МУ-Э-66 (1003812), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Схема бетатрона: ЭМ – электромагнит; К – откачанная тороидальная камераИндукционный ускоритель. Вихревое электрическое поле получило замечательное применение в индукционных ускорителях, или бетатронах, предназначенных для получения пучковэлектронов большой энергии - на два порядка больше, чем при радиоактивном распаде.Схема устройства индукционного ускорителя изображена на рис. 16.
Основной его частьюявляется большой электромагнит ЭМ. Создаваемое им в зазоре магнитное поле симметрично относительно оси OO. Обмотка электромагнита питается переменным током частотой порядка сотенгерц. Между полюсами электромагнита находится камера К в форме тороида, откачиваемая довысокого вакуума.Зависимости от времени магнитной индукции B и напряженности E вихревого электрического поля в зазоре электромагнита определяются соотношениями (18)-(20) и показаны на рис. 17.Линии напряженности вихревого электрического поля – окружности; по одной из них радиуса rдвижутся электроны. В определенные моменты времени, когда B ≈ 0 , в камеру впрыскивают электроны небольшой энергии. На каждый из электронов действует сила eE, направленная по касательной к окружности.
Так как линии напряженности электрического поля окружности, то направление силы будет все время совпадать с направлением движения по окружности. Электрическоеполе совершает работу, увеличивая кинетическую энергию электронов. За время нарастания магнитного поля (~ 10-3 с) электроны успевают сделать много оборотов и приобрести энергию, достигающую сотен МэВ.Траектория электронов искривляется магнитной силой (см. (8)).
С ростом импульса электрона растет и магнитная индукция, что позволяет удерживать электроны на окружности постоянного радиуса.Цикл ускорения занимает одну четвертую часть периода колебаний T магнитного поля.Начало цикла отмечено звездочкой на оси времени (см.рис. 17), окончание – при достижении максимальной индукции.Индукционный ускоритель подобен трансформатору, у которого роль вторичной обмоткииз одного витка играет пучок электронов в камере.12BBmt**TEEm*t*Рис.
17. Графики изменения магнитного и вихревого электрического поля в бетатроне.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬВ практической части работы наблюдают свечение газового разряда в вихревом и потенциальном электрических полях, а также выполняют расчетные задания.1. Газовый разряд в вихревом и потенциальном электрических поляхГазовым разрядом называют прохождение электрического тока через газ, которое частосопровождается свечением газа. В экспериментальной части работы знакомятся с вихревым электрическим полем с помощью газоразрядной трубки, помещенной в высокочастотное магнитноеполе [4 ].Широкое распространение получили газоразрядные осветительные лампы в виде длинныхтрубок, наполненных разреженным газом и парами ртути. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, который испускает видимый свет под воздействием ультрафиолетовых (УФ)лучей газового разряда.
Такие лампы называются люминесцентными.Такие же трубки, но без люминофора, изготовлены из специального стекла, прозрачногодля УФ лучей. В них светится газ, который испускает преимущественно УФ лучи, а также видимый свет. Эти лампы обладают бактерицидным свойством. В установке используются такие бактерицидные лампы, в которых свечение газа происходит в местах с достаточно сильным электрическим полем.
Наблюдаемое свечение служит индикатором электрического поля.13Разряд в потенциальном поле. Упрощенная схема наблюдения разряда в потенциальномполе показана на рис. 18. На концах трубки имеются два электрода, к которым подключают напряжение порядка 100 В. На электродах накапливаются заряды противоположного знака, которыесоздают потенциальное поле.Газы в естественном состоянии практически не проводят электрический ток, так как в нихочень мало заряженных частиц. Заряды могут возникнуть в результате отрыва электрона от атома;при этом образуются свободный отрицательный электрон и положительный ион.
Этот процессназывается ионизацией атома. Ионизация может происходить при высокой температуре, под действием ультрафиолетовых лучей и ионизирующих излучений, а также при столкновении быстрогоэлектрона с атомом.Для ионизации атома необходимо затратить определенную энергию, различную для разныхатомов; по порядку величины она равна 10 эВ (1электрон-вольт – это энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 В).Если газ ионизирован, в нем происходит обратный процесс – присоединение электрона киону с образованием нейтрального атома. Этот процесс называется рекомбинацией ионов.
При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично онаизлучается в виде света. Если концентрация ионов и электронов велика, свечение может бытьсильным.При работе лампы в ней возникают процессы, приводящие к образованию большого количества ионов и электронов. При этом большую роль играет ионизация атомов электронными ударами.Электроны и ионы в небольшом количестве всегда образуются под действием естественных источников ионизации. Рассмотрим движение электрона, возникшего вблизи отрицательногоэлектрода (см. рис.18).
