Zaryadlangan zarraсhalar tezlatgichlari
 Скачать 2.39 Mb.
|
ZARYADLANGAN ZARRAСHALAR TEZLATGICHLARITezlatgichlar tasnifi Chiziqli tezlatgichlar Tsiklik tezlatgichlar 1. Tezlatgichlar tasnifiZaryadlangan zarrachalarning tezlatgichlari deb elektr va magnit maydonlarining ta'siri ostida yuqori energiyali zaryadlangan zarrachalarning dastasi yaratiladigan va boshqariladigan qurilmalarga ataladi. (elektronlar, protonlar, mezonlar va boshqalar.). Har qanday tezlatgich quyidagicha xarakterlanadi: tezlashtirilgan zarralar turi bilan, zarrachalarning energiyaga bo'yicha taqsimlanishi bilan, dastaning intensivligi. Tezlatgichlar quyidagilarga bo'linadi: uzluksiz (vaqt bo'yicha bardavom) Impulsli (ularda zarrachalar porstsiyalar bo’yicha tezlashtiriladi). Bunda impulsning davomiyligi bilan tavsiflanadi. Traektoriya shakli va zarrachalarni tezlashtirish mexanizmiga qarab tezlatgichlar quyidagilarga bo'linadi: Chiziqli; Tsiklik; Induksion. Chiziqli tezlatgichlarda zarrachalar harakatining traektoriyasi to'g'ri chiziqga yaqin, Tsiklik va induksionlarda esa zarralar traektoriyasi aylana yoki spiral shaklida bo'ladi. 2. Chiziqli tezlatgichlarZarrachalarni tezlashtirish elektrostatik maydon tomonidan amalga oshiriladi, masalan, yuqori voltli van De Graaf generatori yordamida. Высоковольтный генератор Ван-де-Граафа Zaryadlangan zarracha tezlashtiruvchi maydondan bir marotaba o'tadi: zaryad q, potentsialar farqi orqali o’tib kinetik energiya oladi. Shunday qilib, zarrachalar ≈ 10 МэВ gacha tezlashadi. Ularni doimiy kuchlanish manbai bilan yanada tezlashtirishni boshqa iloji yo'q. 2. Chiziqli rezonans tezlatgichi. Zaryadlangan zarrachalarning tezlashishi zarrachalarning harakati bilan sinxron ravishda o'zgarib turadigan o'zgaruvchan Ultra yuqori chastotali elektr maydon tomonidan amalga oshiriladi. Shunday qilib, zarralar tezlashtiruvchi qismdan ko'p marotaba o'tadi, protonlar o'nlab megaelektronvolt energiyagacha tezlashadi, elektronlar-o'nlab gigaelektronvoltga qadar. 3. Циклические ускорители1. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов. Agar zaryadlangan zarracha duantlar orasidagi (1) oraliqga kiritilsa, elektr kuchi tasirida tezlashadi va magnit maydon tufayli qayriladi va duant (3) kiradi va raduisi zarracha tezligiga proporsional bo'lgan yarimdoira chizadi. Birinchi duantdan chiqish vaqtida kuchlanish qutbi o'zgaradi, shuning uchun zarracha yanada tezlashadi va ikkinchi duantga o'tadi, u erda esa yanada kattaroq bo'lgan yarimdoira radiusni chizadi (2) va x.k.z. Siklotrondagi zarrachani uzluksiz tezlashtirish uchun sinxronizatsiya shartini bajarish kerak ("rezonanslik" sharti) – zarrachaning magnit maydonda aylanish davri va elektr maydon tebranishlari teng bo'lishi kerak. Ushbu shartni bajarilganda, zarracha spiral bo'ylab harakat qiladi, har safar oraliqdan o'tish vaqtida qo'shimcha energiya oladi. Oxirgi bosqichda, zarrachalarning energiyasi va orbitaning radiusi maksimal ruxsat etilgan qiymatlarga etkazilganda, zarrachalar chetlashtiruvchi maydon orqali siklotrondan (4) chiqariladi. Siklotronlarda zaryadli q va massa m bo'lgan zaryadlangan zarracha shunday tezlikgacha tezlashtiriladiki bunda, zarrachalar massasining relativistik ta'siri deyarli namoyon bo'lmaydi. Период обращения частицыПериод обращения частицы Радиус траектории частицы Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов: при Е = 0,5 МэВ, масса возрастает до m = 2m0, при Е = 10 МэВ m = 28m0 Tsiklik tezlatgichlarda relativistik tezlikgacha tezlashtirish mumkin agar quyidagi olimlar taklifi tadbiq etilsa: в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом принцип автофазировки. Идея принципа автофазировки заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического поля, либо индукцию магнитного поля, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне. В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ. Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона Рис. 2. