Что такое циклотрон?

Циклотрон - это тип ускорителя частиц, который использует постоянное магнитное поле и переменные электрические поля для ускорения частицы в спиральном движении. Эти типы ускорителей частиц были одними из первых разработанных и имеют ряд преимуществ перед ранними линейными ускорителями, такие как требования к меньшим размерам. В то время как технологические достижения сделали возможными более сложные типы ускорителей частиц, все еще есть некоторые применения циклотронов в ряде различных областей. Циклотрон все еще может быть использован в физических экспериментах, особенно как ранняя часть многоступенчатого ускорителя.

Разработанный в 1932 году, циклотрон представляет собой ускоритель частиц, который использует круговое движение, обычно в виде растущей наружу спирали, для ускорения частиц для ряда различных применений. Для ускорения частиц обычно требуется довольно большое расстояние, чтобы позволить частицам достичь достаточной скорости для использования в экспериментах. Конструкция циклотрона, однако, позволяет использовать большие ускорители меньшего размера, поскольку частица движется круговым движением и проходит большое расстояние, не требуя длинного прямого коридора для прохождения.

Циклотрон в основном работает, используя пару электродов большой мощности, каждый из которых имеет форму буквы «D» с плоскими сторонами друг к другу, чтобы создать законченную круглую форму. Начиная с центра круга, частица начинает отходить от центра, но, используя притяжение и отталкивание, она вместо этого притягивается к круговому движению. Диоды чередуют заряд между ними, так что частица ускоряется к одному, затем изгибается вокруг, когда она отталкивается этим и притягивается к другому, затем продолжает схему между двумя электродами. Это создаст совершенное круговое движение, если оставить его в покое, но между двумя диодами создается магнитное поле, которое перпендикулярно круговому движению частицы.

Это магнитное поле слегка смещает движение частицы, поэтому каждый раз, когда оно проходит между двумя электродами, оно немного отодвигается от центра круга. При перемещении частицы немного наружу путь, по которому она движется во время ускорения, превращается в растущую наружу спираль, а не в круг. Это позволяет частице в конечном итоге попасть в целевую область внутри защитной оболочки, где она может быть перенаправлена ​​для дальнейшего изучения или использования.

Одним из основных недостатков циклотрона является то, что целевая область может использоваться только для частицы, движущейся со скоростями, которые могут быть надлежащим образом рассчитаны с использованием ньютоновской физики. Более высокие скорости будут вызывать релятивистские эффекты, и цель не будет поражена должным образом, а это означает, что циклотрон не может, как правило, создавать такие уровни ускорения, как новые линейные ускорители. Однако были разработаны изохронные циклотроны, которые могут компенсировать релятивистские изменения в частице и могут быть весьма эффективными.