Hur konstrueras en cyclotron och hur fungerar det?

Cyklotron är en laddade partikelaccelerator. Det fungerade tillräckligt bra till netto Ernie Lawrence, dess uppfinnare, Nobelpriset i fysik för att skapa och utveckla den. (Props till ungerska Sándor Gaál, men ordet på gatan är att han var lite senare än vår pojke Ernie.) Det här är inte alla komplex, men eftersom vi är här på sidan, vi måste hoppa runt lite att få allt läggas ut. Bättre spänne upp. Vi kommer beröra teori här och där och göra mekanik längs vägen i bitar för att komma fram till en fungerande slutprodukt. Förhoppningsvis. Låt oss bygga en, koppla in den och brand upp för att se vad som händer. Använd länkarna där föreslog. (Du kommer inte att vara Rickrolled. Löfte.) Vi ska börja med lite bakgrund. Är du redo? Kliva upp.

En av de fyra grundläggande krafterna i universum är den elektromagnetiska kraften. Inte den elektriska kraften. Inte magnetisk kraft. Den elektromagnetiska kraften. Elektrostatik och magnetics är oupplösligt sammanflätade. Helst en laddade partiklar rör sig, det skapar ett litet magnetfält runt dess väg av resor. Hela tiden. Varje gång. Som sätter scenen för samspelet mellan laddade partiklar och magnetiska fält. Helst det finns relativa rörelse mellan en laddade partiklar och ett magnetfält, kommer att en kraft agera dem emellan. Rörelse kan resultera. Släktingen vinkar innebär laddade partikeln måste gå "över" eller "genom" magnetiska kraftlinjer och inte "längs" eller parallellt med dem. Vet du redan den grundläggande lagen av Elektrostatik: mittemot avgifter lockar och som avgifter avvärja, ja? Bra. Låt oss hoppa.

Bild en hockey puck. Nu bild det större i diameter, men inte i tjocklek. Göra den lika stor som, säg, en liten tallrik. Jag fattar? En tunn skiva är vad vi har. Nu bild det av metall. Nu bild det ihåliga så vi har bara skalet. Bara en tallrik storlek skiva som är ihålig. Vi bra? Nu skär den på mitten över dess diameter och har du två saker formade som bokstaven "D" och de ska vara ihålig. Lägg dem i en fixtur till hålla dem de var precis efter du skär dem. Vad du har är din ursprungliga skivan halveras med öppningarna inför varandra och ett litet gap mellan dem. Det ihåliga utrymmet inuti är det "hålet" och det kommer att vara "lekplats" för våra partiklar. Och gapet mellan dem kommer att låta oss krok en strömförsörjning till de två halvorna, att två D's, och ladda dem oppositely när vi behöver. Ett par saker och vi är tight.

Först, slå hål på utsidan av en D att bilda ett utträde från hålighet. Sedan sätta hela i en åtsittande paket så vi kan pumpa all luft ut från inuti och runt DS och deras lilla elektriska isolatorer som stöder dem. Kom ihåg det lilla hålet gjorde vi i en av D's? Vi måste ha ett hål i vårt paket att låta partiklarna när de kommer ut hålet i D. Nu fokus. Partiklarna kommer att komma ut i en tangent från kanten av skivan. Bild detta tydligt. En partikel kommer att röra sig längs insidan kanten av hålet i en virtuell krets. Det kommer att gå i en cirkulär bana, och kommer att glida ut utloppet och resor i en rak (tangens) linje kommer ut därifrån, och det är det sätt vi har att ordna våra "exit tunnel" från setup. Om någon svängande en vikt på en sträng om sig själv, och strängen bröt, skulle vikt flyga iväg i en rak linje, tangens, från den punkt där det var när strängen bröt. Våra hål i D och utlopp tunneln eller röret kommer att underlätta att typ av utgång, kommer att göra upp den vägen, okej? Kolla länken GSU hyperphysics på denna punkt för att se en ritning av den interna setup och sedan komma tillbaka för att vi är redo att hoppa. Här går vi.

Vi kommer att bygga en stor, stor elektromagnet. Bild en stor Stock. Göra det om, vad sjutton, tre fot i diameter. Det är stor. Och ganska lång. Nu bild det av järn. En stor, Cylindrisk bit av järn. Sedan wrap omkring en zillioner vändna av tunga gauge tråd runt mitten. Lämna rummet i ändarna av loggen så vi kan böja dem. Nu står stocken på slutet och böj båda ändar över och in mot varandra för att göra en stor bokstaven "C" av dem. Jag fattar? Vår spolen är mitt i "back" av C och ändarna komma över, kommer och kommer i att skapa en liten lucka mellan dem. Bara stor nog att sätta vårt lilla paket i. Våra paket är uppsättningen DS Det passar bara inuti gapet i ändarna av big C vi just gjort. Om vi tar sedan ändarna av kabeln vi brukade wrap spolen och koppla dem till en gigantisk DC-källa, vi får massor av strömmen genom spolen och skapa en super elektromagnet med en galen tät fältet över den lilla skillnaden där våra tillslutna och evakuerade paketet kommer att sitta. Magnetfältets kraftlinjer är raka över klyftan av C, och de är vinkelrätt mot den vår D i våra paket. Det är ett viktigt begrepp. Plan DS är i rät vinkel till kraftlinjer av den stående magnetiska fältet var genererar när vi slår på elektromagneten. Gå till cyklotron Wikipediaartikeln på denna punkt och bläddra ner till bilden av den unga kvinnan står utanför bredvid en cyklotron elektromagnet och pole bit församling. Du kan se här är faktiskt två "C's" (de är de mörka sakerna i slutet och fjärran) som stöder de vita cirkulära strukturerna. Det lilla utrymmet mellan den vita thingies är där vårt paket med DS kommer att gå. Det kommer att sitta rätt mellan pole bitar. Vi bra?

