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un cyclotron, ou accélérateur circulaire, est une machine utilisée pour accélérer des faisceaux de particules chargé électriquement (normalement ions la lumière) en utilisant un courant alternatif haut fréquence et haute tension, en association avec un champ magnétique perpendiculaire.

Le chemin parcouru par les particules est en spirale à partir du centre. Après avoir atteint le bord extérieur de la machine, le faisceau sort à grande vitesse, à côté de la vitesse de la lumière.

Le cyclotron a été inventé 27 Janvier 1930 et mis au point en 1932 physiquement Ernest Orlando Lawrence et il est encore utilisé aujourd'hui médecine, principalement pour le traitement de tumeurs.

opération

cyclotron
Un cyclotron de 150 centimètres de diamètre de 1939, d'où émerge un faisceau de particules accélérées (protons et deutérons) que ioniser l'air provoquant un éclat bleu.

Le principe utilisé est le résonance cyclotron ionique. A l'intérieur de la chambre à vide circulaire il y a deux électrodes en forme de câbles semi-circulaires . Les deux électrodes sont comme deux coquilles juxtaposées aux ouvertures (la partie plate de ). Ces électrodes peuvent être affectés par les particules parasites qui provoquent le chauffage et doit être refroidi par circulation d'eau dans des tubes spéciaux. La chambre est placée entre les pièces polaires d'un aimant puissant, de sorte que le champ traverse le plan sur lequel se trouvent les électrodes.

Lorsqu'une particule est introduit tangentiellement dans la chambre, perpendiculairement au champ magnétique, il est dévié et maintenue sur une orbite circulaire à la suite de force de Lorentz. Dans le vide, la particule est libre de tourner, mais lentement perdre la puissance (toutes les charges électriques, si accéléré, émettent des photons, appelé Bremsstrahlung), Le long d'un trajet en spirale vers le centre.

Si est maintenant appliqué à une différence de potentiel alternative appropriée entre les deux électrodes à haute fréquence, les particules subissent une accélération quand ils passent dans l'espace entre eux. Accélérer le diamètre orbite augmente, jusqu'à ce que le faisceau ne sort pas tangentiellement depuis le bord de l'appareil.

cyclotron
Schéma d'un cyclotron.

Principe de fonctionnement

la force centripète qui retient les particules dans la trajectoire circulaire, il est généré par le champ magnétique transverse B en raison de la force de Lorentz. La grandeur de la force est équivalente à B q v, pourquoi:

m est le masse particules, q est le bureau, v est le vitesse et r est le faisceau de trajectoire.

où:

parce que v / r équivalent à la vitesse angulaire ω, nous avons:

la fréquence de rotation est corrélée à la vitesse angulaire selon l'équation:

à partir de laquelle, en remplaçant ω, vous obtenez:

On peut voir que, pour une particule de masse constante la fréquence requise est indépendante du rayon de l'orbite. Lorsque le faisceau élargit en spirale de sa fréquence de rotation ne diminue pas, étant donné que la particule continue à accélérer, le long de la plus grande longueur de l'orbite dans le même temps.
Lorsque la particule approche vitesse de la lumière le traitement de la non-relativistes exposée ci-dessus ne suffit plus, et cela nécessite des corrections à la fréquence ou l'intensité du champ magnétique.

avantages

cyclotron
L'aimant d'un synchrocyclotron dans un centre de protonthérapie à Orsay

Le cyclotron a été conçu avec l'intention de dépasser les limites de 'accélérateur linéaire. Dans ce dispositif les particules chargées sont accélérées dans une ligne droite dans un Tube à vide contenant une série d'électrodes cylindriques. Pour ces électrodes, il est appliqué un potentiel électrique alternatif de sorte que le potentiel des particules suivantes sa position est toujours attrayante.

Au moment où il n'a pas été possible de générer les ondes radio simultanément à haute fréquence et haute puissance, pour laquelle les étapes d'accélération doivent être espacés les uns des autres (pour avoir le temps de changer le potentiel de l'électrode avant l'arrivée de la particule) ou plusieurs étages (pour compenser la puissance limitée était nécessaire) . Pour obtenir des hautes énergies est nécessaire de construire des accélérateurs longs et au-delà d'une certaine limite trop cher. Par la suite, les accélérateurs linéaires pourraient avoir plus de puissance, mais le cyclotron est encore plus pratique.

Même le cyclotron a des limites. L'accélérateur linéaire est supérieure à la Stanford Linear Accelerator (SLAC), ainsi que 3,2 km et beaucoup plus puissant que le plus grand cyclotron. Ces hautes performances sont également atteint grâce à l'utilisation de générateurs à haute fréquence de forte puissance, la klystron.
Parce que le cyclotron accélère les particules sur une trajectoire circulaire, il est possible d'obtenir de longs chemins dans un petit espace et peut être alimenté avec un seul système électronique et relativement peu coûteux.

limites

En dépit des améliorations significatives réalisées dans le temps, la structure du dispositif limite sa commodité économique pour des puissances très élevées. Le principal problème est que pour obtenir des énergies élevées, il est nécessaire d'augmenter la diamètre du tube, puis chambre vide, la aimant et l'intensité du champ produit par ce produit.
Cette limite a été dépassée à l'invention de synchrocyclotron qui permet de résoudre les problèmes causés par effets relativistes et synchrotrons qui permet de surmonter le problème du champ magnétique et la taille limitée du cyclotron.

technologies dérivées

Le mouvement en spirale des électrons dans une chambre à vide dans un champ magnétique est également utilisé dans magnétron, un dispositif utilisé pour générer micro-onde.

en synchrotrons les particules sont faites pour fonctionner sur une trajectoire de rayon constant, ce qui permet de fournir une machine de formage de tube (plus précisément toroïdal) De plus, plus pratique du cyclotron.

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