Коллоквиум Физика. Коллоквиум. 17. Природа носителей заряда. Классическая теория электропроводности металлов Формула Друде

• Название: 17. Природа носителей заряда. Классическая теория электропроводности металлов Формула Друде
• Анкор: Коллоквиум Физика
• Дата: 01.12.2022
• Размер: 3.24 Mb.
• Имя файла: Коллоквиум.docx
• Тип: Закон; #822924
• страница: 7 из 14

Структура ускорителя

Лю­бая ус­ко­рит. ус­та­нов­ка вклю­ча­ет 3 осн. струк­тур­ных эле­мен­та: 1) ис­точ­ник час­тиц с сис­те­мой фор­ми­ро­ва­ния пуч­ка; 2) соб­ст­вен­но ус­ко­ри­тель – уст­рой­ст­во (или це­поч­ка по­сле­до­ва­тель­но рас­по­ло­жен­ных уст­ройств), уве­ли­чи­ваю­щее энер­гию час­тиц, а так­же фор­ми­рую­щее их тра­ек­то­рию; 3) уст­рой­ст­ва, осу­ще­ст­в­ляю­щие вы­вод и транс­пор­ти­ров­ку пуч­ка на ми­шень или взаи­мо­дей­ст­вие пуч­ка с ми­ше­нью, или со­уда­ре­ние встреч­ных пуч­ков в ус­ко­ри­те­ле.

Уст­рой­ст­ва для по­лу­че­ния пуч­ков за­ря­жен­ных час­тиц (элек­тро­нов, по­зи­тро­нов, про­то­нов, ан­ти­про­то­нов, мюо­нов, атом­ных ядер, ио­нов) мо­гут быть и от­но­си­тель­но про­сты­ми (напр., элек­трон­ная пуш­ка), и пред­став­лять со­бой слож­ный ком­плекс ус­ко­рит. уст­ройств, как, напр., ис­точ­ник ан­ти­про­то­нов Фер­ми­ев­ской на­цио­наль­ной ус­ко­ри­тель­ной ла­бо­ра­то­рии. В этой ус­та­нов­ке про­то­ны, пред­ва­ри­тель­но ус­ко­рен­ные до энер­гии 120 ГэВ, бом­бар­ди­ру­ют не­под­виж­ную ни­ке­ле­вую ми­шень. В ре­зуль­та­те ро­ж­да­ет­ся ог­ром­ное чис­ло час­тиц разл. ти­пов, вклю­чая ан­ти­про­то­ны. По­след­ние се­па­ри­ру­ют, а за­тем на­ка­п­ли­ва­ют и ох­ла­ж­да­ют в на­ко­пи­тель­ном коль­це. По­доб­ную струк­ту­ру име­ют и ис­точ­ни­ки по­зи­тро­нов, раз­ра­ба­ты­вае­мые для ли­ней­но­го кол­лай­де­ра.

По­ка­за­те­ля­ми ка­че­ст­ва пуч­ка, соз­да­вае­мо­го ис­точ­ни­ком, слу­жат его эмит­танс (про­из­ве­де­ние ра­диу­са пуч­ка на его уг­ло­вую рас­хо­ди­мость) и энер­ге­тич. раз­брос. Чем мень­ше эмит­танс, тем вы­ше ка­че­ст­во ко­неч­но­го пуч­ка час­тиц вы­со­кой энер­гии. По ана­ло­гии со све­то­вой оп­ти­кой вво­дят по­ня­тие яр­ко­сти пуч­ка (си­ла то­ка час­тиц, де­лён­ная на эмит­танс, что со­от­вет­ст­ву­ет плот­но­сти час­тиц, де­лён­ной на уг­ло­вую рас­хо­ди­мость). При прак­тич. при­ме­не­нии совр. У. з. ч. час­то тре­бу­ет­ся мак­си­маль­но воз­мож­ная яр­кость пуч­ков.

Ус­ко­ре­ние пуч­ка про­из­во­дит­ся в уст­рой­ст­вах разл. ти­пов с по­мо­щью элек­трич. по­ля (из­ме­няю­ще­го энер­гию за­ря­жен­ных час­тиц). Для фор­ми­ро­ва­ния тра­ек­то­рии час­тиц в У. з. ч. при­ме­ня­ют маг­нит­ное по­ле, ко­то­рое из­ме­ня­ет на­прав­ле­ние дви­же­ния за­ря­жен­ных час­тиц, не ме­няя ве­ли­чи­ны их ско­ро­сти. Совр. У. з. ч. вы­со­ких энер­гий – ог­ром­ные слож­ные ком­плек­сы. Так, ус­ко­ре­ние про­то­нов для про­ве­де­ния экс­пе­ри­мен­тов на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (БАК) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся сна­ча­ла в ли­ней­ном ус­ко­ри­те­ле, за­тем в 4 по­сле­до­ва­тель­ных цик­лич. ус­ко­ри­те­лях, пе­ри­метр по­след­не­го из них (соб­ст­вен­но БАК) со­став­ля­ет 26659 м.

