¿Qué? Un dispositivo que se usa para acelerar partículas cargadas positivamente (como protones, deutrones, partículas alfa y ciertos otros iones positivos más pesados) a energías muy altas (o velocidades) deseadas.
Introducido por Lawrence, Livingstone
Principio: Se puede hacer que una partícula cargada positivamente acelere a grandes energías / velocidades haciéndola pasar varias veces por un valor moderado de campo eléctrico. Esto se puede hacer con la ayuda de un fuerte campo magnético perpendicular.
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Teoría: cuando una partícula cargada de masa m una carga q entra en un campo magnético, B , con una velocidad v en una dirección que es perpendicular a la dirección del campo magnético, B , la partícula cargada se moverá en un movimiento circular donde, la fuerza centrípeta es proporcionada por la fuerza magnética y el radio de este camino circular alcanzado será:
r = (mv) / (qB)
El período de revolución de la partícula cargada será,
T = 2pir / v = (2pim) / (qB)
Por lo tanto, la frecuencia de revolución de la partícula cargada será:
f = (qB) / (2pim) = (v) / (2pir) = frecuencia de ciclotrón
Construcción:
1. Hay dos cilindros metálicos evacuados huecos en forma de D, D1 y D2, hechos de materiales altamente conductores. Estas dees se colocan horizontalmente, diametralmente opuestas entre sí. Están ligeramente separados uno del otro.
2. Estos dees se conectan a un oscilador de alta frecuencia que proporciona polaridad igual y opuesta a los dees en cualquier instante de tiempo. Sin embargo, esta polaridad sigue invirtiéndose regularmente.
3. Los dees se mantienen entre dos electroimanes muy fuertes. Así, los dos dedos se colocan en un campo magnético perpendicular a ellos.
4. Toda esta disposición se coloca en una caja de vacío fuertemente sellada para que las moléculas de aire no choquen con la partícula cargada.
5. La fuente de partículas cargadas positivamente que se van a acelerar se coloca cerca del centro de los dedos.
6. La partícula cargada se saca de las paredes con la ayuda de una placa deflectora, por la ventana, W.
Por lo tanto, la dirección del campo eléctrico es horizontal y la dirección del campo magnético es vertical.
Trabajando:
Ahora suponga que en cualquier instante de tiempo, D1 es positivo y D2 es negativo. Introducimos la partícula cargada positivamente en el espacio entre los dos dees. La partícula luego encuentra el campo eléctrico que actúa de D1 a D2. Por lo tanto, la partícula cargada se mueve en la dirección del campo eléctrico y se acelera y entra en D2. Tan pronto como entra en este dee, entra en un espacio libre de campo. Este espacio está libre de campo eléctrico porque, al ser un conductor hueco, tiene efecto de blindaje. Sin embargo, esta partícula cargada está en un campo magnético que la lanza en un movimiento circular. La partícula luego alcanza una trayectoria circular, de un radio, digamos r y con una velocidad constante, digamos, v. Después de completar un semicírculo, alcanza la periferia / circunferencia diametral de la profundidad. A medida que la partícula cargada sale del dee y alcanza el espacio entre los dos dees, el oscilador se ajusta de tal manera que la polaridad de los dees cambia al mismo tiempo. Así, tan pronto como la partícula alcanza el espacio, la partícula encuentra D2 como positivo y D1 como negativo. El campo eléctrico ahora actúa en una dirección de D2 a D1. La partícula cargada positivamente se mueve a lo largo de la dirección del campo eléctrico. El campo eléctrico acelera la partícula cargada positivamente más lejos de v. La partícula luego ingresa a D1 y nuevamente se mueve en una trayectoria circular con una velocidad y radio constantes. Sin embargo, esta vez, el radio y la velocidad tendrán un valor mayor. Nuevamente, tan pronto como la partícula cargada sale del dee, la polaridad de los dees se invierte y la partícula se acelera aún más, brevemente en el espacio entre los dees y luego ingresa al siguiente dee y así sucesivamente. Sin embargo, a medida que el radio del camino circular alcanzado por la partícula cargada continúa aumentando junto con la velocidad, después de un cierto punto, ya que casi llega a las paredes de los dees (el radio del camino alcanzado se vuelve casi igual al radio del Dees), una placa desviadora desvía esta partícula cargada que ahora tiene una energía o velocidad muy alta, y la partícula cargada sale de la ventana, W y luego golpea el sitio objetivo.
Limitaciones:
1. Un ciclotrón no puede usarse para acelerar electrones porque los electrones son de muy pequeña masa. Por lo tanto, la velocidad aumentará en tal medida que el electrón será expulsado del escalón con el campo oscilante.
2. Un ciclotrón no puede usarse para acelerar partículas neutras.
3. Según la teoría especial de la relatividad de Einstein, la masa de la partícula cargada debería aumentar a medida que aumenta la velocidad de la partícula. Por lo tanto, la frecuencia del ciclotrón debería disminuir a medida que aumenta la masa. Esto arrojará la partícula fuera de resonancia con el campo oscilante, lo que significa que cuando la partícula alcanza el espacio entre los dees, la polaridad de los dees no cambiará. Por lo tanto, la partícula no se acelerará más.
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