Siklotronün Temel Yapısı Nedir?
Ciklotron'un temel çalışma prensibini anlamadan önce, bir manyetik alanda hareket eden yüklü parçacığa etki eden kuvveti ve aynı zamanda bu parçacığın manyetik alandaki hareketini anlamak gerekir.
Manyetik Alan İçinde Hareket Eden Yüklü Parçacığa Etki Eden Kuvvet
Akım taşıyan bir iletken, L metre uzunluğunda, I amper akım ile manyetik alanda dik olarak yerleştirildiğinde, iletken üzerindeki manyetik kuvvet şu şekilde olur:
Şimdi, iletken içinde L metre boyunca N sayıda serbest elektron olduğunu ve bu elektronların I amper akımı oluşturduğunu düşünelim.
Burada, e bir elektronun elektrik yüküdür ve bu 1.6 × 10-19 coulomb'dur.
Şimdi (1) ve (2) denklemlerinden elde ediyoruz
Burada, N sayıda elektron I amper akımı oluşturuyor ve bu elektronların t saniye içinde L metre yol aldığını düşünüyoruz, bu nedenle sürüklenme hızı şu şekilde olur:
(3) ve (4) denklemlerinden elde ediyoruz
Bu, manyetik alanda N sayıda elektron üzerindeki kuvvettir, bu nedenle bu manyetik alan içindeki tek bir elektron üzerindeki kuvvet şu şekilde olur:
Manyetik Alan İçinde Yüklü Parçacığın Hareketi
Bir yüklü parçacık manyetik alanda hareket ederken, iki aşırı durum olabilir. Parçacık ya manyetik alanın yönünde hareket eder ya da manyetik alana dik hareket eder.
Parçacık manyetik alanın yönünde hareket ederse, üzerine etki eden manyetik kuvvet,
Bu nedenle parçacık üzerinde hiçbir kuvvet etki etmez, bu nedenle parçacığın hızında herhangi bir değişiklik olmaz ve bu nedenle sabit hızla düz çizgide hareket eder.
Şimdi, eğer yüklü parçacık manyetik alana dik hareket ederse, parçacığın hızında herhangi bir değişim olmayacaktır. Bu, parçacık üzerinde etki eden kuvvetin parçacığın hareketine dik olması ve bu nedenle kuvvetin parçacık üzerinde herhangi bir iş yapmaması nedeniyledir, bu nedenle parçacığın hızında herhangi bir değişim olmayacaktır.
Ancak bu kuvvet, parçacığın hareketine dik olarak etki eder ve parçacığın hareket yönü sürekli olarak değişecektir. Sonuç olarak, parçacık sabit yarıçaplı ve sabit hızla bir çember şeklinde hareket edecektir.
Eğer dairesel hareketin yarıçapı R metre ise
Şimdi,
Hareketin yarıçapı hareket hızına bağlıdır.
Açısal hız ve periyot sabittir.
Ciklotron'un Temel Prensibi
Manyetik alanda yüklü parçacığın hareketi kavramı, ciklotron adı verilen bir cihazda başarıyla kullanılmıştır. Bu cihaz kavramsal olarak çok basit ancak mühendislik, fizik ve tıp alanlarında büyük kullanım alanları vardır. Bu, yüklü parçacıkları hızlandıran bir cihazdır. Yüklü parçacığın dikey manyetik alan altında olan hareketi, ciklotron adı verilen cihazda uygulanmıştır.
Ciklotron'un Yapısı
Bu cihaz temel olarak üç ana yapısal parçaya sahiptir:
İki yüz yüze yerleştirilmiş manyetik zıt kutup arasında düzgün bir manyetik alan yaratmak için büyük bir elektromanyet.
Yüksek iletken metallerden yapılmış iki düşük yükseklikli boş yarı silindir. Bu ciklotron bileşenleri Dees olarak adlandırılır.
Yüksek frekanslı alternatif yüksek gerilim kaynağı.
Yapısal Detaylar
Dees, elektromanyetik kutuplar arasında yüz yüze konulmuştur. Dees, düz kenarlarının birbirine karşı küçük bir boşluk bırakarak konulmuştur. Ayrıca, elektromanyetin manyetik akısı bu Dees'leri tam olarak dikey keser. Şimdi bu iki Dees, alternatif gerilim kaynağının iki terminaline bağlanmıştır, böylece bir Dee pozitif potansiyele sahip olduğunda diğer Dee tam tersine negatif potansiyele sahip olacaktır. Kaynak alternatif olduğu için, Dees'lerin potansiyeli kaynak frekansına göre değiştirilir. Şimdi, belirli bir hız V1 ile bir Dee'nin merkezine yakın bir noktadan bir yüklü parçacık fırlatıldığında, parçacığın hareketi dışarıdan uygulanan manyetik alana dik olduğundan, hızında herhangi bir değişim olmayacak ancak yüklü parçacık yarıçapı
olan bir çember şeklinde hareket edecektir. Burada, m gram parçacığın kütlesi, q coulomb parçacığın yükü ve B Weber/metre2 dışarıdan uygulanan dikey manyetik alanın akı yoğunluğudur.
π radian veya 180o ile R1 yarıçapıyla hareket eden yüklü parçacık, Dee'nin kenarına gelir. Şimdi, uygulanan gerilim kaynağının periyodu ve frekansı, dairesel hareketin periyoduyla uyumlu olarak ayarlanmıştır, yani
Diğer Dee'nin polü, parçacığın yükünün tersi olur. Bu nedenle, Dee'nin çekiciliği ve parçacığın bulunduğu Dee'nin itici gücü nedeniyle, parçacık ek kinetik enerji kazanır.
