- Phân tích lực từ tác dụng lên từng đoạn của khung dây Từ đó xác định
6. TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT
7.5. Máy gia tốc Xiclotron
7.5.1 Cấu tạo
7.5.2 Nguyên tắc hoạt động
Bài toán điện tích chuyển động trong từ trường đều vuông góc với vận tốc ban đầu của nó cho thấy quỹ đạo điện tích là đường tròn. Chu kì quay của điện tích không phụ thuộc vào vận tốc của nó. Tính chất này được ứng dụng trong máy gia tốc xiclôtrôn. Đây là một thiết bị quan trong trong nghiên cứu vật lý hạt nhân và các hạt cơ bản.
Cấu tạo của xiclôtrôn được chỉ ra trên hình vẽ. Nó gồm hai điện cực, có dạng hai nửa hình hộp hình chữ D (D1, D2) đặt trong một buồng chân không. Hai hộp chữ D đặt cách nhau một khe hẹp. Đặt một hiệu điện thế thay đổi tuần hoàn vào hai hộp, hai hộp D1và D2 trở thành hai điện cực. Khoảng giữa khe hẹp có một điện trường thay đổi tuần hoàn. Toàn bộ hai hộp đặt trong một từ trường đều của một nam châm điện cực mạnh có cảm ứng từ B
vuông góc với mặt hộp.
Những hạt mang điện được cung cấp từ nguồn P, đặt ở khe giữa khe hở của hai cực. Quá trình gia tốc các hạt mang điện được thực hiện làm nhiều bước. Giả sử, khi hiệu điện thế giữa hai cực là lớn nhất, ở khe giữa hai cực có một hạt mang điện
dương; khi đó hạt sẽ chịu tác dụng của điện trường và bị hút vào giữa điện cực âm. Khoảng không gian trong điện cực là đẳng thế, ở đó hạt chỉ chịu tác dụng của từ trường. Với vận tốc vừa thu được dưới tác dụng của từ trường, hạt sẽ chuyển động tròn, có bán kính tỷ lệ với vận tốc (theo công thức (2.8.5)). Người ta chọn tần số của hiệu điện thế xoay chiều bằng tần số xiclôtrôn của hạt (xác định bởi công thức (2.8.7)). Sau khi hạt chuyển động được nửa vòng tròn và đến khe hở giữa hai điện cực, thì lúc đó hiệu điện thế đã đổi dấu (sau một nửa chu kỳ) và đạt giá trị cực đại. Hạt lại được điện trường giữa hai khe tăng tốc thêm, rồi bay vào trong cực thứ hai, với vận tốc lớn hơn, do đó quỹ đạo của hạt có bán kính lớn hơn trước trong khi thời gian chuyển động của hạt trong điện cực D1, D2 thì không đổi (bằng nửa chu kỳ). Quá trình tăng tốc cứ tiếp tục mãi. Quỹ đạo của hạt có dạng gần như một đường xoắn ốc. Năng lượng cực đại Wmax có thể cung cấp cho hạt phụ thuộc vào cảm ứng từ của nam châm điện, vào bán kính quỹ đạo cực đại rmax của hạt rmax bằng bán kính các hộp).
Theo (2.8.5) , B m q v R r max max do đó: 2 2 2 2 max max R B 2m q 2 mv W
Đối với máy gia tốc xiclôtrôn, Wmax chỉ có thể đạt tới vài chục MeV. Bởi vì khi hạt thu được năng lượng lớn tới mức nào đó thì khối lượng m của hạt tăng lên do hiệu ứng tương đối tính dẫn đến điện tích riêng giảm. Theo (2.8.7) tần số xiclôtrôn giảm, sự đồng bộ giữa tần xiclôtrôn và tần số điện trường không còn vì vậy hạt không được tăng tốc nữa. Khi đó, muốn cho năng lượng của hạt lớn, cần phải là thay đổi tần số của hiệu điện thế tăng tốc (trong máy gia tốc phazôtrôn) hoặc là thay đổi từ trường sao cho tỷ số B
m
không đổi (trong máy xinclôtrôn) hoặc cả tần số của hiệu điện thế tăng tốc lẫn từ trường đều biến đổi. Lúc đó hạt có thể gia tốc tới năng lượng hàng chục GeV
C. KẾT LUẬN
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông là việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗi giáo viên. Qua việc xác định và phân tích những kiến thức cơ bản trong phần “Từ trường” đã giúp bản thân hiểu rõ các kiến thức đó một cách sâu sắc hơn. Từ đó, một phần nâng cao kiến thức của bản thân, một phần làm tài liệu tham khảo khi giảng dạy phổ thông sau này. Qua đó, có thể giúp học sinh nắm vững kiến thức của phần này, giải thích được một số hiện tượng trong cuộc sống, hiểu được những ứng dụng cũng như tác hại của các hiện tượng đó trong kĩ thuật và đời sống.