de snelheid van het deeltje optreden. Dit komt omdat de kracht die op het deeltje werkt, loodrecht staat op de beweging van het deeltje, waardoor de kracht geen werk verricht op het deeltje, zodat er geen verandering in de snelheid van het deeltje optreedt.
Maar deze kracht die loodrecht op de beweging van het deeltje werkt, zal de richting van de beweging van het deeltje continu veranderen. Als gevolg hiervan zal het deeltje in een cirkelvormige baan met constante straal en constante snelheid in het veld bewegen.
Als de straal van de cirkelbeweging R meter is, dan
Nu,
De straal van de beweging hangt af van de snelheid van de beweging.
De hoeksnelheid en de periode zijn constant.
Basisprincipes van de Cyclotron
Het concept van de beweging van een geladen deeltje in een magnetisch veld werd succesvol toegepast in een apparaat genaamd cyclotron. Conceptueel is dit apparaat zeer eenvoudig, maar het heeft enorme toepassingen in de vakgebieden van techniek, natuurkunde en geneeskunde. Dit is een apparaat voor het versnellen van geladen deeltjes. De beweging van het geladen deeltje onder een loodrechte magnetische veld wordt uitsluitend toegepast in het apparaat genaamd cyclotron.
Constructie van de Cyclotron
Dit apparaat heeft in principe drie belangrijke constructieonderdelen
Een grote elektromagneet om een uniform magnetisch veld tussen de twee tegenovergestelde magnetische polen te creëren.
Twee laag gebogen halve cilinders gemaakt van hooggeleidende metalen. Deze componenten van de cyclotron worden Dees genoemd.
Een hoge frequentie wisselspanningsbron met hoge spanning.
Constructiedetails
De Dees worden tegenover elkaar geplaatst tussen de magnetische polen van de elektromagneet. De Dees zijn zo geplaatst dat de rechte randen met een kleine kier tegenover elkaar staan. Ook snijdt de magnetische flux van de elektromagneet deze Dees exact loodrecht. Nu zijn deze twee Dees verbonden met de twee terminals van een wisselspanningsbron, zodat als één Dee positief geladen is, de andere precies tegengesteld negatief geladen is op hetzelfde moment. Aangezien de bron wisselspanning is, worden de potentiaalverschillen van de Dees aangepast volgens de frequentie van de bron. Als nu een geladen deeltje met bepaalde snelheid V1 vanaf een punt nabij het centrum van één Dee wordt geworpen, zal, aangezien de beweging van het deeltje nu loodrecht staat op het externe magnetisch veld, er geen verandering in de snelheid optreden, maar het geladen deeltje zal een cirkelvormige baan met straal volgen
Waarbij m gram de massa en q coulomb de lading van het geworpen deeltje is en B Weber/meter2 de fluxdichtheid van het externe loodrechte magnetisch veld is.
Nadat het π radialen of 180o met straal R1 heeft afgelegd, komt het geladen deeltje aan de rand van de Dee. Nu is de periode en frequentie van de toegepaste spanningsbron aangepast aan de periode van de cirkelbeweging, namelijk
