Переменное магнитное поле можно использовать для ускорения заряженных частиц на основании уравнения (6 видео)

Ускорители заряженных частиц

Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т. д.).

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, энергией, сообщаемой частицам, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка.Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный по времени пучок) и импульсные (из лих частицы вылетают порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклическиеи индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных — траекториями частиц являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

1. Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа. Заряженная частица проходит поле однократно: заряд Q, проходя разность потенциалов j₁—j₂, приобретает энергию W=Q(j₁—j₂). Таким способом частицы ускоряются до »10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т. д.

2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты,синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.

3. Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Его принципиальная схема приведена на рис. 171. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдя в дуант 1, опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы (см. (115.1)). К моменту ее выхода из дуанта 1 полярность напряжения изменяется (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходя в дуант 2, описывает там уже полуокружность большего радиуса и т. д.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») — периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью (см. (39.1)), что приводит к увеличению периода обращения (по (115.2) он пропорционален массе), и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при E=0,5 МэВ m=2m₀, при E=10 МэВ m=28m₀ !).

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. В. И. Векслером (1907—1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом (р. 1907)принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

4. Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, a-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а 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).

5. Синхротрон — циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.

7. Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем (см. § 137), индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W > 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20—50 МэВ.

Эффект Холла

Эффект Холла* (1879) — это возникновение в металле (или полупроводнике) с током плотностью j, помещенном в магнитное поле В, электрического поля в направлении, перпендикулярном В и j.

* Э. Холл (1855—1938) — американский физик.

Поместим металлическую пластинку с током плотностью j в магнитное поле В, перпендикулярное j (рис. 172). При данном направлении j скорость носителей тока в металле — электронов — направлена справа налево. Электроны испытывают действие силы Лоренца, которая в данном случае направлена вверх. Таким образом, у верхнего края пластинки возникнет повышенная концентрация электронов (он зарядится отрицательно), а у нижнего — их недостаток (зарядится положительно). В результате этого между краями пластинки возникнет дополнительное поперечное электрическое поле, направленное снизу вверх. Когда напряженность Е_B этого поперечного поля достигнет такой величины, что его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Тогда

где а — ширина пластинки, Dj — поперечная (холловская) разность потенциалов.

Учитывая, что сила тока I=jS=nevS (S — площадь поперечного сечения пластинки толщиной d, п — концентрация электронов, v — средняя скорость упорядоченного движения электронов), получим

(117.1)

т. е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции В, силе тока I и обратно пропорциональна толщине пластинкиd. В формуле (117.1) R=1/(en) — постоянная Холла, зависящая от вещества. По измеренному значению постоянной Холла можно: 1) определить концентрацию носителей тока в проводнике (при известных характере проводимости и заряда носителей); 2) судить о природе проводимости полупроводников, так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда е носителей тока. Эффект Холла поэтому — наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках. Он применяется также для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчики Холла) и т. д.

Содержание

Ускорители заряженных частиц — основные понятия, формулы и определение с примерами
Ускорители заряженных частиц
УСКОРИ́ТЕЛИ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц
📸 Видео

Видео:Физика - Магнитное полеСкачать

Ускорители заряженных частиц — основные понятия, формулы и определение с примерами

Ускорители заряженных частиц

Частицы высоких энергий, т. е. разогнанные до скоростей, близких к скорости света, находят широкое применение в физических исследованиях и в технике.

Использование таких частиц в качестве «снарядов» для изучения столкновений ядерных частиц позволило получить богатую информацию об атомных ядрах и элементарных частицах.

Простейший способ получения таких высокоэнергетических частиц состоит в ускорении их с помощью электрических полей высоких и сверхвысоких напряжений.

Существующие ускорители можно разделить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители и ускорители на встречных пучках.

Наиболее просты по принципу работы ускорители прямого действия. В них частицы разгоняются в постоянном электрическом поле. В данном случае не удается достичь энергий выше 10 МэВ, поскольку при дальнейшем повышении напряжения между электродами возникает электрический пробой.

В линейном ускорителе частицы движутся по прямой линии, последовательно проходя через систему трубчатых электродов, называемых трубками дрейфа, на которые подается переменное напряжение (рис. 155).

Внутри трубок поля нет, там частица движется равномерно. Частица ускоряется тогда, когда она попадает в промежуток между соседними трубками дрейфа, который называют ускоряющим промежутком. Для ускорения частицы необходимо, чтобы время пролета частицы от одного промежутка к другому равнялось половине периода T переменного напряжения, т. е. длина n-й трубки должна быть

Большинство существующих линейных ускорителей позволяют достигать энергии электронов до 10 ГэВ. В ускорителе длиной 3 км, установленном в г. Стэнфорде (США), достигнута энергия 20 ГэВ.

Самый крупный из построенных протонных линейных ускорителей работает в г. Лос-Аламосе (США). Он ускоряет протоны до энергии 800 МэВ при силе тока в пучке около 1 мА.

Простейшим представителем и родоначальником циклических ускорителей
является циклотрон.

Принцип действия циклотрона основан на том, что период обращения частиц в магнитном поле не зависит от скорости (энергии) их движения.

В циклотроне (рис. 156) частицы движутся под действием однородного магнитного поля перпендикулярного плоскости движения частиц, по раскручивающимся спиралям 1. При этом частицы многократно возвращаются к ускоряющим узлам циклотрона — дуантам.

