Wat is een cyclotron?
Een cyclotron is een type deeltjesversneller die een constant magnetisch veld en afwisselende elektrische velden gebruikt om een deeltje in een spiraalvormige beweging te versnellen. Dit soort deeltjesversnellers was een van de eerste bedacht en heeft verschillende voordelen ten opzichte van vroege lineaire versnellers, zoals kleinere afmetingen. Hoewel technologische vooruitgang complexere soorten deeltjesversnellers mogelijk heeft gemaakt, zijn er nog steeds toepassingen voor cyclotrons op een aantal verschillende gebieden. Een cyclotron kan nog steeds worden gebruikt in fysica-experimenten, vooral als een vroeg onderdeel van een meertrapsversneller.
Een cyclotron is ontwikkeld in 1932 en is een deeltjesversneller die cirkelvormige bewegingen gebruikt, meestal in een naar buiten toe groeiende spiraal, om deeltjes te versnellen voor een aantal verschillende toepassingen. Deeltjesversnelling vereist meestal een vrij grote afstand om de deeltjes op voldoende snelheid te laten komen voor gebruik in experimenten. Het ontwerp van een cyclotron maakt het echter mogelijk om kleinere versnellers met groot effect te gebruiken, omdat het deeltje in een cirkelvormige beweging beweegt en een grote afstand aflegt zonder een lange rechte gang voor passage nodig te hebben.
Een cyclotron werkt in principe door een paar krachtige elektroden te gebruiken, elk in de vorm van een "D" met de platte kanten naar elkaar toe, om een volledige cirkelvorm te creëren. Beginnend in het midden van de cirkel, begint een deeltje weg te bewegen van het centrum, maar door aantrekking en afstoting te gebruiken, wordt het in plaats daarvan in een cirkelvormige beweging getrokken. De diodes wisselen afwisselend lading af zodat het deeltje naar de ene wordt versneld, dan rondbuigt terwijl het door die ene wordt weggeduwd en naar de andere wordt aangetrokken, en vervolgt dan het patroon tussen de twee elektroden. Dit zou een perfecte cirkelvormige beweging creëren als alleen gelaten, maar een magnetisch veld wordt gecreëerd tussen de twee diodes, die loodrecht staat op de cirkelvormige beweging van het deeltje.
Dit magnetische veld verschuift de beweging van het deeltje enigszins, dus elke keer dat het tussen de twee elektroden passeert, wordt het een beetje weg van het middelpunt van de cirkel verplaatst. Door het deeltje iets naar buiten te verplaatsen, wordt het pad dat het tijdens de versnelling volgt, een naar buiten groeiende spiraal in plaats van een cirkel. Hierdoor kan het deeltje uiteindelijk een doelgebied raken aan de binnenkant van de insluitingseenheid, waar het vervolgens kan worden omgeleid voor verder onderzoek of gebruik.
Een van de belangrijkste nadelen van een cyclotron is dat het doelgebied alleen kan worden gebruikt voor een deeltje dat reist met snelheden die goed kunnen worden berekend met behulp van de Newtoniaanse fysica. Hogere snelheden zouden ervoor zorgen dat relativistische effecten optreden, en het doel zou niet goed worden geraakt, wat betekent dat een cyclotron meestal niet de versnellingsniveaus kan produceren die nieuwere, lineaire versnellers kunnen. Isochrone cyclotrons zijn echter ontwikkeld die relativistische veranderingen aan het deeltje kunnen compenseren en behoorlijk effectief kunnen zijn.