А.Н. Матвеев - Механика и теория относительности (1111874), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Другим важным естественным источником частиц высокой энергии являются космические лучи. В них встречаются частицы с чрезвычайно большими энергиями, вплоть до 10" — 10" эВ и дан<е до 10" эВ. Получить в искусственных условиях такие энергии не представляется возможным ни сейчас, пи в недалеком будущем. В космических лучах присутствуют также частицы и меньших энергий. Однако интенсивность этих частиц очень мала и, чтобы наблюдать явления, происходящие с малой вероятностью, приходится ждать очень долгое время. Например, давно было установлено, что при определенных условиях должно произойти рождение пары частиц протон — антипротон.
Однако наблюдать этот процесс в космических лучах не удалось. Это удалось лишь в ускорителях, разгоняющих частицы до достаточно больших энергий. В ускорителях заряженных частиц используются главным образом два метода ускорения — резонансный и индукционный. Резонансный метод ускорения. Магнитное поле изменяет лишь направление скорости заряженной частицы, но не абсолютное значение этой скорости, т.
е. энергию частицы. Поэтому магнитное поле можно использовать только для управления ее траекторией, а не для сообщений ей энергии. Энергия частицы моя<ет быть изменена лишь электрическим полем. Частица с зарядом е, равным заряду электрона, проходя разность потенциалов У, приобретает (или будет приобретать) энергию е<>'. Практически можно создать разность потенциалов в несколы<о сотен тысяч вольт, а в специальных устройствах, называемых электростатическими генераторами, — в несколько миллионов вольт. Следовательно, таким путем частицы могут приобрести энергию лишь в носколько дз,з Объпснмте принцип резонансного ускорения.
В чем состоит индукционным метод усноренма! 41. ускорители зараженных частиц миллионов электронвольт. Задача состоит в том, чтобы с помощью небольшой разности потенциалов сообщить частицам энергию, во много раз большую той, которую она получает прн однократном прохождении этой разности потенциалов. Естественным решением этой задачи является идея многократного ускорения частицы одной и той же разностью потенциалов. Пусть имеется последовательность трубок (1 — з), к которым подключены поочередно различные полюсы генератора переменного напряжения, в результате чего соседние трубки оказываются всегда заряженными разноименно (рис. 91).
Внутри трубки, как известно, электрическое поле отсутствует, так что частица двиукется там без действия внешних сил. Между трубками имеется электрическое поле, которое может либо ускорить, либо замедлить частицу в зависимости от знака заряда и направления поля между ними. Пространство между трубками называется ускоряющим промежутком. Пусть положительно заряженная частица входит в ускоряющий промежуток 1 между первой и второй трубками, когда знаки потенциалов трубок совпадают с указанными па рис, 91, При прохождении этого промежутка частица получит прирост энергии осу, где су' — разность потенциалов между трубками.
Затем частица входит внутрь второй трубки, где на нее никакие силы не действуют, и энергия ее при этом пе изменяется. Пройдя трубку 2, частица попадает в ускоряющий промеукуток П. Если и этому времени потенциалы трубок пе изменятся, то поле между трубками 2 и 3 будет тормозить Одна и та те небольшая разность потенциалов, пройденная заряьте аной частицей много раз, позволяет получить большое увеличение знергии частицы. Принцип резонансного ускорения заряженных частиц Напряжение иа трубказ изменяется таким образом, что «астица, попадая а пространстао между ними, всегда оказыеаетс» е ускоряющем зпектрическом попе Глава 8.
ДВИЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ 25б частицу и, пройдя этот промежуток, она потеряет энергию ес1, т. е., попав внутрь трубки 3, будет иметь ту же энергию, которую она имела, проходя трубку 1. Таким образом, никакого ускорения частица не приобрела. Чтобы не произошло торможения частицы в промежутке 11, надо к моменту выхода частицы из трубки 2 изменить потенциалы всех трубок на обратные. Тогда в этом промежутке частица снова окажется в ускоряющем поле и после его прохонсдения получит новую корпи>о энергии ес1.
Поэтому, для того чтобы заряженная частица проходила все промежутки менсду трубками в ускоряющем поле, необходимо за время пролета частицы через трубку ее потенциал, а следовательно, и потенциалы соседних трубок изменить на обратные. Для этого необходимо, чтобы за время пролета трубки в генераторе напряжения совершилось полуцелое число колебаний, т.
е. (41 1) т = сх (Т/2), где х — время пролета трубки, Т вЂ” период напряжения генератора, сх = 1, 3, 5, 7, .... Это условие называется условием резонанса. При его соблюдении частица движется все время в резонансе с переменным электрическим полем, создаваемым генератором напряжения. Благодаря этому при прохождении всех промежутков она оказывается в ускоряющем поле и приобретает энергию.
В процессе ускорения скорость частицы увеличивается. Если период колебаний Т в генераторе постоянен, необходимо подбирать длины последующих трубок таким образом, чтобы время их пролета при растущей скорости частицы удовлетворяло равенству (41.1), Нетрудно рассчитать закон изменения длины трубок. Вместо последовательности трубок, изображенных на рис. 91, можно было бы ограничиться одним ускорясощим промежутком, например между первой и второй трубками. Для этого надо вторую трубку сделать достаточно длинной и, изогнув ее, например, по окружности, соединить ее конец с началом первой трубки.
