2) 1 раз
3) 4 раза
4) 5 раз
В циклотроне частица движется между двумя полыми электродами D-образной формы, называемыми дуантами, в постоянном магнитном поле. Внутри дуанта электрическое поле практически отсутствует, поэтому частица движется по полуокружности под действием силы Лоренца. За один полный оборот она последовательно проходит две полуокружности и дважды оказывается в зазоре между электродами.
Ускоряющий промежуток пересекается при переходе частицы из одного дуанта в другой и затем при обратном переходе после движения по второй полуокружности. В зазоре действует переменное электрическое поле, синхронизированное с периодом обращения частицы, поэтому при каждом пересечении электрическая сила увеличивает её кинетическую энергию. Следовательно, за один оборот частица проходит ускоряющий промежуток 2 раза.
Условием такого режима является циклотронный резонанс: частота изменения ускоряющего напряжения должна соответствовать частоте обращения частицы в магнитном поле. В нерелятивистском приближении она определяется выражением f = qB/(2πm), где q — заряд частицы, B — магнитная индукция, m — масса частицы. При каждом пересечении зазора частица получает дополнительную энергию, а магнитное поле изменяет направление движения, но в идеальном случае не совершает работы.
| Элемент или этап | Физический принцип |
|---|---|
| Два дуанта | Полые электроды, внутри которых частица движется по полуокружности |
| Ускоряющий промежуток | Зазор между дуантами, где действует электрическое поле и изменяется энергия частицы |
| Число пересечений за один полный оборот | Два: по одному переходу в каждый дуант |
| Роль магнитного поля | Искривляет траекторию частицы и обеспечивает движение по полуокружностям; работы над частицей не совершает |
| Роль переменного электрического поля | Ускоряет частицу при каждом прохождении зазора |
| Условие синхронизации | Смена полярности напряжения должна совпадать с моментом подхода частицы к зазору |
| Изменение энергии за оборот | В идеализированной модели энергия увеличивается при двух ускоряющих переходах; величина зависит от заряда и напряжения между дуантами |
Таким образом, правильный ответ определяется геометрией движения частицы между двумя дуантами. Полный оборот складывается из двух полуокружностей, разделённых двумя прохождениями зазора. Нарушение синхронизации электрического поля с движением частицы приводит к снижению эффективности ускорения. При релятивистских скоростях масса частицы возрастает, поэтому обычный циклотронный режим ограничивается и применяются специализированные ускорители.