3.1.5.2. Циклотрон

Циклотрон – это простейшее устройство, предназначенное для ускорения заряженных частиц до значений энергии ~эВ.

Рис.167

Он состоит из двух металлических полукруглых полых электродов, имеющих вид коробок и называемые дуантами (рис.167). К дуантам приложено переменное напряжение в несколько киловольт.

Перпендикулярно плоскости дуантам (плоскость чертежа) направлено магнитное поле . Пусть в начальный момент времени из источника заряженных частиц (u) вылетает положительная частица (на рис.167 обозначается стрелкой направо) и в этот момент верхний дуант подаем отрицательный потенциал, а нижний – положительный. Тогда частица ускоряется (на частицу действует сила Лоренца и электрическая сила) и влетает в верхний дуант и будет двигаться по параболе. В момент выхода (точка A) из верхнего дуанта поменяем полярность

потенциалов, т.е. верхний дуант на плюс, а нижний на минус, электрическое поле направлено сверху вниз. При этом на частицу будет действовать электрическая сила, направленная от A к C, сила Лоренца перпендикулярна электрической силе, и частица ускоряется. Далее в момент выхода из нижнего дуанта (точка D) опять поменяем знаки потенциалов: верхний – на минус, нижний на плюс, то под действием электрического поля частица вновь ускоряется и т.д. Каждый раз меняя полярность потенциалов дуантов в момент выхода частицы из дуантов, ускоряем частицу. Ускорение частицы возможно, если частота изменения полярности потенциала (т.е. частота переменного напряжения) совпадает с частотой обращения частицы (с циклотронной частотой ). При этом частица приобретает максимальную кинетическую энергию. Найдем ее.

Радиус орбит частицы согласно п.3.4.3.1. определяется формулой (379):

Кинетическая энергия частицы равна и с учетом (379) получим:

(404)

Энергия частицы зависит от B.

Если зададим , и Кл, кг для протона, то энергия ускоренного протона в (эВ) равна

эВ=16 МэВ.

Существуют другие более мощные ускорители частиц: бетатрон, синхрофазотрон, БАК(большой адронный коллайдер) и т.д.

Магнетрон

Магнетрон – это устройство, предназначенное для генерации мощных электрических колебаний высокой частоты, используемых в радиолокационных станциях слежения спутников.

Термин “магнетрон” был предложен А.Халлом в 1921году, который впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы прибора в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. Дальнейшие исследования, разработки новых конструкций и применение магнетронов провели А.Жачек, Д.Рэндалл, Г.Бут и другие.

Основные характеристики:

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 5 Мвт в импульсном режиме. КПД составляет до 80%.

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (~10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой — ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетроны сверхвысоких частот (СВЧ) используются в радиолокационной технике. Резонансный магнетрон состоит из одного блока, который представляет собой металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющими роль объемных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплен подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создается внешними магнитами.

Простой магнетрон для измерения удельного заряда представляет собой двух электродную лампу, содержащую накаливаемый катод и холодный анод и помещаемую во внешнее магнитное поле (рис.168).


Рис.168	Рис.169

Если бы магнитного поля не было, то электроны, вылетающие из катода радиусом а, двигались бы в электрическом поле вдоль прямых линий (на рис.168 при ), перпендикулярно катоду и все попадали бы на анод (А).

При наличии магнитного поля траектории электронов искривляются из-за действия на электроны силы Лоренца. Если магнитное поле достаточно велико, то траектории электронов не пересекаются плоскости анода и имеют вид, изображенный на рис.169. В этом случае ни один электрон не достигает анода (рис.168 ). Из опытов и теории следует, что для каждого данного напряжения U между катодом и анодом существует некоторое критическое значение магнитной индукции , при котором траектории электронов касаются поверхности анода.