Ciclotrón
El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociadas a los campos eléctricos intensos.
El primer ciclotrón en Sudamérica fue construido por el ingeniero argentino Mario Báncora, quien fue discípulo de Lawrence en Berkeley.
[1] El ciclotrón consta de dos placas semicirculares huecas, que se montan con sus bordes diametrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme que es normal al plano de las placas y se hace el vacío.
A dichas placas se les aplican oscilaciones de alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas.
Como consecuencia, durante un semiciclo el campo eléctrico acelera los iones, formados en la región diametral, hacia el interior de uno de los electrodos, llamados Ds, donde se les obliga a recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético y finalmente aparecerán de nuevo en la región intermedia.
El campo magnético se ajusta de modo que el tiempo que se necesita para recorrer la trayectoria semicircular dentro del electrodo sea igual al semiperiodo de las oscilaciones.
En consecuencia, cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá invertido su dirección y los iones recibirán entonces un segundo aumento de la velocidad al pasar al interior de la otra 'D'.
Por consiguiente, si los iones emplean exactamente medio ciclo en una primera semicircunferencia, se comportarán de modo análogo en todas las sucesivas y, por tanto, se moverán en espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que alcancen la periferia del aparato.
Una partícula con carga eléctrica realiza un movimiento circular uniforme describiendo una trayectoria de media circunferencia.
El módulo de la fuerza, es por tanto, aplicando las propiedades del producto vectorial:
Además, como se trata de un movimiento circular uniforme, la fuerza magnética actuará como fuerza centrípeta; y aplicando la segunda ley de Newton, obtenemos por tanto la igualdad
El tiempo que tarda en hacer dicho recorrido es independiente del radio mencionado.
Cuando el ion completa una semicircunferencia en el tiempo constante P1/2, se invierte la polaridad por lo que el ion es nuevamente acelerado por el campo existente en la región intermedia.
Podemos calcular el semiperiodo, teniendo en cuenta que el tiempo que le lleva a un ion describir una semicircunferencia es el mismo e independiente de su radio.
Se tiene un sistema que guarda cierta analogía con las oscilaciones forzadas de una partícula unida a un muelle elástico.
La partícula (ion) en el campo magnético tiene un periodo (o frecuencia) natural que hemos calculado anteriormente.
Cuando la frecuencia (o periodo) del potencial alterno coincida con la frecuencia (o periodo) de la partícula que describe las órbitas semicirculares, se produce el fenómeno de la resonancia.
La partícula va ganando continuamente energía que suministra el potencial alterno.
Cuando no coinciden, el ion va ganando energía al principio pero llega un momento en que la pierde y acaba parándose en la región intermedia entre las D's.
