Ciclotronul, realizat în 1932 de Ernest Lawrence, accelerează particule încărcate, ca de exemplu protoni şi deutroni, la energii mari pentru a putea fi folosite în experienţele de ciocnire atomică şi nucleară. În figura de mai jos este dat ciclotronul Universităţii din Pittsburgh. În sursa de ioni din centrul ciclotronului, moleculele de deuteriu sunt bombardate cu electroni de energie suficient de mare( de aprox. 100eW), pentru ca la ciocnire să formeze ioni pozitivi. Mulţi dintre aceşti ioni sunt deuteroni liberi ce intră în ciclotronul propriu-zis printr-un mic orificiu din peretele sursei de ioni şi apoi sunt acceleraţi.
Pentru accelerare ciclotronul nu foloseşte o diferenţă de potenţial foarte mare(aprox. 105V) ci energia mare se obţine prin faptul că ionul parcurge de multe ori această diferenţă de potenţial. Pentru a atinge 10MeV cu un potenţial de accelerare de 105V sunt necesare 100 de treceri. Un câmp magnetic este folosit pentru a curba traiectoria ionilor pentru ca astfel să poată trece din nou prin acelaşi potenţial de accelerare.
În figură este dată o privire de sus a porţiunii ciclotronului ce se găseşte în interiorul incintei vidate notată cu V. Este format din două cutii din cupru în formă de „D”, numite duanţi ce fac parte dintr-un oscilator electric, ce produce o diferenţă de potenţial de accelerare în interiorul dintre duanţi.
Sensul acestei diferenţe de potenţial se inversează de câteva milioane de ori într-o secundă.
Duanţii se găsesc într-un câmp magnetic(B~1,6Wb/m2) ce iese din planul figurii.
Acest câmp este produs de un electromagnet mare, notat cu J în figură. În final, spaţiul în care se deplasează ionii este evacuat până la o presiune de aprox. 10-6mmHg , pentru că astfel ionii s-ar cicnii în continuu de moleculele de aer.
Să presupunem că un deutron ce iese din sursa de ioni, găseste duantul din faţa sa încărcat negativ; va fi accelerat către acest duant şi va intra în interiorul său. Ajuns în interior, forţele electrice nu mai acţionează asupra sa, fiind ecranate de pereţii metalici ai duanţilor. Câmpul magnetic nefiind ecranat de duanţi, traiectoria ionului se curbează devenind circulară, cu raza, depinzând de viteză, dată de ecuaţia
r = mv/qB
După un timp t0 ionul iese din duant de cealaltă parte a sursei de ioni. Să presupunem că acum potenţialul de accelerare şi-a schimbat semnul. Deci, ionul are din nou în faţă un duant negativ, este iar accelerat şi descrie din nou în duant un semicerc, dar de rază ceva mai mare. Timpul de trecere prin acest duant este din nou t0. Aceasta deoarece perioada de rotaţie T a unui ion ce se deplasează pe o traiectorie circulară într-un câmp magnetic nu depinde de viteza ionului, ν = ν 0. Acest proces se continuă până ce ionul ajunge la extremitatea duantului unde este extras din sistem cu ajutorul unei plăci de deviere încărcată negativ. Condiţia de bază a funcţionării unui ciclotron este ca frecvenţa caracteristică ν cu care ionul se roteşte în câmp să fie egală cu frecvenţa constantă ν0 a oscilatorului electric.
Această condiţie de rezonanţa ne spune că pentru ca energia unui ion ce se roteşte să crească, trebuie să-i furnizăm energie , cu o frecvenţă ν0 egală cu frecventa proprie ν cu care ionul se roteşte în câmp. Analog, furnizăm energie unui pendul împingându-l cu o frecvenţă egală cu frecvenţa proprie de oscilaţie a pendulului.
Putem rescrie condiţia de rezonanţă, folosind ecuaţia ν=qB/2πm şi anume:
qB/2πm= ν0
Pentru un anumit ion ce este accelerat raportul q/m este fix; în mod obişnuit oscilatorul este proiectat pentru a lucra pe o singură frecvenţă ν0. Deci, se „acordă” ciclotronul, variind pe B până ce ecuaţia de mai sus este satisfăcută şi apare un fascicul accelerat.
Energia particulelor accelerate în ciclotron depinde de raza R a duanţilor. Viteza unei particule ce se deplasează pe o traiectorie circulară de rază R dată de ecuaţia r=mv/qB este:
v=qBR/m
Energia cinetică este deci:
Ec=1/2mv2=q2B2R2/2m
Join Us On Telegram @rubyskynews
Apply any time of year for Internships/ Scholarships