В электрическом поле на электрон действует сила, разгоняющая его. Еслиполе достаточно сильное, а газ разрежен, электрон до столкновения с атомом может набрать энергию, достаточную для ионизации атома. Тогда, кроме иона, возникнет еще один электрон. Дваэлектрона после ускорения и соударения с атомами создадут четыре электрона и т.д. Этот лавинообразный процесс приводит к образованию большого количества заряженных частиц, создающихзначительный ток лампы.
Рекомбинационное свечение ионов наблюдается практически во всейтрубке.КАРис. 18. Схема газового разряда в потенциальном электрическом поле: К – катод; А – анод.Разряд в вихревом электрическом пол. Схема показана на рис. 19. На электроды лампы напряжение не подается; электроды могли бы вообще отсутствовать. Вокруг лампы намотано несколько витков провода, по которому пропускают переменный ток высокой частоты (40 МГц).
Впеременном магнитном поле возникает вихревое электрическое поле. Электроны ускоряются электрическим полем, а отклоняются магнитным полем. Их движение происходит по кривым траекториям в поперечных плоскостях лампы. В местах с достаточно сильным электрическим вихревымполем происходит лавинообразное размножение электронов и рекомбинационное свечение газа.14Магнитное и вихревое электрические поля возникают преимущественно внутри витков ивблизи от них; там и наблюдается свечение газа. Если же поля сильные, светиться может вся трубка.Рис.
19. Схема демонстрации разряда в вихревом электрическом поле2. Описание лабораторной установки и выполнение работыВ лабораторной установке (рис. 20) используются две одинаковые бактерицидные лампыдля демонстрации разряда в вихревом поле (лампа 3) и в потенциальном поле (лампа 4).Вихревое электрическое поле. Вокруг лампы 3 намотано несколько витков провода 2, через которые пропускают ток высокой частоты (40 МГц) от электронной схемы 1, выполненной нарадиолампе.Порядок выполнения задания.1.
Зарисовать в отчете схему опыта (см. рис. 19).2. Выключить (положение - к себе) все тумблеры.3. Вставить сетевую вилку в розетку.4. Включить тумблер 10 «СЕТЬ»; при этом должен загореться индикатор 9.5. Для разряда в вихревом поле нажать и удерживать кнопку 14 «ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕПОЛЕ». Для зажигания разряда необходимо установить максимальное поле.
Для этого ручку 13«ВИХРЕВОЕ ПОЛЕ» повернуть по часовой стрелке до упора. Спустя несколько секунд, необходимых для разогрева радиолампы, может возникнуть свечение лампы.Примечание. Обычно разряд труднее зажечь, чем поддерживать. Поэтому в газоразрядных лампахпредусматривают специальные меры для начала разряда, например, создают кратковременнуюповышенную напряженность поля. Если лампа 3 не загорается, помочь может другая лампа, ультрафиолетовое излучение которой вызовет ионизацию в лампе 3.
Включить лампу 4 тумблером 11«ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ПОЛЕ». Если лампа 3 загорелась, вторую лампу выключить.6. Когда лампа 3 загорится, свечение может охватить всю лампу. Однако демонстрация вихревогоэлектрического поля будет более убедительной, если свечение останется только в середине трубкивблизи витков. В этом случае медленно повернуть назад ручку 13 «ВИХРЕВОЕ ПОЛЕ» дляуменьшения напряженности поля.7. Если у Вас имеется фотокамера, попытайтесь сфотографировать разряд.8. Выключить лампу, отпустив кнопку 14 «ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ».Потенциальное электрическое поле.
Разряд в электростатическом (потенциальном) поле наблюдают в лампе 4. На электроды лампы подают переменное сетевое напряжение частотой 50 Гц. Пускорегулирующее устройство 5 ограничивает ток лампы и создает благоприятные условия для зажигания разряда.Порядок выполнения задания.1. Включить тумблер 11 «ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ПОЛЕ». В лампе 4 должен возникнуть разряд.152.
Выключить лампу.8769510114121332141Рис. 20. Лабораторная установка: 1 - генератор тока высокой частоты; 2 - витки; 3 – лампа для демонстрации разряда в вихревом поле; 4 - лампа для демонстрации разряда в потенциальном поле; 5– пускорегулирующее устройство; 6 – витки; 7 – индикаторная лампа; 8 – источник постоянноготока; 9 – индикатор сети; 10 – сетевой выключатель; 11 – тумблер включения разряда в потенциальном поле; 12 - тумблер включения постоянного магнитного поля; 13 – регулировка вихревогоэлектрического поля; 14 – кнопка включения разряда в вихревом электрическом полеОтсутствие разряда в постоянном магнитном поле. Вокруг лампы 4 намотано несколько витков провода 6, через которые можно пропустить сильный постоянный ток от источника 8 (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