Осн. за­да­чи вы­во­да и транс­пор­ти­ров­ки пуч­ков ус­ко­рен­ных час­тиц – со­хра­не­ние ин­тен­сив­но­сти пуч­ка и фор­ми­ро­ва­ние его по­пе­реч­ных раз­ме­ров. Для пре­дот­вра­ще­ния ухуд­ше­ния ка­че­ст­ва пуч­ка и по­терь час­тиц из-за со­уда­ре­ний с мо­ле­ку­ла­ми га­за транс­пор­ти­ров­ка, как пра­ви­ло, осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ва­куу­ме. Вдоль трак­та транс­пор­ти­ров­ки рас­по­ла­га­ют­ся элек­трич. или маг­нит­ные лин­зы, обес­пе­чи­ваю­щие фо­ку­си­ров­ку час­тиц. Здесь же раз­ме­ща­ют­ся уст­рой­ст­ва, по­во­ра­чи­ваю­щие пу­чок (как для из­ме­не­ния тра­ек­то­рии все­го пуч­ка, так и для вы­де­ле­ния час­тиц оп­ре­де­лён­но­го сор­та или энер­гии). Рас­пре­де­ле­ние час­тиц в по­пе­реч­ном на­прав­ле­нии не­од­но­род­но, и ино­гда бы­ва­ет не­об­хо­ди­мо умень­шить эту не­од­но­род­ность. Для это­го мо­гут при­ме­нять­ся кол­ли­ма­то­ры, вы­де­ляю­щие центр. часть пуч­ка та­ким об­ра­зом, что­бы раз­ни­ца в плот­но­сти по­то­ка в этой час­ти не пре­вы­ша­ла до­пус­ти­мую (при этом по­те­ри ин­тен­сив­но­сти пуч­ка бу­дут тем боль­ши­ми, чем жёст­че тре­бо­ва­ния к од­но­род­но­сти). Др. спо­соб по­вы­ше­ния од­но­род­но­сти пуч­ка – при­ме­не­ние уст­ройств раз­вёрт­ки пуч­ка.

Классификация ускорителей

У. з. ч. раз­ли­ча­ют­ся ти­пом ус­ко­ряе­мых час­тиц, ха­рак­те­ри­сти­ка­ми пуч­ка (энер­ги­ей, ин­тен­сив­но­стью и др.), а так­же кон­ст­рук­ци­ей. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны ус­ко­ри­те­ли элек­тро­нов, про­то­нов и ио­нов (пуч­ки этих час­тиц про­ще все­го по­лу­чить). В совр. У. з. ч., пред­на­зна­чен­ных для изу­че­ния эле­мен­тар­ных час­тиц, мо­гут ус­ко­рять­ся ан­ти­час­ти­цы (по­зи­тро­ны, ан­ти­про­то­ны). Для уве­ли­че­ния эф­фек­тив­но­сти ис­поль­зо­ва­ния энер­гии час­тиц в кол­лай­де­рах по­сле за­вер­ше­ния ус­ко­рит. цик­ла пуч­ки час­тиц стал­ки­ва­ют (см. Встреч­ные пуч­ки).