Дуанты представляют собой полуцилиндрические полые электроды, помещенные в вакуумную камеру в зазоре между полюсами электромагнита.
Пока частица движется внутри дуанта, модуль ее скорости постоянен. Когда частица массой m и зарядом q проходит промежуток между дуантами, она испытывает действие электрического поля и ускоряется. Поэтому в другой дуант частица попадает, имея уже большую скорость, и движется по окружности большего радиуса Независимо от радиуса траектории время движения частицы внутри дуанта одно и то же:

Период изменения высокочастотного напряжения, подаваемого на дуанты, подбирают таким образом, чтобы он был равен

В этом случае частицы будут ускоряться всякий раз, попадая в промежуток между дуантами. Таким образом, на выходе из ускорителя заряженные частицы имеют максимальную энергию:
где определяется размером дуанта.

В дальнейшем пучок ускоренных заряженных частиц направляется на исследуемую мишень 2 (см. рис. 191, б).

Первый циклотрон был построен в 1932 г. в Калифорнийском университете в V. г. Беркли (США) Э. Лоуренсом.

Циклотроны применяют для ускорения протонов и ионов. Они позволяют достичь энергий в несколько десятков мегаэлектронвольт.
Типичный циклотрон средней величины (В = 1,0Тл, R = 0,50 м) при ускорении ионов водорода позволяет достичь их максимальной энергии

Для ускорения тяжелых частиц до предельно больших скоростей используют синхрофазотроны — кольцевые ускорители, у которых в процессе ускорения в строгом соответствии друг с другом меняются одновременно и модуль индукции магнитного поля, и частота ускоряющего напряжения. Это позволяет при росте энергии частиц сохранять постоянным радиус их орбиты и достигать больших энергий. Например, на синхрофазотроне в г. Серпухов (Россия) энергии протонов достигают значения 76 ГэВ.

В обычных ускорителях пучок ускоренных частиц направляют на неподвижную мишень. При этом основная часть их энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. В ускорителе на встречных пучках 1 и 2 используют взаимодействие движущихся навстречу друг другу частиц (рис. 157).

Это позволяет в области пересечения пучков 3 достичь энергии их взаимодействия, эквивалентной энергии нескольких тысяч гигаэлектронвольт в обычном ускорителе.

В настоящее время проектируются ускорители с энергией до нескольких десятков тераэлектронвольт.

Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике — для лечения онкологических заболеваний, производства радиоактивных изотопов, улучшения свойств полимерных материалов.
Без ускорителей не было бы возможности изучать фундаментальные свойства и взаимодействие элементарных частиц. Большинство элементарных частиц было открыто с помощью ускорителей частиц высоких энергий.

Совершенствование ускорителей преобразует не только физику, но также технику и технологию. Существуют ускорители для модификации свойств материалов, например резины, полиэтилена и т. д., ускорители для стерилизации, используемые в пищевой промышленности, животноводстве, медицине, ускорители для наработки радиоактивных изотопов и для облучения больных (диагностика, терапия). Без них невозможно представить современные производство и медицину.

Для прикладных целей не нужно ускорять частицы до сверхвысоких энергий. Энергии электронов обычно не превышают 10 МэВ. Для производства радионуклидов нужны протоны или дейтроны с энергией до 70 МэВ, а в лучевой терапии используются электроны с энергией до 50 МэВ и протоны, ускоренные до 200—250 МэВ.

Электронные пучки в химии применяются в основном для ускорения процесса полимеризации и для изменения свойств полимерных материалов. Именно радиационная модификация полиэтилена была первым примером широкого практического применения ускорителей. В результате облучения температура размягчения полиэтилена увеличивается с 98 °C до 350 °C.

С помощью ускоренных на циклотронах тяжелых ионов производятся тончайшие фильтры для пищевой промышленности. Электронными пучками осуществляют микросварку различных изделий. Электронный луч плавит тугоплавкие материалы и сваривает разнородные материалы друг с другом.
Пучки ускоренных частиц применяются для технологического контроля за качеством массивных металлических изделий, сквозь которые рентгеновское излучение не проходит.

Ускорители широко применяются для внедрения (имплантации) примесных ионов в полупроводниковой микроэлектронике, причем глубина внедрения ионов зависит от их энергии.

Радиационная стерилизация медицинских инструментов имеет ряд преимуществ перед обычно применяемым методом высокотемпературной обработки.

При радиационной обработке пищевых продуктов обычно преследуют одну из двух целей: стерилизацию или пастеризацию пищи, позволяющую долго хранить ее в герметичной упаковке, или задержку процессов естественного развития, например замедление процесса прорастания картофеля.

Основные формулы:

Сила Ампера:
Сила Лоренца:
Магнитная постоянная:

Единицы измерения магнитных величин

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика
Атомная физика
Ядерная физика
Квантовая физика
Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

Генератор электрического тока в физике
Электродвигатель в физике
Трансформатор — устройство, принцип работы
Магнитное поле в физике
Шунт и добавочное сопротивление
Электродвижущая сила
Электрические измерительные приборы
Электрическое поле Земли

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:Урок 276. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном полеСкачать

УСКОРИ́ТЕЛИ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц

В книжной версии

Том 33. Москва, 2017, стр. 105-107

Скопировать библиографическую ссылку:

УСКОРИ́ТЕЛИ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц, установки, предназначенные для получения направленных потоков (пучков) заряженных частиц с энергией, значительно превышающей энергию их теплового движения. Являются источниками пучков как первичных ускоренных заряженных частиц, так и вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов, атомов и др.), получаемых при взаимодействии первичных частиц с мишенью. К ускорит. установкам относят также накопители заряженных частиц , в которых циркулируют пучки частиц постоянной энергии. В ряде случаев (при рекуперации энергии ускоренных пучков, в экспериментах по получению антиводорода и др.) ускорит. установки используются для уменьшения энергии пучка.