Låt oss granska. Vi har ett par ihåliga D sitter på isolatorer med en liten lucka mellan dem. Har vi en tråd ansluten till varje D så vi kan electrify dem. Vi har allt som i ett hölje, så vi kan pumpa ner trycket och skapa ett vakuum. Paketet sitter inuti ett sjukt magnetfält som vi upprätthåller med tillräckligt med el (även om vi använder DC) att driva upp en liten stad. Låt oss krok upp våra "D ledningar" till en stor, hög frekvens alternerande spänningskälla så vi kan skjuta saken upp och ner.

Även cyclotronen kan användas att accelerera elektroner eller protoner, var protoner utan tvekan mer användbart att fysik. Och de är mycket roligare! Hej, vi har precis byggt en partikelaccelerator! Vill du skjuta ping pong bollar ur det eller bowling bollar, hmm? Tänkte så. Vi behöver några protoner. Har UPS kommit ännu? Glöm det. Vi ska bara göra några. Vart är vätet? Få det gas över här. Vi pumpa några väte i en "strippa" som använder hög spänning för att jonisera gasen. Med elektronen slits bort, har vi en väte kärna. En proton. Ibland med en neutron. Eller två. Vi får dessa i mitten av hålrummet skapad av vår ihåliga D Nu börjar roligt!
Vi tillämpar en hög spänning för DS En D är positiv och den andra D är negativa. Protonerna är positivt. De attraheras elektrostatiskt negativt D och drevs tillbaka av positivt D och de flyttar. Åh, men dåliga nyheter. Det finns en ond magnetfält som de måste simma genom. Så de är avlänkas. Det är blir knepigt här, men du har kommit så långt. Det är bara en mer hopp. Protonerna är åter av en D och drog av den andra, de flyttar och cross klyftan. Och när de passerar klyftan, vi vända polariteten av spänningen till DS Protonerna är, som "vi kom precis från därborta eftersom vi var skjuts ut av positivt och drog här av negationen och nu du gå och vända polariteten av spänningen på DS och vi måste gå tillbaka! Vad är upp med det? " Så kommer protonsna att vilja reagera på den föränderliga spänningen och gå fram och tillbaka över klyftan mellan DS Men med den jätte magnetfält genom vilka de små killarna måste flytta, de reser i en båge. Vad som händer är att när de flyttar fram och tillbaka och få energi och gå i en båge, de faktiskt spiral från inne till utanför D's Bryta här att fokusera på detta:
Denna komplexa rörelser, vektorerna ristat av de rörliga avgifterna svar till de elektrostatiska fält och den "skeva" skapad när deras egen rörelse-genererade magnetfält interagerar med stående magnetfältet vi skapat med våra magnet, är hjärtat och själen av vad som gör denna maskinarbete, är vad denna maskin handlar om.

Avslutning få de positiva jonerna (protoner, plus, kanske en neutron eller två) energi med varje ögonblick och slut upp verkligen dragande rumpa när de når den yttre kanten av lekplatsen. De flyger ut genom utloppet (på den tangent som vi talade om) och ner adjö tunneln vi in i vårt paket och sluta smäller i ett mål som vi placerar i slutet av körningen. Blamm! Proton-target interaktion. Spridning. Och om vi "rigga" våra väte för att förbättra tungt väte koncentration a la tungt vatten, kan vi skjuta större kulor på en regelbunden basis. Tillfångatagandet av tungt väte ger oss möjlighet att upp andelen proton-neutron kärnor och proton-neutron-neutron kärnor använder vi som kulor i våra particle cannon. Det verkar bara hålla blir bättre! Föreställ dig möjligheterna till spridning.

Skumma artiklarna och stärka ditt grepp på drift av maskinen som ändrat fysik. Vi har hoppat några små saker, och (förmodligen viktigare) alla tråkiga matte sammanhänger med driften av maskinen. Genom att bara hålla sig till grunderna och skissa det, har vi en ganska bra uppfattning om hur saken fungerar. Matten är förresten inte riktigt tråkiga. Och det är inte så tuff. Som din matematik skillz förbättra, du kan komma tillbaka och riva upp formlerna i alla artiklar. Det är inte så svårt, verkligen. Det är inte rocket science. Bara kärnfysik. Stor skillnad. Hej titta, mamma! Jag gör kärn-fysik!