Cyklotron

Autor: Leandro Alegsa

03-04-2021

Cyklotron to rodzaj akceleratora cząstek wynaleziony przez Ernesta Lawrence'a z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w 1930 roku. Przyspiesza on naładowane cząstki poprzez wirowanie ich po okręgu. Pierwsze cyklotrony były wielkości dłoni. Niektóre nowoczesne akceleratory kołowe wykorzystują okrąg tak szeroki jak miasto.

Cyklotrony wykorzystują prostopadłe pole magnetyczne do wyginania elektronów i cząstek w półkolistą ścieżkę za pomocą przyłożonego pola elektrycznego. Przyłożone pole elektryczne przyspiesza elektrony pomiędzy elektrodami "D" (zwanymi również "dees") w obszarze pola magnetycznego.

Przyspieszające pole elektryczne odwraca się dokładnie w momencie, gdy elektrony kończą swój półokrąg, tak że przyspiesza je w poprzek szczeliny. Z większą prędkością poruszają się one po większym półokręgu. Po kilkukrotnym powtórzeniu tego procesu, elektrony wychodzą z dużą prędkością z portu wyjściowego.

Częstotliwość cyklotronu

Poruszający się ładunek w cyklotronie będzie poruszał się po torze kołowym pod wpływem stałego pola magnetycznego. Jeżeli obliczymy czas potrzebny do przebycia jednej orbity:

T = 2 π r v = 2 π m v q B v = 2 π m q B {{{displaystyle T={{{frac {2}pi r}{v}}={{{{frac {2}pi mv}{qB}}}={{{{frac {2}pi m}{qB}}}. $T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}$ .

Okazało się, że okres jest niezależny od promienia. Jeśli więc przyłożymy falę kwadratową o częstotliwości kątowej qB/m, ładunek będzie się kręcił na zewnątrz, zwiększając swoją prędkość.

Kiedy pomiędzy dwiema stronami biegunów magnetycznych zostanie przyłożona fala kwadratowa o częstotliwości kątowej ω=qB/m, ładunek zostanie ponownie pobudzony w odpowiednim momencie, aby przyspieszyć go w poprzek szczeliny. W ten sposób stała częstotliwość cyklotronu może nadal przyspieszać ładunek (tak długo, jak nie jest on relatywistyczny).

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest cyklotron?

A: Cyklotron to rodzaj akceleratora cząstek, który przyspiesza naładowane cząstki poprzez ich wirowanie po okręgu.

P: Kto wynalazł cyklotron?

O: Ernest Lawrence z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wynalazł cyklotron w 1930 roku.

P: Jak działa cyklotron?

O: Cyklotrony wykorzystują prostopadłe pole magnetyczne do zaginania elektronów i cząstek na półkolistą drogę przez przyłożone pole elektryczne. Przyłożone pole elektryczne przyspiesza elektrony pomiędzy elektrodami "D" (zwanymi również "dees") obszaru pola magnetycznego. Przyspieszające pole elektryczne odwraca się w momencie, gdy elektrony kończą swój półokrąg, a więc przyspiesza je w poprzek szczeliny. Z większą prędkością poruszają się po większym półkolu. Po kilkukrotnym powtórzeniu tego procesu, elektrony wychodzą z dużą prędkością z portu wyjściowego.

P: Jakie są rozmiary wczesnych cyklotronów?

O: Wczesne cyklotrony były wielkości dłoni.

P: Jak duże są współczesne akceleratory kołowe?

O: Niektóre nowoczesne akceleratory kołowe wykorzystują okrąg tak szeroki jak miasto.

P: Jaki rodzaj pola jest stosowany w cyklotronach?

O: Cyklotrony wykorzystują prostopadłe pole magnetyczne do zaginania elektronów i cząstek na półkolistą drogę przez przyłożone pole elektryczne.

P: Jak przyspieszane są elektrony w cyklotronie?

O: Elektrony są przyspieszane pomiędzy elektrodami "D" (zwanymi również "dees") obszaru pola magnetycznego za pomocą przyłożonego pola elektrycznego.