Co to jest podstawowa konstrukcja cyklotronu
Zanim zrozumie się podstawowy princip działania cyklotronu, konieczne jest zrozumienie siły działającej na ładunek elektryczny w ruchu w polu magnetycznym oraz ruchu ładunku elektrycznego w polu magnetycznym.
Siła działająca na ładunek elektryczny w ruchu w polu magnetycznym
Gdy prądotwórczy przewodnik o długości L metrów z prądem I amperów umieszczony jest prostopadle w polu magnetycznym o gęstości strumienia magnetycznego B Weber na metr kwadratowy, to siła, a raczej siła magnetyczna działająca na przewodnik wynosi
Rozważmy teraz, że w przewodniku o długości L metrów znajduje się N mobilnych elektronów wolnych, powodujących prąd I amperów.
Gdzie e to ładunek elektryczny jednego elektronu i wynosi 1.6 × 10-19 coulomb.
Teraz z równania (1) i (2) otrzymujemy
Tutaj, N elektronów powoduje prąd I amperów, i rozważmy, że przebywają one odległość L metrów w czasie t, więc prędkość dryfu elektronów wyniesie
Z równania (3) i (4) otrzymujemy
Jest to siła działająca na N elektronów w polu magnetycznym, stąd siła działająca na pojedynczy elektron w tym polu magnetycznym może wynieść
Ruch ładunku elektrycznego w polu magnetycznym
Gdy ładunek elektryczny porusza się w polu magnetycznym, istnieją dwa skrajne przypadki. Ładunek porusza się albo wzdłuż kierunku pola magnetycznego, albo prostopadle do pola magnetycznego.
Gdy ładunek porusza się wzdłuż osi kierunku pola magnetycznego, siła magnetyczna działająca na niego,
Stąd nie będzie działać żadna siła na ładunek, co oznacza, że prędkość ładunku nie ulegnie zmianie, a on porusza się po prostej z stałą prędkością.
Jeśli natomiast ładunek elektryczny porusza się prostopadle do pola magnetycznego, to prędkość ładunku nie ulegnie zmianie. To dlatego, że siła działająca na ładunek jest prostopadła do ruchu ładunku, a więc ta siła nie wykona pracy na ładunku, co oznacza, że prędkość ładunku nie ulegnie zmianie.
Ale ta siła działająca na ładunek prostopadle do jego ruchu spowoduje ciągłe zmiany kierunku ruchu ładunku. W rezultacie ładunek będzie poruszał się w polu magnetycznym po okręgu o stałym promieniu i ze stałą prędkością.
Jeśli promień ruchu okrągłego wynosi R metrów, to
Teraz,
Stąd promień ruchu zależy od prędkości ruchu.
Prędkość kątowa i okres są stałe.
Podstawowe zasady działania cyklotronu
Ten koncept ruchu ładunku elektrycznego w polu magnetycznym został pomyślnie zastosowany w urządzeniu zwanym cyklotronem. Konceptualnie to urządzenie jest bardzo proste, ale ma ogromne zastosowania w dziedzinie inżynierii, fizyki i medycyny. Jest to urządzenie do przyspieszania ładunków elektrycznych. Ruch ładunku elektrycznego w polu magnetycznym prostopadłym jest jedynie zastosowany w urządzeniu zwanym cyklotronem.
Konstrukcja cyklotronu
To urządzenie ma trzy główne części konstrukcyjne
Duże elektromagnesy do tworzenia jednorodnego pola magnetycznego między dwoma naprzeciwko siebie umieszczonymi przeciwnymi biegunami magnetycznymi.
Dwie niskie, puste półcylindry wykonane z materiałów o wysokiej przewodności. Te komponenty cyklotronu nazywane są "Dees".
Wysokoczęstotliwościowe źródło napędu o dużej nadciśnieniu.
Szczegóły konstrukcyjne
Dees są umieszczone naprzeciwko siebie między biegunami elektromagnetycznymi. Dees są tak ułożone, że ich proste krawędzie są naprzeciwko siebie z małą szczeliną pomiędzy nimi. Pole magnetyczne elektromagnesu przecina te Dees dokładnie prostopadle. Teraz oba Dees są połączone z dwoma końcówkami źródła napędu o zmiennej częstotliwości, tak że jeśli jeden Dees jest na potencjale dodatnim, drugi jest na dokładnie przeciwnym potencjale ujemnym w tym samym czasie. Gdy źródło jest zmiennoprądowe, potencjały Dees są zmieniane zgodnie z częstotliwością źródła. Jeśli ładunek elektryczny jest wyrzucony z punktu blisko środka jednego Dees z pewną prędkością V1. Ponieważ ruch ładunku jest teraz prostopadły do zewnętrznego zastosowanego pola magnetycznego, nie będzie zmiany prędkości, ale ładunek elektryczny będzie poruszał się po okręgu o promieniu
Gdzie m gram to masa, a q coulomb to ładunek wyrzuconego cząsteczki, a B Weber/metr2 to gęstość strumienia zewnętrznego zastosowanego prostopadłego pola magnetycznego.
Po przebyciu π radianów lub 180o z promieniem R1 ładunek elektryczny dochodzi do krawędzi Dee. Teraz okres i częstotliwość zastosowanego źródła napędu są tak dostosowane do okresu ruchu okrągłego, że
Polarność innego Dee staje się przeciwna do ładunku cząsteczki. Dlatego też przez przyciąganie Dee przed poruszającym się ładunkiem i również przez odporność Dee, w którym ładunek jest teraz, ładunek otrzymuje dodatkową energię kinetyczną.
Gdzie ν