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона, который широко использовался в экспериментальных исследованиях ядерных реакций и искусственной радиоактивности 2. Микротрон (электронный циклотрон) – циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения сохраняется за счёт изменения кратности ускорения . Частица вращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. Причем, если частица с самого начала вошла в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. Микротрон – ускоритель непрерывного действия, способен давать токи порядка 100 мА, максимальная достигнутая энергия порядка 30 МэB (Россия, Великобритания). В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной орбите, также будут ускоряться. Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов. Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. 3. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, α-частиц), управляющее магнитное поле постоянно, частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий примерно равных 1 ГэВ ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты. Фазотрон Энергии до 1 ГэВ 4. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Схема строения синхротрона:Схема строения синхротрона: 1 – инжектор электронов; 2 – поворотный магнит; 3 – пучок электронов; 4 – управляющий электромагнит; 5 – вакуумная тороидальная камера; 6 – ускоряющий промежуток. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 1 – 10 ГэВ. Внешний вид Томского синхротрона «Сириус» на 1,5 ГэВ 5. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона. Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Между полюсами этого магнита расположена тороидальная вакуумная камера, в которую инжектирован пучок протонов. Если смотреть на ускоритель сверху, то пучок протонов движется по часовой стрелке со скоростью V, близкой к скорости света c. Рассмотрим действие лоренцевой силы и рассчитаем энергию протонного ускорителя, представляющего собой кольцевой магнит диаметром 2 км. Центростремительная сила равна:Центростремительная сила равна: где mr – релятивистская масса протона. Так как эта сила обусловлена действием магнитного поля, она равна силе Лоренца Тогда: Поскольку , то можно записатьПоскольку , то можно записать так можно рассчитать полную релятивистскую энергию протонов: Заметим при этом, что магнитное поле не увеличивает скорость или энергию частиц. Ускорение протонов осуществляется при каждом их обороте в кольце за счет электростатического поля, которое действует на коротком участке кольца. В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей. Масса частицы m зависит от ее скорости : где m0 – масса покоя частицы. Кинетическая энергия частицы K: где – полная энергия частицы – энергия покоя частицы. Импульс релятивистской частицыИмпульс релятивистской частицы Период обращения релятивистской частицы Радиус окружности траектории релятивистской частицы 6. Бетатрон – единственный циклический ускоритель электронов нерезонансного типа, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем. Электродвижущая сила индукции, создаваемая переменным магнитным полем, может существовать и в отсутствие проводников – в вакууме Кинетическая энергия K, передаваемая вихревым электрическим полем единичному положительному заряду, равна интегралу по замкнутому контуру L: Согласно закону Фарадея, этот интеграл равен изменению магнитного потока через замкнутый контур L. Таким образом, вихревое электрическое поле может действовать на сгусток электронов, двигающихся в магнитном поле, и ускорять их. Переменный центральный магнитный поток Вср создает в бетатроне вихревую ЭДС индукции, ускоряющую электроны: при каждом обходе контура энергия электронов увеличивается на величину . Циклический индукционный ускоритель электронов данного типа называется бетатроном. Удержание электронов на стационарной круговой орбите осуществляется управляющим магнитным полем ,определенным образом, изменяющимся во времени. Бетатрон (рис. а) состоит из тороидальной вакуумной камеры (рис. в), помещающейся между полюсами электромагнита специальной формы (рис. б). Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой . а б в Переменное магнитное поле выполняет две функции: во-первых, создает вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны внутри тороида; во-вторых, удерживает электроны на орбите (силовые линии располагаются так, чтобы пучок электронов находился в состоянии устойчивого равновесия в центре тора). За время порядка 10-3c электроны успевают сделать до 106 оборотов и приобрести энергию до 500 МэВ (сотни МэВ в разных ускорителях). При такой энергии скорость электронов близка к скорости света ( ). Кроме того, сам же пучок электронов в данном случае выполняет роль вторичной обмотки трансформатора. В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет электроны от стационарной орбиты и направляет их на специальную мишень, расположенную внутри камеры. Попадая на мишень, электроны тормозятся в ней и испускают жесткие γ-лучи или рентген, которые используются в ядерных исследованиях при неразрушающих методах контроля, в медицине и т.д. Идея бетатрона запатентована в 1922 г. Дж. Слепяном. В 1928 г. Р. Видероэ сформулировал условие существования равновесной орбиты – орбиты постоянного радиуса «условие 2:1». Первый действующий бетатрон был создан в 1940 г. Д. Керстом. Первый действующий бетатрон Д. Керста. В СССР первые бетатроны были разработаны и созданы учеными Томского политехнического института профессорами : А.А. Воробьевым, Л.М. Ананьевым, В.И. Горбуновым, В.А. Москалевым, Б.Н. Родимовым. В последующие годы в институте интроскопии (НИИН при ТПУ) под руководством профессора В.Л. Чахлова, успешно разрабатываются и изготавливаются малогабаритные переносные бетатроны (МИБ), применяемые в медицине, дефектоскопии и других прикладных и научных исследованиях. МИБ 1 -10 МэВ Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования бетатроны нашли особо широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергии 20 50 МэВ. Используется непосредственно сам электронный пучок или тормозное γ-излучение, энергия которого может плавно изменяться. Создание бетатронов на более высокие энергии сопряжено с необходимостью использования электромагнитов слишком большого размера и веса (магнитное поле приходится создавать не только на орбите, но и внутри неё). 7. Большой адронный коллайдер (БАК). В 2000 году физики из ЦЕРНа (европейский центр ядерных исследований), работающие на 27-километровом кольцевом Большом электрон-позитронном коллайдере LEP (Large Electron Positron Collider), обнародовали фотографии превращений элементарных частиц, которые вроде бы свидетельствовали о реальности хиггсовского бозона, однако последующие эксперименты доказали преждевременность этого вывода. В то время считалось, что масса этой частицы не превышает 96 Гэв, что лежало в пределах возможностей церновского коллайдера. В то же время теоретические расчеты показывают, что даже небольшое увеличение массы t -кварка должно весьма значительно повышать массу хиггсовского бозона. Теперь этот кварк «потяжелел» с 175 до 178 Гэв Теоретически вычисленная масса бозона Хиггса оказывается не меньше 117 Гэв, но может составлять и 251 Гэв. Это означает, что бозон Хиггса невозможно получить ни на одном ныне действующем ускорителе, так что выводы европейских физиков и в самом деле приходится признать ошибочными. Сейчас ЦЕРН строит самый мощный ускоритель, LHC (Large Hadron Collider) – Большой адронный коллайдер (БАК) Диаметр кольца ускорителя 20 км. Его энергии должно хватить и для долгожданной поимки хиггсовского бозона. Новый суперускоритель ЦЕРНа будет запущен в 2007 году, так что ждать осталось уже недолго. Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли. Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры. Большой андронный коллайдер |