Κύκλοτρο
Το κυκλοτρόνιο είναι ένας τύπος επιταχυντή σωματιδίων που εφευρέθηκε από τον Ernest Lawrence από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ το 1930. Επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια στροβιλίζοντάς τα σε κύκλο. Τα πρώτα κυκλοτρόνια είχαν το μέγεθος ενός χεριού. Ορισμένοι σύγχρονοι κυκλικοί επιταχυντές χρησιμοποιούν κύκλο πλάτους όσο μια πόλη.
Τα κυκλοτρόνια χρησιμοποιούν κάθετο μαγνητικό πεδίο για να κάμψουν τα ηλεκτρόνια και τα σωματίδια σε ημικυκλική διαδρομή μέσω ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο επιταχύνει τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ηλεκτροδίων "D" (που ονομάζονται επίσης "dees") της περιοχής μαγνητικού πεδίου.
Το επιταχυνόμενο ηλεκτρικό πεδίο αντιστρέφεται ακριβώς τη στιγμή που τα ηλεκτρόνια ολοκληρώνουν τον ημικύκλιό τους, έτσι ώστε να τα επιταχύνει κατά μήκος του διακένου. Με μεγαλύτερη ταχύτητα, κινούνται σε μεγαλύτερο ημικύκλιο. Αφού επαναλάβουν αυτή τη διαδικασία αρκετές φορές, βγαίνουν από τη θύρα εξόδου με μεγάλη ταχύτητα.
Ένα σύγχρονο κυκλοτρόνιο για ακτινοθεραπεία
Συχνότητα κυκλοτρονίου
Ένα κινούμενο φορτίο σε ένα κυκλοτρόνιο θα κινηθεί σε κυκλική τροχιά υπό την επίδραση σταθερού μαγνητικού πεδίου. Αν υπολογιστεί ο χρόνος για την ολοκλήρωση μιας τροχιάς:
T = π2 r v = π 2m v q B v = π 2m q B {\displaystyle T={\frac {2\pi r}{v}}={\frac {2\pi mv}{qBv}}={\frac {2\pi m}{qB}}}
.
Διαπιστώνεται ότι η περίοδος είναι ανεξάρτητη της ακτίνας. Επομένως, αν εφαρμοστεί ένα τετραγωνικό κύμα με γωνιακή συχνότητα qB/m, το φορτίο θα κινηθεί σπειροειδώς προς τα έξω, αυξάνοντας την ταχύτητά του.
Όταν ένα τετραγωνικό κύμα γωνιακής συχνότητας ω=qB/m εφαρμόζεται μεταξύ των δύο πλευρών των μαγνητικών πόλων, το φορτίο θα ενισχυθεί ξανά ακριβώς τη σωστή στιγμή για να επιταχυνθεί κατά μήκος του διακένου. Έτσι, η σταθερή συχνότητα του κυκλοτρονίου μπορεί να συνεχίσει να επιταχύνει το φορτίο (εφόσον δεν είναι σχετικιστικό).
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι το κυκλοτρόνιο;
A: Το κυκλοτρόνιο είναι ένας τύπος επιταχυντή σωματιδίων που επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια στροβιλίζοντάς τα σε κύκλο.
Ερ: Ποιος εφηύρε το κυκλοτρόνιο;
Α: Ο Ernest Lawrence, από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, εφηύρε το κυκλοτρόνιο το 1930.
Ε: Πώς λειτουργεί ένα κυκλοτρόνιο;
Α: Τα κυκλότρονα χρησιμοποιούν κάθετο μαγνητικό πεδίο για να κάμψουν ηλεκτρόνια και σωματίδια σε ημικυκλική διαδρομή μέσω ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο επιταχύνει τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ηλεκτροδίων "D"(που ονομάζονται επίσης "dees") της περιοχής μαγνητικού πεδίου. Το επιταχυνόμενο ηλεκτρικό πεδίο αντιστρέφεται ακριβώς τη στιγμή που τα ηλεκτρόνια ολοκληρώνουν τον ημικύκλιό τους, έτσι ώστε να τα επιταχύνει κατά μήκος του χάσματος. Με μεγαλύτερη ταχύτητα, κινούνται σε μεγαλύτερο ημικύκλιο. Αφού επαναλάβουν αυτή τη διαδικασία αρκετές φορές, βγαίνουν από τη θύρα εξόδου με μεγάλη ταχύτητα.
Ερ: Ποιο είναι το μέγεθος των πρώιμων κυκλοτρονίων;
Α: Τα πρώιμα κυκλοτρόνια είχαν το μέγεθος ενός χεριού.
Ερ: Πόσο μεγάλοι είναι οι σύγχρονοι κυκλικοί επιταχυντές;
Α: Ορισμένοι σύγχρονοι κυκλικοί επιταχυντές χρησιμοποιούν έναν κύκλο πλάτους όσο μια πόλη.
Ερ: Τι είδους πεδίο χρησιμοποιείται στα κυκλοτρόνια;
Α: Τα κυκλοτρόνια χρησιμοποιούν ένα κάθετο μαγνητικό πεδίο για να κάμψουν τα ηλεκτρόνια και τα σωματίδια σε μια ημικυκλική διαδρομή μέσω ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου.
Ερ: Πώς επιταχύνονται τα ηλεκτρόνια σε ένα κυκλοτρόνιο;
Α: Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται μεταξύ των ηλεκτροδίων "D" (που ονομάζονται επίσης "dees") της περιοχής μαγνητικού πεδίου από ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο.