Магнитным полем соответствующей конфигурации монсно заставить заряженную частицу двигаться внутри изогнутой трубки. Подбирая частоту напрянсения таким образом, чтобы промежуток между трубками частица проходила в ускоряющем поле, мы получим циклический ускоритель типа синхротрона или синхрофазотрона. Слово «циклический» означает, что прн ускорении частица двннсется по почти замкнутым траекториям. Ускоритель, у которого, как у нзобрансенного на рис. 91, путь ускоряемой частицы является прямолннейпым, называется линейным. Поэтому резонансный метод ускорения может быть осуществлен как в циклических, так 0 в линейных ускорителях. Индукционный метод ускорения.
При изменении магнитного поля возникает согласно закону электромагнитной индукции Фарадея вихревое электрическое поле. Связь между направлениями этих полей указана на рис. 83. Если в пространство между полями попадает 41. Ускорители зарлженнъ~х частиц ?57 заряженная частица, то возникшее вихревое электрическое поле ускоряет ее, т. е. энергия частицы увеличивается, а изменяющееся магнитное поле искривляет ее траекторию.
Можно добиться условия, при котором частица, ускоряясь электрическим полем, будет двигаться по окружности постоянного радиуса под влиянием переменного магнитного поля. Такое условие называется бетатронньгм. Оно будет выведено несколько позднее. Ускорение с использованием индукционного (по закону индукции Фарадея) электрического поля называется индукционным методом ускорения. Он осуществляется в бетатроне — ускорителе электронов, траектории которых являются окружностями. Поэтому бетатрон относится к циклическим индукционным ускорителям.
Существуют также линейные индукционные ускорители. В них ускоряемая частица движется по прямой линии под действием электрического поля, создаваемого по закону электромагнитной индукции за счет изменения магнитного поля. Циклотрон. Простейшим ускорителем с использованием резонансного метода ускорения является циклотрон. В однородном магнитном поле частота обращения частицы в = еВ/т. (41.2) Если пренебречь зависимостью массы от скорости, то эту частоту можно считать постоянной. Это возможно лишь при малых скоростях частицы, когда (л22/сл) <, '1.
Равенство о (татар /2) 2тткин (41.3) са тоси тттоса показывает, что условие (ил/с2) ((1 эквивалентно условию И'на„~ (~а тос', т. е. пренебрегать зависимостью массы от скорости можно тогда, когда кинетическая энергия частицы много меньше ее энергии покоя. Энергия покоя электрона равна примерно 0,5 МэВ, протона — примерно 900 МэВ, т. е, почти 1 млрд. зВ. Поэтому при кинетической энергии в 1 млн. зВ протон имеет малую скорость, при которой зависимость массы от скорости несущественна, а электрон имеет очень большую скорость, при которой эта зависимость играет определяющую роль. Следовательно, если речь идет об энергиях в десятки миллионов электронвольт, то для тяжелых частиц, таких, как протон, можно пренебречь зависимостью массы от скорости, а для легких, таких, как электрон, — нельзя. В циклотроне используется постоянство частоты вращения частицы (41.2) в однородном магнитном поле и поэтому он пригоден лишь для ускорения тяжелых частиц до не слишком больших энергий.
Для ускорения электронов циклотрон применять нельзя. Схема циклотрона показана на рис. 92. Перпендикулярно плоскости чертежа приложено однородное магнитное поле, в котором ааряженная частица движется с постоянной частотой (41.2), являющейся циклотронной. Это движение осуществляется внутри дуантов, О Л2еханика и теорие отноеитеаьиоети 258 Гл а в а 8.
ДВИЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ Траектории частицы в ци- клотроне Почему а циклотроне невозможно ускорять частицы до очень бопыяих энергий3 В чем заключается механизм вертикальной фокусировки в ускоряющем промежутке! Опишите механизм вертикальной фокусировки в ускоряющем промежутке за счет изменения электрического поля.
В какой фазе изменения электрического поля должны проходить ускоряющий промежутом частицы, чтобы действие этого поля было фокусирующим! Цинло трон является нерелятивистсниэг прибором и в нем нельзя получить частицы со сноростяни, составляющими существенную долю снорости света. в зазоре между которыми приложено переменное электрическое напряжение с частотой, равной частоте обращения частицы в магнитном поле. Источник частиц расположен вблизи центра циклотропа. Поле между дуантами ускоряет частицы, испускаемые источником. Попав в пространство внутри дуанта, частица движется по полуокружности определенного радиуса и через полупериод обращения снова оказывается между дуантами, где электрическое поле к атому времени изменяется на обратное.
Вследствие этого частица опять ускоряется. Затем весь процесс повторяется снова. Каждый раз, проходя между дуаптами, частица получает определенную порцию энергии и затем движется внутри пих по полуокружностям увеличивающихся радиусов. Период обращения при этом остается постоянным. Частота переменного поля между дуантами также является постоянной. Максимальная энергия частицы ограничена величиной магнитного полян радиусом траекторий в циклотроне., Частицы, достигшие максимальной энергии, с помощью соответствующих устройств выводятся из циклотрона для дальнейшего использования. Вертикальная устойчивость движения частиц в циклотроне. Для того чтобы в процессе всего цикла ускорения частицы не попали на горизонтальные стенки дуантов, необходимо, чтобы при их отклонении от средней плоскости циклотропа возникали силы, стремящиеся вернуть зти частицы к средней плоскости, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
