Co to jest cyklotron?

Cyklotron jest rodzajem akceleratora cząstek, który wykorzystuje stałe pole magnetyczne i przemienne pola elektryczne w celu przyspieszenia cząstki ruchem spiralnym. Te typy akceleratorów cząstek były jednymi z pierwszych opracowanych i mają kilka zalet w stosunku do wczesnych akceleratorów liniowych, takich jak wymagania dotyczące mniejszych rozmiarów. Chociaż postęp technologiczny umożliwił bardziej złożone typy akceleratorów cząstek, wciąż istnieją pewne zastosowania cyklotronów w wielu różnych dziedzinach. Cyklotron może być nadal stosowany w eksperymentach fizycznych, szczególnie jako wczesna część wieloetapowego akceleratora.

Cyklotron, opracowany w 1932 r., Jest akceleratorem cząstek, który wykorzystuje ruch kołowy, zwykle w rosnącej na zewnątrz spirali, w celu przyspieszenia cząstek do wielu różnych zastosowań. Przyspieszenie cząstek zazwyczaj wymaga dość dużej odległości, aby umożliwić cząsteczkom osiągnięcie prędkości wystarczającej do zastosowania w eksperymentach. Konstrukcja cyklotronu pozwala jednak na lepsze wykorzystanie mniejszych akceleratorów, ponieważ cząsteczka porusza się ruchem okrężnym i przebywa dużą odległość bez konieczności długiego prostego korytarza do przejścia.

Cyklotron zasadniczo działa poprzez zastosowanie pary elektrod o dużej mocy, z których każda ma kształt litery „D”, a płaskie boki są skierowane do siebie, w celu uzyskania pełnego okrągłego kształtu. Zaczynając od środka koła, cząstka zaczyna się oddalać od centrum, ale poprzez przyciąganie i odpychanie jest zamiast tego wciągana w ruch kołowy. Diody naprzemiennie ładują się między nimi, więc cząsteczka jest przyspieszana w kierunku jednej, a następnie zakręca się, gdy jest odpychana przez tę jedną i przyciągana do drugiej, a następnie kontynuuje układ między dwiema elektrodami. To stworzyłoby idealny ruch kołowy, gdyby pozostawiono go w spokoju, ale pole magnetyczne powstaje między dwiema diodami, które jest prostopadłe do ruchu kołowego cząstki.

To pole magnetyczne nieznacznie przesuwa ruch cząstki, więc za każdym razem, gdy przechodzi ona między dwiema elektrodami, jest ona nieco odsunięta od środka koła. Przesuwając cząstkę nieco na zewnątrz, ścieżka, którą podąża podczas przyspieszania, staje się rosnącą na zewnątrz spiralą, a nie kołem. Pozwala to cząsteczce ostatecznie uderzyć w docelowy obszar wewnątrz jednostki przechowującej, gdzie można go następnie przekierować do dalszych badań lub wykorzystania.

Jedną z głównych wad cyklotronu jest to, że obszar docelowy można wykorzystać tylko dla cząstki poruszającej się z prędkościami, które można poprawnie obliczyć przy użyciu fizyki newtonowskiej. Wyższe prędkości spowodowałyby pojawienie się efektów relatywistycznych, a cel nie zostałby trafiony poprawnie, co oznacza, że ​​cyklotron nie może zazwyczaj wytwarzać poziomów przyspieszenia, które mogą osiągnąć nowsze, akceleratory liniowe. Jednakże opracowano izochroniczne cyklotrony, które mogą kompensować zmiany relatywistyczne w cząsteczce i mogą być dość skuteczne.