Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 58
Текст из файла (страница 58)
хх 116. 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 них частицы вы.
летаю~ порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и 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 (см. $92). Заряженная частица проходит поле однократно: заряд Я, проходя разность потенциалов гр~ — йп приобретает энергию (У=Я (гр~ — грз). Таким способом частицы ускоряются до яз 10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжении 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 гигаэлектронвольт. 3 Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов).
Его принципиальная схема приведена на рис. 1?1. Между полюсами Гн и нн !! Ч1н~ш гни ниле 1зп Рис. !7! сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (7 и 2) в виде полых металлических полуцилнпдров, или дуантов.
К ду. антам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов. Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами, то она, чскоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдя в дуант С опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы (см.
(115.1)). К моменту ее выхода из пуанта l полярность напряжения изменяется (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуаитамн), поэтому частица вновь ускоряется и, переходя в дуант 2, описывает там уже полу- окружность большего радиуса и т. д. Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие сиикроиизми (чсловие «резонанса») — периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. Прн 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 поня выводится нз 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), н синхронизм иаруцшется. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при Е=0,5 МэВ т=2то, при Е=10 МэВ т=28тн)). Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г, советским физиком В. И.
Векслером (1907 †19) и в 1945 г. американским физиком Э.МакМиллаиом (р. 1907) принцип автофаэировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращении частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо та и другое.
Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне. 4. Фазотрон (синхроциклотрон)— циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, а-частиц), и ко~ором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручиваюшейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фаэотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус нх 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 в 1О 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 поли одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Прото- 3 Электричество ч тлектрочвтнотнш ны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ. 7.
Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем (см. 4 137), индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует пробле.
мы синхронизации. Электроны в бетатроие ускоряются до энергий !00 МэВ. При В') 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20 — 50 МэВ (выпускаются серийно). 3 117. Эффект Холла Эффект Холла * (1879) — это возникновение в металле (илн поаупроводнике) с током плотностью), помещенном в магнитное поле В, электрического поля в направлении, перпендикулярном В н ).
Поместим металлнчесную пластинку с током плотностью 1 в магнитное поле В, перпендикулярное ) (рис. !72). При данном направлении ) скорость носителей тока в металле — электронов — направ. лена справа налево. Электроны испытывают действие силы Лоренца (см. $ !14), 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 Ев этого поперечного поля достигнет такой величины, что его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении.
Тогда вЕэ — — е Лр/а=воВ, или Лят= вВа, ' Э. Хслл (!855 — 1938) — американский физик. в Рчс. !72 где а — ширина пластинки, Лтр — лонкрен. лая (хояловская) ризлогто потенциалов. Учитывая, что сила тока 1=15 =лео5 (5 — площадь поперечного сечения пластинки толщиной Й, л — концентрация электронов, а -- средняя скорость упорядоченного движения электронов), получим 1 ! 1В 1В Лф= Во=в леаб ел 8 т( (1!7.1) т. е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции В, силе тока 1 и обратно пропорциональна толщине пластинки т(.
В формуле (! !7. 1) 17= !1(ел) — постоянная Холла, зависящая от вещества. По измеренному значению постоянной Холла можно: !) определить концентрацию носителей тока в проводнике (при известных характере проводимости и заряде носителей); 2) судить о природе проводимости полупроводников (см. 4 242, 243), так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда е носителей тока. Эффект Холла поэтому наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока а металлах и полупроводниках. Он применяется также длн умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчики Холла) и т.
д. 2118. ххиркуляция вектора В для магнитного поля в вакууме Аналогично циркуляции вектора напряженности электростатического поля (см. 4 83) введем циркуляцию вектора магнитной индукции, х(нркуляцией вектора В по заданному замкнутому контуру ! л,1н 1 ! ! Я,111ь ьас ю4н ВВ1 называется интеграл !'Ь4. пч . где Й вЂ” вектор элементарной длины контура, направленной вдоль обхода контура, В1=В соз а — составляющая вектора В в направлении касательной к контуру (с учетом выбранного направления обхода), а — угол между векторами В и 81. Закон полного тона для магнитного поля в вакууме (теорема о циркуляции вектора В): циркуляция вектора В по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной Мь на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром: где и — число проводников с токами, охватываемых контуром Е произвольной формы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
