А.Н. Матвеев - Механика и теория относительности (1111874), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Фаза неравновесной частицы начнет уменьшаться и приближаться к равновесной фазе и т. д. В результате фаза неравновесных частиц будет колебаться около равновесной фазы. Эти колебания называются фазовыми. В среднем иеравновесные частицы получают такой жс прирост энергии, как и равновесные. Утверждение об устойчивости 41. Ускорители заряженных частиц колебания фазы около равновесного значения называется принципом автофазпровки. Он играет важнейшую роль в ускорителях. Как видно нз описанного механизма автофазировкп, значение равновесной фазы автоматически подбирается таким, чтобы прирост энергии соответствовал скорости роста магнитного поля: если она уменьшается, то равновесная фаза автоматически увеличивается, и наоборот.
Поэтому в широких пределах закон роста магнитного поля является произвольным. Надо лишь не допускать слишком быстрого роста магнитного поля, потому что в этом случае дая<е фаза, близкая к нулю, не сможет обеспечить достаточно большой прирост энергии за оборот. При нескольких ускоряющих промех<утках за один оборот частице можно сообщить очень большую энергию. Поэтому величина потерь энергии на излучение не является для синхротронов существенным препятствием к достижению очень больших энергий. В электронных синхротронах достигнуты энергии около 6 млрд. зВ. Однако и для них есть предел энергиям. Он обусловливается квантовым характером излучения.
Из-за случайного характера актов излучения в синхроне под их влиянием возникают фазовые и бетатронные колебания. Хотя они и затухают за счет радиационного трения, но все же затрудняют работу электронных ускорителей на очень большие энергии. Фазотрон. Как было сказано, циклотрон перестает работать потому, что частота обращения частицы изменяется при росте ее энергии. Пользуясь принципом автофазировки, эту трудность можно преодолеть, сделав переменной частоту ускоряющего поля.
Релятивистское изменение массы ускоряемых частиц автоматически учитывается изменением частоты ускоряющего поля. Циклотрон с переменной частотой ускоряющего поля называется фазотроном. Магнитное поле в нем постоянно по времени. В фазотронах можно получить энергии в сотни миллионов злектронвольт. Практически получены энергии около 700 млн. эВ.
Дальнейшее увеличение энергии затруднительно по техническим причинам, поскольку приходится создавать магнитные поля на очень большой площади, что связано с болыпим весом магнитов и другими трудностями. Конфигурация магнитного поля в синхротроне более целесообразна: оно создается не по всей площади круга ускорителя, а лишь в узком кольце, где движутся ускоряемые частицы. Синхрофазотрон.
Если в установке, подобной синхротрону, ускорять тяжелые частицы, то, несмотря на постоянный радиус траектории, частота вращения атил часгпц является переменной, поскольку для тяжелых частиц скорость заметно изменяется при росте энергии до нескольких миллиардов злектронвольт. Лишь при энергии в несколько миллиардов электронвольт их скорость становится столь близкой к скорости света, что ее дальнейшим изменением с кинематической точки зрения можно пренебречь. Подчеркнем здесь слово «кинематический», поскольку как рост массы, так и рост полной Глава 8.
ДВИЖЕНИЕ В ЗЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ энергии обусловливается изменением скорости частицы. Вблизи скорости света совершенно незаметное изменение скорости частицы приводит к громадным изменениям полной энергии частицы и ее массы. При ускорении тяжелых частиц в установке, похожей на синхротрон, необходимо учесть изменение частоты вращения частиц. Чтобы частица при ускорении двигалась по окружности постоянного радиуса, магнитное поле в кольце, в пределах которого движутся частицы, также должно увеличиваться.
Частота электрического поля также должна возрастать в соответствии с частотой вращения частиц. Такой ускоритель с переменным магнитным полем в кольцевой области, переменной частотой ускоряющего электрического поля и постоянным радиусом траектории частиц называется синхрофазотроном. Он применяется для ускорения тяжелых частиц, главным образом протонов.
Радиальная и вертикальная устойчивости в нем обеспечиваются конфигурацией магнитного поля, спадающего к периферии, как у бетатронов и синхротронов. Автофазировка делает колебания фазы устойчивыми, как это было объяснено для синхротрона. Из формулы, связывающей радиус г кривизны орбиты с величиной магнитного поля, нетрудно получить следующую формулу (и ж с) для поля В = 10' Гс: г = (10/3) Е, (41.23) где радиус выражен в метрах, Š— в миллиардах электронвольт (БэВ). Отсюда видно, что ускоритель электронов на 1 БэВ имеет радиус примерно 3,5 и.
Ускоритель протонов на энергию 10 БэВ имеет радиус примерно 35 м. Размер камеры, в которой производится ускорение, должен составлять примерно 5'4 от радиуса, чтобы частицы имели возможность колебаться около равновесной орбиты, не касаясь стенок. В связи с этим приходится создавать сильное магнитное поле в довольно больших объемах. Например, магнит синхрофазотрона в Дубне (СССР) на энергию 10 БэВ весит свыше 30 тыс. тонн.