По спо­со­бу соз­да­ния ус­ко­ряю­ще­го элек­трич. по­ля У. з. ч. де­лят­ся на 4 клас­са. В ус­ко­ри­те­лях пря­мо­го дей­ст­вия (или вы­со­ко­вольт­ных ус­ко­ри­те­лях) элек­трич. по­ле име­ет прак­ти­че­ски по­сто­ян­ную ве­ли­чи­ну в те­че­ние все­го про­цес­са ус­ко­ре­ния. В ин­дук­ци­он­ных ус­ко­ри­те­лях ис­поль­зу­ет­ся вих­ре­вое элек­трич. по­ле, воз­ни­каю­щее при из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­то­ка (эдс ин­дук­ции). При этом в про­цес­се ус­ко­ре­ния на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля мо­жет из­ме­нять­ся по ве­ли­чи­не, но со­хра­ня­ет од­но и то же на­прав­ле­ние. В вы­со­ко­час­тот­ных ре­зо­нанс­ных ус­ко­ри­те­лях для ус­ко­ре­ния ис­поль­зу­ет­ся элек­трич. ком­по­нен­та по­ля элек­тро­маг­нит­ной вол­ны; т. о., в про­цес­се ус­ко­ре­ния по­ле мно­го­крат­но из­ме­ня­ет на­прав­ле­ние. В кол­лек­тив­ных ме­то­дах ус­ко­ре­ния ис­поль­зу­ют­ся элек­трич. по­ля, соз­да­вае­мые др. за­ря­жен­ны­ми час­ти­ца­ми. Кол­лек­тив­ные ме­то­ды тео­ре­ти­че­ски по­зво­ля­ют рез­ко уве­ли­чить темп ус­ко­ре­ния (энер­гию, на­би­рае­мую на еди­ни­цу пу­ти) и ин­тен­сив­ность пуч­ков, но по­ка к соз­да­нию дей­ст­вую­щих ус­та­но­вок не при­ве­ли.

Кон­ст­рук­тив­но У. з. ч. де­лят­ся на две груп­пы: ли­ней­ные ус­ко­ри­те­ли (см. Ли­ней­ный ус­ко­ри­тель про­то­нов, Ли­ней­ный ус­ко­ри­тель элек­тро­нов), где пу­чок час­тиц од­но­крат­но про­хо­дит ус­ко­ряю­щие про­ме­жут­ки, и цик­ли­че­ские ус­ко­ри­те­ли, в ко­то­рых пуч­ки дви­жут­ся по кри­во­ли­ней­ным тра­ек­то­ри­ям (напр., ок­руж­но­стям или спи­ра­лям), про­хо­дя ус­ко­ряю­щие про­ме­жут­ки по мно­гу раз, при­чём в син­хро­тро­не ис­поль­зу­ет­ся со­че­та­ние кри­во­ли­ней­ных и пря­мо­ли­ней­ных уча­ст­ков. По ме­ха­низ­му, обес­пе­чи­ваю­ще­му фо­ку­си­ров­ку пуч­ка (ус­той­чи­вость дви­же­ния час­тиц в пер­пен­ди­ку­ляр­ных к тра­ек­то­рии на­прав­ле­ни­ях), раз­ли­ча­ют ус­ко­ри­те­ли с од­но­род­ной фо­ку­си­ров­кой, в ко­то­рых фо­ку­си­рую­щая си­ла по­сто­ян­на вдоль тра­ек­то­рии (по край­ней ме­ре, по зна­ку), и ус­ко­ри­те­ли со зна­ко­пе­ре­мен­ной фо­ку­си­ров­кой, в ко­то­рых фо­ку­си­рую­щая си­ла ме­ня­ет знак вдоль тра­ек­то­рии, т. е. че­ре­ду­ют­ся уча­ст­ки фо­ку­си­ров­ки и де­фо­ку­си­ров­ки. В при­ме­не­нии к цик­лич. ус­ко­ри­те­лям вме­сто тер­ми­нов «од­но­род­ная» и «зна­ко­пе­ре­мен­ная» фо­ку­си­ров­ка ис­поль­зу­ют тер­ми­ны «сла­бая» («мяг­кая») и «силь­ная» («жё­ст­кая») фо­ку­си­ров­ка. ВЧ ре­зо­нанс­ные ус­ко­ри­те­ли мо­гут быть клас­си­фи­ци­ро­ва­ны по ха­рак­те­ру управ­ляю­ще­го маг­нит­но­го по­ля и ус­ко­ряю­ще­го элек­трич. по­ля: ус­ко­ри­те­ли с по­сто­ян­ным и пе­ре­мен­ным во вре­ме­ни маг­нит­ным по­лем, ус­ко­ри­те­ли с по­сто­ян­ной и пе­ре­мен­ной час­то­той ус­ко­ряю­ще­го по­ля.

Ус­ко­ри­те­ли клас­си­фи­ци­ру­ют так­же по на­зна­че­нию: кол­лай­де­ры, ней­трон­ные ис­точ­ни­ки, бус­те­ры, ис­точ­ни­ки син­хро­трон­но­го из­лу­че­ния, ус­та­нов­ки для те­ра­пии ра­ка, про­мыш­лен­ные ус­ко­ри­те­ли элек­тро­нов и др.