Co je to cyklotron?
Cyklotron je typ urychlovače částic, který používá konstantní magnetické pole a střídavá elektrická pole k urychlení částice ve spirálovém pohybu. Tyto typy urychlovačů částic byly mezi prvními vymýšlenými a mají oproti dřívějším lineárním urychlovačům několik výhod, například menší požadavky na velikost. I když pokroky v technologii umožnily složitější typy urychlovačů částic, pro cyklotrony stále existuje několik použití v řadě různých polí. Cyklotron lze stále používat při experimentech fyziky, zejména jako časná součást vícestupňového urychlovače.
Cyklotron, vyvinutý v roce 1932, je urychlovač částic, který používá kruhový pohyb, obvykle ve spirále rostoucí směrem ven, k urychlení částic pro řadu různých použití. Zrychlení částic obvykle vyžaduje poměrně velkou vzdálenost, aby částice dosáhly dostatečné rychlosti pro použití v experimentech. Konstrukce cyklotronu však umožňuje použití velkých urychlovačů s velkým účinkem, protože částice se pohybuje kruhovým pohybem a cestuje ve velké vzdálenosti, aniž by pro průchod vyžadovala dlouhou přímou chodbu.
Cyklotron v podstatě pracuje tak, že využívá dvojici vysoce výkonných elektrod, každá ve tvaru písmene „D“ s plochými stranami směrem k sobě, aby vytvořil úplný kruhový tvar. Počínaje středem kruhu se částice začíná pohybovat od středu, ale pomocí přitažlivosti a odporu se místo toho zatáhne do kruhového pohybu. Diody střídají náboj mezi sebou, takže částice je zrychlena směrem k jedné, pak se zakřivuje kolem, když je tím tlačena pryč a přitahována k druhé, pak pokračuje ve vzoru mezi dvěma elektrodami. To by vytvořilo dokonalý kruhový pohyb, kdyby zůstal sám, ale mezi oběma diodami je vytvořeno magnetické pole, které je kolmé na kruhový pohyb částice.
Toto magnetické pole mírně posune pohyb částice, takže pokaždé, když prochází mezi dvěma elektrodami, je trochu posunut od středu kruhu. Pohybem částice mírně směrem ven se cesta, kterou prochází během zrychlení, stává spíše spirálou než kruhem směrem ven. To umožňuje, aby částice nakonec zasáhla cílovou oblast na vnitřní straně kontejnmentové jednotky, kde pak může být přesměrována pro další studium nebo použití.
Jednou z hlavních nevýhod cyklotronu je, že cílová oblast může být použita pouze pro částice pohybující se rychlostí, která může být správně vypočtena pomocí newtonovské fyziky. Vyšší rychlosti by mohly způsobit relativistické účinky a cíl by nebyl zasažen správně, což znamená, že cyklotron obvykle nemůže produkovat úrovně zrychlení, které mohou novější lineární urychlovače dosáhnout. Byly však vyvinuty isochronní cyklotrony, které mohou kompenzovat relativistické změny částice a mohou být docela účinné.