С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Подставляя вместо Т его выражение (179.2), имеем 2я.со сока 1 (д(юл) В (179.3) ') Цнклотронной (илн гнремагннтной) называется частота обращения заряженных частиц в постоянном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной к полю. (Прцмеч. ред.) и называется цнклоглрониой частотой ). Для данного типа частиц и период, и частота зависят только от индукции магнитного поля. Выше мы предполагали, что направление начальной скорости перпендикулярно к направлению магнитного поля. Нетрудно сообразить, какой характер будет иметь движение, есци начальная скорость частицы составляет некоторый угол 1я / а с направлением поля 1 т '- яо / (рис. 308).
В этом случае удобно разложить скорость 0 а и те на две составляющие, одна из которых о1 = оо соз а 1 / / параллельна полю, а другая о„= оо эш а перпендику- Х лярна к полю. На частицу действует сила Лоренца рнс. зон движение частицы пе цнобусловленная составляю- лнндрнческой спирали (начальная скеЩЕй Оя, И Чаетина ДВИжстСЯ РОСТЬ ЗаРЯжЕННОй ЧаСтИЦЫ НаПРаВЛЕНа По оКружности, лежащей под углом к магннтпому полю) в плоскости, перпендикулярнойй к полю.
Составляющая о~ не вызывает появления добавочной силы, так как сила Лоренца при движении параллельно полю равна нулю. Поэтому в направлении поля частица движется по инерции, равномерно, со скоростью ое — — ое соэ гт. В результате сложения обоих движений частица будет двигаться по цилиндрической спирали, изображенной на рис. 308. Шаг винта этой спирали равен 416 ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛЯХ ГЛ ХЗ/П 9 180. Циклотрон Независимость частоты обращения в магнитном поле Я 179) от энергии частиц используют для устройства ускорителя заряженных частиц — циклотрона. Он предназначен для ускорения тяжелых частиц (ионов) без применения высокого напряжения. Принцип действия цнклотрона схематически изображен на рис.
309. Ускорение ионов происходит между двумя полукруглымн полыми металлическими электродами Д, имеющими вид коробок и называемыми дуан/нами. К дуантам приложено переменное нэлряжение в несколько десятков киловольт, создаваемое мощным / // / ламповым генерато/ /// ром. Поэтому в щели между дуантами возникает электрическое поле, ускоРис. 309. Приинип действия пиклотрона. Маг- ионы получаются в нитное поле перпендикулярно к плоскости чертежа газовом Разряде низ- кого давления в специальном источнике ионов И и вводятся в центре щели между дуантами. Дуанты находятся внутри вакуумной камеры, которая помещается между полюсами большого электромагнита. В циклотроне происходит ступенчатое ускорение ионов. Каждый ион, попавший в щель между дуантами, ускоряется электрическим полем и вступает внутрь одного из дуантов. Здесь под действием магнитного полн он описывает полуокружность и через время, равное половине времени обршцения, вновь попадает в шечь между дуантами.
Если частота генератора о/ равна циклотронной частоте /ос Я 179), то к этому времени электрическое поле изменит направление на обратное и ион получит повторное ускорение и во втором дуанте будет двигаться по окружности большего радиуса. Так как время обращения иона по окружности не зависит от его энергии, то при следующем прохождении щели фаза напряжения опять изменится на я и опять произойдет ускорение иона, и т.д, Поэтому ион будет двигаться по раскручивающейся спирали, непрерывно увеличивая свою энергию.
В периферической части магнитного поля либо помещают мишень, подлежащую бомбардировке, либо отклоняют пучок с помощью дополнительного электрода, имеющего от- 417 1 180 циклотгон рицательный потенциал, и выпускают пучок из камеры через специальное окошко, закрытое тонкой металлической фольгой. Из сказанного ясно., что условие ускорения ионов в циклотроне есть ьз = гос = ч В.
(180.1) нт Если амплитуда переменного напряжения (выраженная в вольтах) между дуантами равна Уе, а число прохождений ионов через щель равно и, то максимальная энергия, приобретаемая ионами, есть пЮе (выраженная в электронвольтах). Максимальная энергия частиц зависит от магнитной индукции В и максимально возможного радиуса орбиты, т.е.
от радиуса магнита Л. Полагая в формуле (179.1) г = Л, находим, что максимальная энергия ионов, которую можно получить в данном циклотроне, равна Ч 2 2 Вчакс = — В Л 2щ Так, например, если ускоряются ионы водорода, то д/гп = 0,96 10а Кл/кг. Для типичного цпклотрона средних размеров можно принять В=1 Тл, Л=0,5 м. Это дает Ума„, = 12 10еэВ = = 12 МэВ. Такой циклотрон представляет собой большую и сложную установку.
Масса его магнита равна сотням тонн. Общая мощность питания (высокочастотного генератора, магнита н вакуумных насосов) составляет сотни киловатт. Сила тока в пучке ускоренных ионов имеет порядок миллиампер. Отметим еще, что прн практическом осуществлении ускорения необходимо обеспечить хорошую фокусировку пучка ионов, т.е. удержание пучка вблизи центральной плоскости дуантов и предотвращение его попадания на крышки дуантов, Это достигается главным образом тем., что магнитное поле магнита делают слабо неоднородным, уменьшающимся от центра магнита к его периферии.
