Що таке базова конструкція циклотрону

Перед тим, як зрозуміти основні принципи роботи циклотрона, необхідно зрозуміти силу, що діє на заряджену частинку в руху в магнітному полі, а також рух зарядженої частинки в магнітному полі.

Сила, що діє на заряджену частинку в руху в магнітному полі

Коли провідник завдовжки L метрів зі струмом I ампер розташований перпендикулярно до магнітного поля індукцією B Вебер на квадратний метр, то сила, точніше магнітна сила, що діє на провідник, буде

Нехай у провіднику завдовжки L метрів знаходиться загальна кількість N вільних електронів, що спричиняють струм I ампер.
Де e - електричний заряд одного електрона, який становить 1,6 × 10-19 кулон.
З рівнянь (1) і (2) ми отримуємо

Тут, N електронів, що спричиняють струм I ампер, і припустимо, що вони проходять довжину L метрів за час t, тому дрейфова швидкість електронів буде

З рівнянь (3) і (4), ми отримуємо

Це сила, що діє на N електронів в магнітному полі, отже, сила, що діє на один електрон в цьому магнітному полі, може бути

Рух зарядженої частинки в магнітному полі

Коли заряджена частинка рухається в магнітному полі, існує два крайніх випадки. Частинка рухається або вздовж напрямку магнітного поля, або перпендикулярно до нього.
Коли частинка рухається вздовж осі напрямку магнітного поля, магнітна сила, що діє на неї,

Отже, на частинку не діє жодна сила, тому швидкість частинки не змінюється, і вона рухається по прямій з постійною швидкістю.

Якщо заряджена частинка рухається перпендикулярно до магнітного поля, то швидкість частинки не змінюється. Це тому, що сила, що діє на частинку, перпендикулярна до її руху, тому сила не виконує роботу на частинку, і швидкість частинки не змінюється.
Але ця сила, що діє на частинку перпендикулярно до її руху, постійно змінює напрямок руху частинки. В результаті частинка рухається по колу постійного радіуса з постійною швидкістю.
Якщо радіус колового руху дорівнює R метрів, то

Тепер,

Отже, радіус руху залежить від швидкості руху.
Кутова швидкість і період обертання постійні.

Основні принципи роботи циклотрона

Цей концепція руху зарядженої частинки в магнітному полі була успішно застосована в пристрої, відомому як циклотрон. Концептуально цей пристрій дуже простий, але має велике значення в галузі інженерії, фізики та медицини. Це пристрій для прискорення заряджених частинок. Рух зарядженої частинки під дією перпендикулярного магнітного поля є ключовим в пристрої, відомому як циклотрон.

Конструкція циклотрона

Цей пристрій має три основні конструктивні частини

1. Великий електромагніт для створення рівномірного магнітного поля між його двома магнітними полюсами, розташованими лицем до лиця.

   
   

2. Два низькі, порожні напівциліндри з високо провідного металу. Ці компоненти циклотрона називаються "Dees".

   
   

3. Високочастотний альтернативний джерело високого напруги.

Конструктивні деталі

"Dees" розташовані лицем до лиця між полюсами електромагніту. "Dees" розташовані так, що їх прямі краї розташовані лицем до лиця з невеликою щілиною між ними. Магнітний потік електромагніту перетинає "Dees" точно перпендикулярно. Тепер ці два "Dees" з'єднані з двома терміналами альтернативного джерела напруги, так що, якщо один "Dees" має додатну потенціал, то другий матиме протилежний негативний потенціал одночасно. Оскільки джерело є альтернативним, потенціали "Dees" змінюються відповідно до частоти джерела. Якщо заряджена частинка кинута з точки біля центру одного "Dees" з певною швидкістю V1. Оскільки рух частинки перпендикулярний до зовнішнього прикладеного магнітного поля, швидкість не змінюється, але заряджена частинка слідує коловому шляху радіусом
Де m грам - маса, q кулон - заряд кинутої частинки, B Вебер/метр2 - індукція зовнішнього прикладеного перпендикулярного магнітного поля.
Після подолання π радіан або 180o з радіусом R1 заряджена частинка приходить до краю "Dees". Тепер період та частота прикладеного джерела напруги налаштовані таким чином, що вони відповідають періоду колового руху, тобто
Що полярність іншого "Dees" стає протилежною заряду частинки. Тому, через притягання "Dees" перед рухом частинки та відштовхування "Dees", в якому знаходиться частина, частинка отримує додаткову кінетичну енергію.
Де ν1 - швидкість частинки в попередньому "Dees", ν2 - швидкість частинки в наступному "Dees". Тепер частинка буде рухатися з цією більшою швидкістю з радіусом R2 метр.

Знову ж, через постійне перпендикулярне магнітне поле, частинка подолає ще одну половину циклу з новим радіусом R2 метр і прийде до краю поточного "Dees". Коли вона прийде до цього краю, наступний "Dees" знову стане протилежної полярності, і частинка переходе шлях між "Dees" з набуттям кінетичної енер