อะไรคือโครงสร้างพื้นฐานของไซโคลตรอน
ก่อนที่จะเข้าใจหลักการพื้นฐานของการทำงานของไซโคลตรอน มันจำเป็นต้องเข้าใจแรงที่กระทำต่ออนุภาคประจุที่กำลังเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กและยังรวมถึงการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุในสนามแม่เหล็กด้วย
แรงที่กระทำต่ออนุภาคประจุที่กำลังเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายนำไฟฟ้าความยาว L เมตร พร้อมกับกระแส I แอมแปร์วางอยู่ในแนวตั้งฉากในสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ B เวเบอร์ต่อตารางเมตร แรงหรือเรียกว่าแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสายนำไฟฟ้านั้นจะเป็น
ตอนนี้ ให้เราพิจารณาว่ามีจำนวน N ของอิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในสายนำไฟฟ้าความยาว L เมตรที่ทำให้เกิดกระแส I แอมแปร์
ที่ e เป็นประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และมันคือ 1.6 × 10-19 คูลอมบ์
จากสมการ (1) และ (2) เราจะได้
ที่ N จำนวนของอิเล็กตรอนทำให้เกิดกระแส I แอมแปร์ และพิจารณาว่าพวกมันเดินทางระยะทาง L เมตรในเวลา t ดังนั้นความเร็วลอยของอิเล็กตรอนจะเป็น
จากสมการ (3) และ (4) เราจะได้
นี่คือแรงที่กระทำต่อ N จำนวนของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก ดังนั้นแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนหนึ่งตัวในสนามแม่เหล็กนั้นจะเป็น
การเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุในสนามแม่เหล็ก
เมื่ออนุภาคประจุเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก จะมีสองสถานการณ์สุดขั้ว อนุภาคอาจเคลื่อนที่ตามทิศทางของสนามแม่เหล็ก หรือเคลื่อนที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก
เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ตามแกนของทิศทางสนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคจะเป็น
ดังนั้นจะไม่มีแรงใด ๆ กระทำต่ออนุภาค ดังนั้นความเร็วของอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลง และอนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่
แต่หากอนุภาคประจุเคลื่อนที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ความเร็วของอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลง นี่เป็นเพราะแรงที่กระทำต่ออนุภาคเป็นตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังนั้นแรงนี้จะไม่ทำงานใด ๆ บนอนุภาค ดังนั้นความเร็วของอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลง
แต่แรงนี้จะกระทำต่ออนุภาคตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของอนุภาค และทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ผลคืออนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมในสนามแม่เหล็กด้วยรัศมีคงที่และความเร็วคงที่
หากรัศมีของการเคลื่อนที่วงกลมคือ R เมตรแล้ว
ตอนนี้
ดังนั้นรัศมีของการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่
ความเร็วเชิงมุมและคาบเวลาเป็นค่าคงที่
หลักการพื้นฐานของไซโคลตรอน
แนวคิดของการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุในสนามแม่เหล็กถูกนำมาใช้อย่างสำเร็จในเครื่องมือที่เรียกว่าไซโคลตรอน หลักการของอุปกรณ์นี้ค่อนข้างง่าย แต่มีประโยชน์มากมายในด้านวิศวกรรม ฟิสิกส์ และการแพทย์ นี่คืออุปกรณ์ที่เร่งอนุภาคประจุ การเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุภายใต้สนามแม่เหล็กตั้งฉากถูกนำไปใช้อย่างเต็มที่ในอุปกรณ์ที่ชื่อว่าไซโคลตรอน
โครงสร้างของไซโคลตรอน
อุปกรณ์นี้มีส่วนประกอบหลักสามส่วน
แม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอระหว่างขั้วแม่เหล็กที่วางหันหน้ากัน
ทรงครึ่งวงกลมโลหะที่มีความนำไฟฟ้าสูงสองชิ้น ส่วนประกอบเหล่านี้ของไซโคลตรอนเรียกว่า "Dees"
แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าสลับความถี่สูง
รายละเอียดโครงสร้าง
Dees ถูกวางหันหน้ากันระหว่างขั้วแม่เหล็กไฟฟ้า Dees ถูกวางไว้ให้ขอบตรงหันหน้ากันโดยมีช่องว่างเล็ก ๆ ระหว่างกัน สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้าตัด Dees อย่างสมบูรณ์ตั้งฉาก ตอนนี้ Dees สองชิ้นถูกต่อเข้ากับสองขั้วของแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าสลับ เพื่อให้ถ้า Dees หนึ่งขั้วมีศักยภาพบวก Dees อีกขั้วจะมีศักยภาพลบตรงข้ามในเวลาเดียวกัน ด้วยความที่แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเป็นแบบสลับ ศักยภาพของ Dees จะเปลี่ยนแปลงตามความถี่ของแหล่งกำเนิด ตอนนี้หากอนุภาคประจุถูกปล่อยจากจุดใกล้ศูนย์กลางของ Dees หนึ่งขั้วด้วยความเร็ว V1 ด้วยการเคลื่อนที่ของอนุภาคตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กภายนอกที่ใช้ ความเร็วจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่อนุภาคประจุจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยรัศมี
ที่ m กรัมคือมวล q คูลอมบ์คือประจุของอนุภาคที่ถูกปล่อย และ B เวเบอร์/ตารางเมตร2 คือความหนาแน่นฟลักซ์ของสนามแม่เหล็กภายนอกที่ใช้ตั้งฉาก
หลังจากเคลื่อนที่ π เรเดียน หรือ 180° ด้วยรัศมี R1 อนุภาคประจุจะมาถึงขอบของ Dees ตอนนี้คาบเวลาและความถี่ของแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าสลับถูกปรับให้สอดคล้องกับคาบเวลาของการเคลื่อนที่วงกลมคือ
เพื่อให้ขั้วของ Dees ที่อยู่ข้างหน้ามีขั้วตรงข้ามกับประจุของอนุภาค ดังนั้นอนุภาคจะได้รับพลังงานจลน์เพิ่มเติม
ที่ ν1 คือความเร็วของอนุภาคที่ Dees ก่อนหน้า และ ν2 คือความเร็วของอนุภาคที่ Dees ถัดไป ตอนนี้อนุภาคจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วนี้ด้วยรัศมี R2 เมตร
อีกครั้งด้วยสนามแม่เหล็กภายนอกที่ตั้งฉากอย่างต่อเนื่อง อนุภาคจะเคลื่อนที่อีกครึ่งวงจรด้วยรัศมีใหม่ R2 เมตร และมาถึงขอบของ Dees ที่อยู่ในขณะนี้ เมื่อมันมาถึงขอบนี้ Dees ข้างหน้าจะมีขั้วตรงข้ามกับขั้วหลัง และอนุภาคจะข้ามช่องว่างระหว่าง Dees ด้วยพลังงานจลน์ qV และดังนั้นอนุภาคจะได้รับความเร็วเพิ่มขึ้นและรัศมีของการเคลื่อนที่วงกลมของอนุภาคประจุ ในลักษณะนี้อนุภาคประจุจะเคลื่อนที่เป็นวงสไปรอลด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นอนุภาคประจุจะได้รับความเร็วที่เพียงพอและสูงก่อนออกจากหัวกระบอกไซโคลตรอน
ความถี่ของแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าสลับคือ f.
