Warum verwenden wir in einem Zyklotron nicht viertelkreisförmige Dees anstelle von halbkreisförmigen Dees?

Die überwiegende Mehrheit der Forschungszyklotrone verwendet nicht mehr das klassische Lawrence-Design. Das Zyklotron von Lawrence war in vielerlei Hinsicht der einfachste Kreisbeschleuniger, den man bauen kann, und spätere Konstruktionen sind viel komplexer. Trotzdem können wir uns immer noch ein klassisches Zyklotron mit vier Beschleunigungsspalten vorstellen.

Um es kurz zu wiederholen: Das Zyklotron verwendet ein senkrechtes Magnetfeld, um beschleunigte Ladungen in einem kreisförmigen Bereich zu halten. Während sie zirkulieren, überqueren die Ladungen die Lücke zwischen den "Dees" und erfahren dort die elektrischen Felder, die zeitlich so abgestimmt sind, dass sie für Beschleunigung sorgen. Für einen gegebenen Teilchenimpuls ist der Bahnradius durch den Larmor-Radius gegeben :

Meistens ist die Leistungszahl, um die wir uns kümmern, die Energie. In der realen Welt sind wir durch den Radius (wie groß wir das Zyklotron machen) und das erreichbare Magnetfeld begrenzt. Für ein gegebenes r und B wird das Hinzufügen weiterer Beschleunigungslücken die maximal erreichbare Energie natürlich nicht erhöhen. Es wird, wie Sie betonen, ein Teilchen schneller auf Geschwindigkeit bringen. Folglich wird es auch den Abstand zwischen den Umlaufbahnen erhöhen, wenn sich die Partikel spiralförmig nach außen bewegen. Für die meisten Anwendungen spielt die Zeit, die zum Beschleunigen von Partikeln benötigt wird, keine Rolle. Die Umlaufbahntrennung war in den frühen Tagen auch nicht so wichtig, da es oft nicht erforderlich war, den Strahl zu extrahieren (stellen Sie Ihr Ziel einfach in den Weg der Spirale). Es gab also keinen zwingenden Grund, etwas Komplexeres als zwei Dees zu haben.

Heutzutage ist die Trennung zwischen Umlaufbahnen jedoch sehr wichtig, da wir häufig einen Partikelstrahl aus einer Maschine extrahieren müssen. Sie möchten eine gute Trennung, um eine saubere Erfassung und geringe Verluste zu gewährleisten, wodurch die radioaktive Aktivierung von Maschinenkomponenten reduziert wird.

Es gibt andere Probleme (relativistische Effekte, Phasen-/Orbitstabilität), die zu Zyklotrondesigns geführt haben, die weit vom klassischen Zyklotron entfernt sind. Beispielsweise verwendet das 590-MeV-Zyklotron am PSI (das ein Zyklotron mit "getrenntem Sektor" ist) vier Haupt-HF-Hohlräume (anstelle von Dees), die zwischen seine acht Magnete passen. Das supraleitende Zyklotron K1200 an der MSU hat immer noch "Dees", aber ihre Form unterscheidet sich erheblich von einem "D".