Cấu tạo cơ bản của Cyclotron là gì?
Trước khi hiểu nguyên lý cơ bản của Cyclotron, cần phải hiểu lực tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong trường từ và cũng là chuyển động của hạt mang điện trong trường từ.
Lực tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong trường từ
Khi một dây dẫn có dòng điện dây dẫn dài L mét với dòng điện I ampe được đặt vuông góc trong một trường từ có mật độ luồng B Weber trên mét vuông, thì lực hoặc nói cách khác là lực từ tác dụng lên dây dẫn sẽ là
Bây giờ, hãy xem xét có tổng cộng N số electron tự do di chuyển trong dây dẫn dài L mét gây ra dòng điện I ampe.
Trong đó, e là điện tích của một electron và nó là 1.6 × 10-19 coulomb.
Từ phương trình (1) và (2) ta có
Ở đây, N số electron gây ra dòng điện I ampe, và giả sử chúng di chuyển qua đoạn đường L mét trong thời gian t, vì vậy tốc độ trôi của các electron sẽ là
Từ phương trình (3) và (4), ta có
Đó là lực tác dụng lên N số electron trong trường từ, do đó lực tác dụng lên một electron trong trường từ đó có thể là
Chuyển động của hạt mang điện trong trường từ
Khi một hạt mang điện chuyển động trong trường từ, sẽ có hai điều kiện cực đoan. Hạt chuyển động theo hướng của trường từ hoặc nó chuyển động vuông góc với trường từ.
Khi hạt chuyển động theo trục hướng của trường từ, lực từ tác dụng lên nó,
Do đó không có lực nào tác dụng lên hạt, nên không có thay đổi về vận tốc của hạt và do đó nó di chuyển theo đường thẳng với vận tốc không đổi.
Nếu hạt mang điện chuyển động vuông góc với trường từ thì không có thay đổi về vận tốc của hạt. Điều này là do lực tác dụng lên hạt vuông góc với chuyển động của hạt, do đó lực không làm công lên hạt nên không có thay đổi về vận tốc của hạt.
Nhưng lực này tác dụng lên hạt vuông góc với chuyển động của hạt và hướng chuyển động của hạt sẽ liên tục thay đổi. Do đó, hạt sẽ di chuyển theo quỹ đạo tròn có bán kính không đổi với vận tốc không đổi.
Nếu bán kính của chuyển động tròn là R mét thì
Bây giờ,
Vì vậy, bán kính của chuyển động phụ thuộc vào vận tốc của chuyển động.
Tốc độ góc và chu kỳ đều không đổi.
Nguyên lý cơ bản của Cyclotron
Khái niệm về chuyển động của hạt mang điện trong trường từ đã được áp dụng thành công trong một thiết bị gọi là cyclotron. Về mặt khái niệm, thiết bị này rất đơn giản nhưng nó có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật, vật lý và y học. Đây là thiết bị gia tốc hạt mang điện. Chuyển động của hạt mang điện dưới tác dụng của trường từ vuông góc được áp dụng hoàn toàn trong thiết bị có tên là cyclotron.
Xây dựng Cyclotron
Thiết bị này cơ bản có ba phần chính
Cuộn điện từ lớn để tạo ra trường từ đồng nhất giữa hai cực từ đối diện được đặt đối mặt nhau.
Hai nửa hình trụ rỗng có chiều cao thấp làm bằng kim loại dẫn điện cao. Các thành phần này của cyclotron được gọi là Dees.
Một nguồn điện áp xoay chiều cao tần có điện áp cao.
Chi tiết xây dựng
Các Dees được đặt đối mặt nhau giữa các cực từ điện từ. Các Dees được đặt sao cho cạnh thẳng sẽ đối mặt với nhau với khoảng cách nhỏ giữa chúng. Ngoài ra, thông lượng từ của cuộn điện từ cắt các Dees chính xác theo phương vuông góc. Bây giờ, hai Dees này được kết nối với hai đầu của một nguồn điện áp xoay chiều sao cho nếu một Dee ở điện thế dương thì Dee kia sẽ ở điện thế âm ngược lại cùng lúc. Vì nguồn là xoay chiều, điện thế của các Dees thay đổi theo tần số của nguồn. Bây giờ, nếu một hạt mang điện được ném từ một điểm gần tâm của một Dee với vận tốc V1. Khi chuyển động của hạt vuông góc với trường từ bên ngoài được áp dụng, không có thay đổi về vận tốc nhưng hạt mang điện sẽ theo một quỹ đạo tròn có bán kính
Trong đó, m gram là khối lượng và q coulomb là điện tích của hạt được ném và B Weber/mét2 là mật độ luồng của trường từ bên ngoài được áp dụng vuông góc.
Sau khi di chuyển π radian hoặc 180o với bán kính R1, hạt mang điện đến mép của Dee. Bây giờ, chu kỳ và tần số của nguồn điện áp được điều chỉnh phù hợp với chu kỳ của chuyển động tròn là
Sao cho cực tính của Dee kia trở thành ngược lại với điện tích của hạt. Do đó, do sự hấp dẫn của Dee phía trước và cũng do sự đẩy của Dee mà hạt đang ở, hạt nhận được năng lượng động thêm.
Trong đó ν1 là vận tốc của hạt tại Dee trước và ν2 là vận tốc của hạt tại Dee sau. Bây giờ, hạt sẽ di chuyển với vận tốc lớn hơn này với bán kính R2 mét.
Lại do trường từ vuông góc không đổi, hạt di chuyển nửa chu kỳ nữa với bán kính mới R2 mét và đến mép của Dee hiện tại. Khi nó đến mép này, Dee phía trước lại trở thành cực tính ngược lại so với Dee phía sau và hạt vượt qua khoảng cách giữa các Dee với năng lượng động tăng qV và do đó lại có sự tăng vận tốc và bán kính của hạt mang điện di chuyển theo đường tròn. Theo cách này, hạt mang điện theo một đường xoắn ốc với vận tốc liên tục tăng. Do đó, hạt mang điện đạt được vận tốc đủ cao trước khi rời khỏi đầu súng cyclotron.
Tần số của nguồn điện áp là f.
Ở đây, 2π là hằng số, m, q và B là đã biết nên T có thể được tính và do đó tần số của nguồn điện áp sẽ là
