User:SDC4004/Ciclotron

Ciclotronul este un tip de accelerator de particule.

Deoarece particulele se deplasează pe o traiectorie în formă de spirală, ciclotronul este un model de accelerator intermediar între acceleratorul linear şi cel circular.

Ciclotronul nu poate accelera particule la viteze apropiate de cea a luminii. Din acest motiv, a fost înlocuit de betatron şi de sincrotron.

Efectul relativistic care limitează utilitatea ciclotronului este mai puţin important pentru particule cu masa de repaus ridicată. Ciclotroane continuă să fie utilizate pentru accelerarea ionilor "grei" în scopuri terapeutice şi ca surse de particule pentru cercetarea de fizică nucleară. Cel mai mare ciclotron are un diametru de 18 metri şi se află la Universitatea British Columbia în Canada.

Istoric

Ciclotronul a fost inventat în 1929 de Ernest Lawrence la Universitatea California (Berkeley). Primul dispozitiv funcţional a accelerat protoni în 1931 la o energie maximă de 1 MeV (un milion de electronvolţi).

Un ciclotron construit de Ernest Lawrence aflat astăzi la Lawrence Hall of Science în Berkeley, California. Ţevi de răcire sunt vizibile pe suprafaţa celor doi electrozi în formă de D.

File:Ciclotron10.jpg

Un alt ciclotron cu cele două structuri în forma de D construit la Universitatea Illinois în anii 1935-1936. Electrozi de înaltă tensiune în contact cu cele două structuri sunt vizibili în partea de sus. În acest model a fost posibilă extracţia particulelor accelerate (în acest caz, deuteroni cu energia de 1 MeV şi un curent (echivalent cu un flux) de 10 microA). Aceasta se realiza prin aplicarea unui voltaj la electrodul vizibil în poziţia "est-sud-est", care trimitea fluxul de deuteroni în direcţie orizontală spre stânga, tangent cu poziţia "sud".

Principiul de funcţionare

Într-un câmp magnetic constant, asupra unei particule cu sarcină electrică $q$ şi masa $m$ acționează o forță perpendiculară pe planul definit de vectorii viteză şi câmp. Dacă viteza iniţială şi câmpul magnetic sunt în direcţii perpendiculare, particula se deplasează astfel într-o traiectorie circulară. Câmpul magnetic perpendicular $B$ care trece vertical prin electrozii în formă de D ai unui ciclotron acţionează în mod similar asupra curentului de electroni sau ioni, forțând particulele să se deplaseze pe o traiectorie circulară, astfel încât acestea trec repetat prin spaţiul îngust dintre cei doi D.

O diferență de potențial alternantă de înaltă frecvență $f_{c}$, aplicată între cei doi electrozi metalici, generează un câmp electric uniform în acest spaţiu (câmpul electric este nul in interiorul structurilor metalice în formă de D). Frecvenţa de oscilaţie a tensiunii aplicate, numită frecvenţă de ciclotron, este determinată de câmpul magnetic, sarcina şi masa particulelor:

$f_{c}={\frac {Bq}{2\pi m}}$

Polaritatea câmpului electric este alternată astfel încât particulele sunt întotdeauna accelerate atunci cand traversează spaţiul dintre electrozi. Deoarece viteza particulelor creşte treptat, raza traiectoriei acestora creşte de asemenea treptat. Particulele sunt introduse în centrul dispozitivului şi sunt extrase la raza şi viteza (sau energia) maximă.

Vedeţi şi

• Betatron
• Sincrotron

en:Cyclotron