Почему при движении заряженной частицы в однородном магнитном поле возникает круговая траектория, и как изменение поля вдоль траектории ведёт к фокусировке или дефокусировке пучка
Потому что сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы и не меняет её модуль вдоль направления силы, а даёт центростремительное ускорение. 1) Движение в однородном поле. Сила Лоренца: F=q(v×B)\mathbf{F}=q(\mathbf{v}\times\mathbf{B})F=q(v×B). Для однородного поля вдоль оси zzz скорость раскладывается на продольную и поперечную составляющие v=v∥z^+v⊥\mathbf{v}=v_\parallel\hat z+\mathbf{v}_\perpv=v∥z^+v⊥. Компонента v⊥\mathbf{v}_\perpv⊥ испытывает центростремительную силу, что даёт окружное движение с циклической частотой (циклотроная частота) и радиусом Лармора: ωc=∣q∣Bm,rL=mv⊥∣q∣B.
\omega_c=\frac{|q|B}{m},\qquad r_L=\frac{m v_\perp}{|q|B}. ωc=m∣q∣B,rL=∣q∣Bmv⊥.
Компонента v∥v_\parallelv∥ не изменяется (нет силы вдоль zzz), поэтому траектория — винтовая линия (в частном случае v∥=0v_\parallel=0v∥=0 — круг). 2) Изменение поля вдоль траектории — фокусировка/дефокусировка. Если поле меняется медленно по масштабу Larmor-движения (адиабатический предел), сохраняется магнитный момент частицы μ=mv⊥22B=const.
\mu=\frac{m v_\perp^2}{2B}=\text{const}. μ=2Bmv⊥2=const.
Отсюда при увеличении BBB поперечная скорость возрастает v⊥2∝Bv_\perp^2\propto Bv⊥2∝B, а из сохранения энергии 12m(v⊥2+v∥2)=const \tfrac12 m(v_\perp^2+v_\parallel^2)=\text{const}21m(v⊥2+v∥2)=const продольная скорость уменьшается — частица может быть отражена (магнитное зеркало). Условие отражения (зеркальное соотношение) для начального угла посылки α0\alpha_0α0 и максимального поля BmB_mBm при начальном B0B_0B0: sin2α0≥B0Bm.
\sin^2\alpha_0 \ge \frac{B_0}{B_m}. sin2α0≥BmB0.
Из μ=\mu=μ=const следует также поведение радиуса орбиты: rL=mv⊥∣q∣B∝BB=1B.
r_L=\frac{m v_\perp}{|q|B}\propto\frac{\sqrt{B}}{B}=\frac{1}{\sqrt{B}}. rL=∣q∣Bmv⊥∝BB=B1.
Поэтому при увеличении BBB радиус орбиты уменьшается — поперечный размер пучка сокращается (фокусировка); при уменьшении BBB — радиусы растут (дефокусировка). Дополнительно: в неоднородном поле возникает градиентный дрейф частицы v∇B=mv⊥22qB3 (B×∇B),
\mathbf{v}_{\nabla B}=\frac{m v_\perp^2}{2q B^3}\,(\mathbf{B}\times\nabla B), v∇B=2qB3mv⊥2(B×∇B),
который может сдвигать центры орбит и вызывать расходимость пучка (дефокусировка) для ненадёжно симметричных конфигураций. Практически: осесимметричный увеличивающийся вдоль оси соленоидальный B даёт осесимметричную фокусировку (уменьшает радиусы спиралей), а убывающий B — дефокусировку и/или оттягивание по оси через магнитное зеркало.
1) Движение в однородном поле.
Сила Лоренца: F=q(v×B)\mathbf{F}=q(\mathbf{v}\times\mathbf{B})F=q(v×B). Для однородного поля вдоль оси zzz скорость раскладывается на продольную и поперечную составляющие v=v∥z^+v⊥\mathbf{v}=v_\parallel\hat z+\mathbf{v}_\perpv=v∥ z^+v⊥ . Компонента v⊥\mathbf{v}_\perpv⊥ испытывает центростремительную силу, что даёт окружное движение с циклической частотой (циклотроная частота) и радиусом Лармора:
ωc=∣q∣Bm,rL=mv⊥∣q∣B. \omega_c=\frac{|q|B}{m},\qquad r_L=\frac{m v_\perp}{|q|B}.
ωc =m∣q∣B ,rL =∣q∣Bmv⊥ . Компонента v∥v_\parallelv∥ не изменяется (нет силы вдоль zzz), поэтому траектория — винтовая линия (в частном случае v∥=0v_\parallel=0v∥ =0 — круг).
2) Изменение поля вдоль траектории — фокусировка/дефокусировка.
Если поле меняется медленно по масштабу Larmor-движения (адиабатический предел), сохраняется магнитный момент частицы
μ=mv⊥22B=const. \mu=\frac{m v_\perp^2}{2B}=\text{const}.
μ=2Bmv⊥2 =const. Отсюда при увеличении BBB поперечная скорость возрастает v⊥2∝Bv_\perp^2\propto Bv⊥2 ∝B, а из сохранения энергии 12m(v⊥2+v∥2)=const \tfrac12 m(v_\perp^2+v_\parallel^2)=\text{const}21 m(v⊥2 +v∥2 )=const продольная скорость уменьшается — частица может быть отражена (магнитное зеркало). Условие отражения (зеркальное соотношение) для начального угла посылки α0\alpha_0α0 и максимального поля BmB_mBm при начальном B0B_0B0 :
sin2α0≥B0Bm. \sin^2\alpha_0 \ge \frac{B_0}{B_m}.
sin2α0 ≥Bm B0 . Из μ=\mu=μ=const следует также поведение радиуса орбиты:
rL=mv⊥∣q∣B∝BB=1B. r_L=\frac{m v_\perp}{|q|B}\propto\frac{\sqrt{B}}{B}=\frac{1}{\sqrt{B}}.
rL =∣q∣Bmv⊥ ∝BB =B 1 . Поэтому при увеличении BBB радиус орбиты уменьшается — поперечный размер пучка сокращается (фокусировка); при уменьшении BBB — радиусы растут (дефокусировка).
Дополнительно: в неоднородном поле возникает градиентный дрейф частицы
v∇B=mv⊥22qB3 (B×∇B), \mathbf{v}_{\nabla B}=\frac{m v_\perp^2}{2q B^3}\,(\mathbf{B}\times\nabla B),
v∇B =2qB3mv⊥2 (B×∇B), который может сдвигать центры орбит и вызывать расходимость пучка (дефокусировка) для ненадёжно симметричных конфигураций. Практически: осесимметричный увеличивающийся вдоль оси соленоидальный B даёт осесимметричную фокусировку (уменьшает радиусы спиралей), а убывающий B — дефокусировку и/или оттягивание по оси через магнитное зеркало.