Acelerador de electrones DIY: Un tubo de rayos catódicos en una botella de vino (1 / 13 paso)

Paso 1: Diseño/teoría

Tan complejo como la idea de un acelerador de partículas podría parecer, es realmente sorprendentemente fácil de implementar. El diseño que utilizaremos fue creado por J.J. Thomson a finales del siglo XIX y posteriormente utilizado para hacer varios descubrimientos importantes sobre la naturaleza fundamental del átomo y el electrón. Más tarde, a principios del siglo XX, Cockroft y Walton (sí, el mismo hooligans responsables para el multiplicador de voltaje) utiliza un diseño similar para construir el primer verdadero electrostática lineal acelerador o "linac estática" para el cortocircuito. Hoy en día, versiones avanzadas de este tipo de acelerador se utilizan comúnmente para la implantación de la radioterapia y ion.

Esencialmente, nuestro tubo de rayos catódicos es sólo dos electrodos en una cámara de vacío con un alto voltaje aplicado entre ellos. Cuando se ha eliminado lo suficiente del aire en la cámara, libremente acelera electrones desde el electrodo negativo (cátodo) hacia el electrodo positivo (ánodo). Sin embargo, en lugar de afectar el ánodo y regresar a la fuente de alimentación, algunos electrones volarán justo delante de ella y seguir adelante hasta que una pared de vidrio.

Algunos efectos interesantes que se pueden observar en esta etapa son farfulla y magnética desviación.

Farfulla:

Si la aceleración potencial es lo suficientemente alta, entonces algunos electrones llamativo el ánodo tendrá suficiente energía para eliminar los iones del metal del electrodo. Estos iones se depositarán en las paredes de la cámara cerca del ánodo y crearán una banda de plata algo evocador de lo "getter" dentro de un viejo tubo de vacío.

Deflexión magnética:

En la física, todos aprendimos la ley de la fuerza de Lorentz ( F = q [E + v x B]), o la fuerza en un punto de carga debido a campos electromagnéticos. En este contexto, nos dice que se acelerará los electrones desde el cátodo hacia el ánodo debido E, el campo electrostático creado por la fuente de alimentación de alto voltaje y que también serán acelerados los electrones por otro campo, B, de manera que depende de la velocidad, v, de los electrones. Puesto que los vectores velocidad de los electrones se hará señalamiento alrededor del cátodo para el ánodo sin un campo magnético externo, podemos utilizar esto para averiguar qué efecto de un campo magnético tendrá si introducimos uno.

Digamos que traemos un imán cerca del tubo mientras se energiza y alinee para que su campo sea aproximadamente normal a la superficie de la cámara de vacío. Si calculamos qv x B, encontraremos que la fuerza debido al campo magnético es perpendicular a las trayectorias de los electrones y el campo magnético (por la definición de producto Cruz). En otras palabras, el imán curva las trayectorias de los electrones y este efecto es amplificado por la duración que los electrones pasan en el campo. Este efecto puede ser observado fácilmente dentro de nuestro tubo de rayos catódicos si está presente un imán cercano.

He incluido un diagrama de la estructura mecánica del acelerador para dar una idea aproximada de cómo todo funciona.