Вес магнита растет примерно пропорционально кубу энергии. Поэтому, чтобы построить ускоритель с энергией около 50 БэВ, необходимо иметь магнит весом много сотен тысяч тонн. Технически это весьма сложно и очень дорогостояще. Принцип сильной фокусировки. Для того чтобы уменьшить амплитуду колебаний частицы в окрестности равновесной орбиты и благодаря этому уменьшить объем, в котором надо создавать магнитное поле, и, следовательно, уменьшить вес магнита, можно воспользоваться принципом сильной, или жесткой, фокусировки. Суть этого принципа состоит в следующем.
Вся окружность ускорителя разбивается на много секторов. Магнитное поле в, секторах берется попеременно то очень сильно растущим, то очень сильно убывающим. Если поле определяется формулой (41 14), то в секторе, в котором поле сильно растет по радиусу, и ~. — 1, а в соседних секторах 41. Ускорители заряженнъ~х частиц поле должно сильно убывать по радиусу н поэтому и ~ 1. Обычно п по абсолютному значению бывает равным нескольким десяткам или нескольким сотням. Как показывает теория, при определенных соотношениях между длинами секторов и показателями п магнитного поля в секторах движение частицы является устойчивым, причем частица удерживается около равновесной орбиты очень большими средними силами и амплитуда ее колебаний оказывается очень малой.
Например, в ускорителе со слабой фокусировкой на энергию 10 БэВ камера имеет радиальный размер около 1,5 и, а в ускорителе с сильной фокусировкой на энергию 30 БэВ достаточно сделать камеру радиального размера около 15 см. Зто дает возможность значительно снизить вес магнита. На~ример, магнит синхрофазотрона с мягкой фокусировкой на энергию 10 БэВ весит около 30 тыс. тонн, а у синхрофазотрона с жесткой фокусировкой на энергию 30 Бз — всего 4 тыс. тонн. Все сипхротроны на энергии свыше 10 БэВ строятся только с жесткой фокусировкой. В настоящее время в мире имеется несколько синхрофазотронов с жесткой фокусировкой на энергию около 30 млрд.
зВ, по одному ускорителю — на 70 и 500 млрд. зВ. Линейные ускорители. Простейшим линейным ускорителем является последовательность трубок, к которым приложено переменное напрянсение (см. начало настоящего параграфа). Однако более распространенным является волноводный тип ускорителя. Он представляет собой трубку, вдоль которой распространяется электромагнитная волна соответствующей конфигурации. В волноводах могут возбуждаться волны так называемого Е-типа, имеющие вдоль оси волновода составляющую напряженности электрического поля, которое может ускорить частицу в направлении этой оси, Скорость дзян<ения волны в волноводе регулируется с помощью диафрагм, поставленных в нем.
Можно подобрать такие условия, чтобы частица, ускоряемая волной, как бы «сидела» на волне, т. е. в каждый момент имела такую скорость, какую имеет волна в волноводе. В результате этого на частицу все время действует ускоряющее поле волны и она приобретает значительную энергию. Линейные ускорители для электронов позволяют избежать эффектов, связанных с излучением.
Поэтому самый мощный ускоритель для электронов в настоящее время является линейным. Его длина около 3 км, а достижимая энергия около 20 БэВ. Имеются также индукционные линейные ускорители. Вдоль их оси возбуждается индукционное электрическое поле, обусловленное изменением магнитного поля, которое создается соответствующим образом расположенными обмотками с током. Основное преимущество индукционных линейных ускорителей заключается в возможности создавать интенсивные потоки ускоряемых частиц. Глава 9 СТОЛКНОВЕНИЯ 42.
Характеристика процессов столкновения 43. Упругие столкновения 44. Неупругие столкновения 45. Реакции между субатомными частицами Г. лавный интерес при рассмотрении столкновения заключается в знании пе самого процесса столкновения, а его результата. Задача теории — установить связь между характеристиками состояния частиц до и после их столкповеппя без ответа на вопрос, как эта связь осуществляется. Законы сохранения пе управляют процессами столкновения, а лишь соблюдаются при их осуществлении.
42. Характеристика процессов столкновения Определение понятия столкновения. Наиболее общим явлением, наблюдаемым в природе, является взаимодействие материальных тел. Бильярдные шары, сближаясь, в момент соприкосновения взаимодействуют друг с другом. В результате этого меняются скорости шаров, их кинетические энергии и в общем случае также их внутреннее состояние, например температура. О таком взаимодействии шаров говорят как об их столкновении. Но понятие столкновения относится не только к взаимодействиям, осуществляемым посредством соприкосновения материальных тел.
Комета, прилетавшая из глубины Вселенной и прошедшая в окрестности Солнца, меняет свою скорость и снова удаляется в глубины Вселенной в другом направлении. Зтот процесс также является столкновением, хотя непосредственного соприкосновения между кометой и Солнцем не произошло, а осуществлено оно было посредством сил 42. Характеристика процессов столкновения 271 тяготения. Характерная особенность этого взаимодействия, которая дает нам возможность рассматривать его как столкновение, заключается в том, что область пространства, в котором оно произошло, относительно мала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