Возникающая при этом радиальная составляющая магнитной индукции вызывает появление дополнительных сил Лоренца (по сравнению с однородным полем), отклоняющих расходящийся пучок ионов обратно к центральной плоскости Однако, увеличивая радиус магнита, нельзя увеличить неограниченно максимальную энергию ионов. Предел ускорению кладет зависимость массы частиц от их скорости 1ср. 8 183). При достаточном увеличении энергии ионов их масса увеличивается и циклотронная частота озс уменьшается. Поэтому условие резонанса (180.1) нарушается и ускорение в конце концов прекращается. Отношение массы движущейся частицы к ее массе покоя т/гне зависит от отношения е/с — скорости частицы, выраженной в долях скорости света в вакууме (ср.
Ц 183). С другой стороны, при данной энергии частиц их скорости обратно пропорциональны з/т. Вследствие этого эффект изменения массы для 418 ДВижение зАРяжйнных чАстиц В пОлях Гл хун легких частиц (электронов) проявляется при значительно мень- ших энергиях, нежели для тяжелых частиц 1ионов), и поэтому циклотроны практически непригодны для ускорения электро- нов.
й 181. Определение удельного заряда электронов методом магнитной фокусировки В з 178, 179 мы видели, что отклонение, испытываемое заряженными частицами в электрическом и магнитном полях, существенно зависит от удельного заряда частиц. Поэтому, измеряя это отклонение, можно определить удельный заряд частиц д/пт. В зависимости от того, известна илн неизвестна скорость частиц, приходится поступать по-разному.
Если скорость частиц известна или может быть определенным образом задана в эксперименте, то достаточно измерить лишь одно из отклонений— либо в магнитном, либо в электрическом поле. Если же неизвестны и удельный заряд частиц !7/т, и их скорость О, то требуется измерение и электрического, и магнитного отклонений, Так как для определения двух неизвестных необходимы два соотношения. Примером методов первой К !у! О! а Э !руины может служить метод магнитной фокусировки для определения удельного заряда термоэлектроиов. Схема опыта показана на рис. 310.
Злектроны вылетают из нэкаленб Э ной проволоки К и ускоряются электрическим полем, созданРкс. З!О Определениее/то для тер- НЫМ МежДУ ПРОВОЛОКОЙ Н Днамовлектронов методом мап!кткой фрагмой Ю!. Диафрагма Ют фокусировки имеет кольцевую щель, причем центр соответствующей ей окружности лежит на оси пучка.
Эта диафрагма пропускает только те электроны, которые движутся по образующим конуса с углом раскрытия 2!т. За диафрагмой Х1! электроны движутся в пространстве, свободном от электрического поля, и попадают на люминесцирующий экран Э. Все указанные части заключены внутрь цилиндрической стеклянной трубки, из которой тщательно выкачан воздух. На трубку надевается снаружи длинная катушка (соленоид), создающая внутри трубки однородное магнитное поле с известной индукцией В, направленное параллельно оси электронного пучка. К 'о! нт 419 1 182 мАГнвтгон В 9 179 мы видели, что в этом случае электроны движутся по цилиндрическим спиралям. Поэтому все электроны, вышедшие из диафрагмы .Р1 под одним и тем же углом О, вновь пересекут ось пучка на расстояниях 1', 21 и т.д., где 1" — шаг винта спирали. В этих точках сечение пучка будет наименьшим, т.е.
в них электронный пучок будет фокусироваться. Следовательно, если изменять магнитное поле или скорость электронов, то первоначально размытое изображение пучка на экране будет периодически стягиваться в ярко светящееся пятнышко. Если расстояние 1 между Р1 и экраном Э равно Г, то пучок будет таким, как показано на рис. 310 а. При 1 = 27' пучок имеет вид, изображенный на рис.
310 6, и т.д. Условие фокусировки пучка на экране есть где г1 = 1, 2, 3,... Подставляя вместо 7' выражение (179,3), имеем 2~про сов а (181.1) (е/тп) В Но скорость электронов ов определяется напряжением сг, приложенным между катодом К и диафрагмой Р1, так квк тео~/2 = ео". Выражая отсюда пв и подставляя ее в формулу (181.1), находим окончательно е/т = 8хвввБ — ' р82 ' Поэтому, измеряя значения У и В, при которых происходит фокусировка пучка на экране, можно определить е(т.
8 182. Магнетрон Важный случай движения электронов мы имеем при наличии двух полсй — магнитного и электрического, перпендикулярных друг к другу. Это осуществляется в специальных вакуумных трубках — магнетронах, которые можно использовать для определения удельного заряда электронов. Магнетрон представляет собой аналог двухэлектродной лампы (диода), содержащий накаливаемый катод и холодный анод и помещаемый во внешнее магнитное поле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
