DIY elektronenversneller: Een kathodestraalbuis in een wijn fles (1 / 13 stap)

Stap 1: Ontwerp/theorie

Zo complex als het idee van een deeltjesversneller lijkt, is het eigenlijk opvallend eenvoudig te implementeren. Het ontwerp dat we zullen gebruiken was voor het eerst gemaakt in de late 19e eeuw door J.J. Thomson en vervolgens gebruikt om verscheidene belangrijke ontdekkingen over de fundamentele aard van het Atoom en het elektron. Verderop, in de vroege 20e eeuw, Cockroft en Walton (yup, het dezelfde hooligans die verantwoordelijk is voor de voltage multiplier) gebruikt een gelijkaardig ontwerp om te bouwen van de eerste echte elektrostatische lineaire versneller of "statische linac" voor kort. Geavanceerde versies van dit soort versneller worden tegenwoordig vaak gebruikt voor radiotherapie, ionenimplantatie.

In wezen, onze kathodestraalbuis is slechts twee elektroden in een vacuuemcel met een hoge spanning toegepast tussen hen. Wanneer genoeg van de lucht in de kamer is verwijderd, zullen de elektronen vrij versnellen van de negatieve elektrode (kathode) naar de positieve elektrode (anode). Echter, in plaats van de invloed van de anode en terug te keren naar de voeding, sommige elektronen rechts voorbij zal vliegen en blijven gaan totdat ze een glazen wand hit.

Een aantal interessante effecten die kunnen worden waargenomen in dit stadium zijn sputteren en magnetische doorbuiging.

Sputteren:

Als de versnelling potentiële hoog genoeg is, zullen dan sommige elektronen opvallend van de anode hebben genoeg energie te kloppen metaalionen rechts af de elektrode. Deze ionen worden gestort op de muren van de kamer in de buurt van de anode en een zilverkleurige band enigszins denken aan de "getter" binnenkant van een oude vacuum tube zal maken.

Magnetische uitwijking:

In de natuurkunde, we allemaal geleerd de Lorentz-kracht-wet ( F = q [E + v x B]), of de kracht op een punt kosten als gevolg van elektromagnetische velden. In dit verband het vertelt ons dat elektronen zal worden versneld van de kathode naar de anode due E, het elektrostatische veld gemaakt door de voeding van de hoogspanning en dat die elektronen ook versneld zal worden door een ander veld, B, op een wijze die is afhankelijk van de snelheid, v, van de elektronen. Aangezien de vectoren van de snelheid van de elektronen ongeveer van de kathode naar wijzen zal de de anode zonder een extern magnetisch veld, we kunnen dit gebruiken om te achterhalen welk effect een magnetisch veld hebben zal als wij een introduceren.

Laten we zeggen dat we een magneet dicht bij de buis brengen terwijl het wordt energiek en wij passen zodat het veld ongeveer loodrecht op het glasoppervlak van de Vacuuemcel is. Als we qv berekenen x B, vinden we dat de kracht als gevolg van het magnetische veld loodrecht op de paden van de elektronen en het magnetisch veld (door de definitie van een kruisproduct staat). Met andere woorden, de magneet buigt de paden van de elektronen en dit effect wordt versterkt door de duur dat de elektronen in het veld besteden. Dit effect kan gemakkelijk worden waargenomen binnenkant van onze kathodestraalbuis als een magneet aanwezig is in de buurt.

Ik heb ook een diagram van de mechanische constructie van de versneller te geven een ruw idee van hoe alles werkt.