Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 134

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 134)

Из всех остальных частиц и ядер изготовить мишени не удается. В результате у нвс нет, например, прямых экспериментальных данных о рассеянии нейтронов на нейтронах, тогда как рассеяние нейтронов на протонах и в особенности протонов на протонах экспериментально исследовано с большой полнотой.

Ускорители Что касается ускоряемых частиц, то в большинстве ускорителей получаются пучки ускоренных протонов или электронов. В ускорителях получают также пучки дейтронов и а-частиц. Имеется небольшое количество ускорителей тяжелых ионов: многократно заряженных ионов углерода, азота, кислорода и пр. Такие ускорители применяются главным образом для синтеза сверхтяжелых трансурановых элементов (см. ~ 04), а также для поисков сверхтяжелого состояния ядерной магерии. Созданы источники для ускорения позитронов и антипротонов.

Энергии ускоренных заряженных частиц меняются в пределах от нескольких мегаэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт, причем верхний предел определяется не принципиальными трудностями, а уровнем развития ускорительной техники. Этот предел постоянно повышается примерно на порядок за десятилетие. 2. Первым ускорителем, получившим практические применения в ядерной физике (начиная с 30-х годов) является олетаростатический генератор Ваи-де-Граафа (1901 — 1067). Принцип работы этого генератора уже был описан нами (см. т.

111, З 11). Из внутренней области полого металлического шара, заряжаемого до очень высокого потенциала, выходит многосекционная ускорительная вакуумная трубка, в которой и происходит ускорение заряженных частиц. При работе генератора повышение напряжения на ускорительной трубке происходит до тех пор, пока ток утечки не сравняется с зарядным током, т.е. током, возникающим из-за движения заряженной транспортерной ленты, или пока не возникнет электрический пробой.

Достижимый верхний предел напряжения на трубке ограничен напряженном пробоя между шаром и окружающими предметами. Обычные генераторы Ван-де-Граафа позволяют получать напряжения до 2-5 МВ, усовершенсгвованные— до 15 — 20 МВ. Простым приемом эффективное напряжение генератора Ван-деГраафа удается повысить в два раза. Для этого применяются две ускорительные трубки, расположенные вертикально одна на продолжении другой.

Высоковольтный электрод (положительный) помещается между ними. Там же помещается тонкая металлическая фолыа. На верхнем конце верхней трубки располагается источник ионов, на нижнем конце нижней трубки находится выпускное отверстие. Источник ионов и выпускное отверстие заземляются, а потому находятся при нулевом потенциале.

Из источника должны выходить отрицательные ионы, т.е. частицы, содержащие избыток электронов. Чаще всего ими являются ионы водорода или дейтерия. Их получают, впуская водород или дейтерий в область, где горит электрический разряд. Там молекулы газа диссоциируют, а атомы ионизуются. Таким путем обычно получаются положительные ионы, но определенная часть ионов несет и отрицательный заряд. В последнем случае при ионизации атома водорода ион представляет собой протон, вокруг которого вращаются два электрона, слабо с ним связанные. Образовавшийся отрицательный ион направляется к положительному высоковольтному электроду и ускоряется до определенного потенциала.

В конце пути он пронизывает металлическую фольгу, которая его «обдирает», т.е. лишает 536 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл. Х!! обоих электронов. Здесь отрицательный ион превращается в положительный и продолжаег двигаться в том же направлении к выпускному отверстию, уже отталкиваясь от высоковольтного электрода. В результате перезаряженная частица, подходя к выпускному отверстию, дополнигельно приобретает такую же энергию, какую она получила на первой половине пути.

Ускоритель, работающий по этому принципу, называется перезарядным ускорителем или тандем-генератором. По сравнению с обычным генератором Ван-де-!'раафа он обладает тем важным преимуществом, что в нем источник газа находится но под высоким потенциалом, а при потенциале земли, а это сильно упрощает его питание и обслуживание.

Недостатком генератора Ван-де-Граафа является жесткое ограничение энергии пучка сверху. Но этот генератор обладает и важными преимуществами. Главнейшие из них — высокая степень монохроматичности пучка (до 10ь, т.е. выше, чем на любом другом ускорителе) и легкость регулирования его энергии. Благодаря этому эффективное сечение рассеяния протона на протоне (например, при низких энергиях) измерено на генераторе Ван-де-Граафа с точностью, которая недостижима при измерении любых других сечений в ядерной физике. Вот почему генератор Ван-де-Граафа до сих пор широко применяется в исследованиях при низких энергиях.

Важным достоинством генератора Ван-де-Граафа является также возможность получения больших токов в пучке при высоких КПД. Ток в пучке в генераторах Ван-деГраафа доходит до нескольких сот микроампер. 3. Перейдем к рассмотрению линейных ускорителей. Они относятся к классу резонансных ускорителей, так как в них для ускорения заряженных частиц применяются высокочастотные переменные поля, частота которых строго согласована со скоростью движения ускоряемой частицы. Простейшим из таких ускорителей является ускоритель Видерое (р. 1902), в котором полые цилиндрические электроды (называемые дрсйдзоаыми или пролети ми трубками) постоянно возрастающей длины располагаются друг за другом, как это указано на рис. 147. Трубки через одну соединены с одним полюсом генератора переменного напряжения, остальные трубки соединены с другим полюсом.

Ускоритель является импульсным, т. е. дает не непрерывный ток ускоренных частиц, а ускоряет отдельные сгустки частиц (банчи). На верхней час ги рис.147 показаны знаки зарядов на трубках и направления электрических полей в зазорах между ними в некоторый момент времени 1.

То же сделано на нижней части рис.147, но через половину периода переменного напряжения генератора. Пусть, например, положительная частица (протон) попадает в первый зазор между трубками в направлении электрического поля. Тогда в этим зазоре скорость частицы увеличится. После этого она попадает в канал цилиндрической дрейфовой трубки и будет двигаться по инерции, так как внутрь металлической трубки электрическое поле не проникает. Длина дрейфовой трубки такова, что, когда частица подходит ко второму зазору между трубками, направление электрического поля меняется на противоположное, так что в этом зазоре опять происходит й 84) Ускорители 537 ее ускорение.

То же самое происходит в третьем и во всех последующих зазорах между дрейфовыми трубками. Рис. 147 Таким образом, в каждом зазоре между дрейфовыми трубками частица движется ускоренно. Для этого необходимо, чтобы длины последовательных трубок непрерывно возрастали в соответствии с ростом скорости, достигнугой частицей в процессе ускорения. Чтобы дрейфовые трубки получились не слишком длинными, надо применять генераторы высокой частоты. В приведенном рассуждении молчалино предполагалось, что фазы ускоряющих напряжений между соседними трубками меняются синхронно. На самом деле строгий синхронизм нарушается из-за конечной скорое"ги распространения электромагнитных возмущений.

При малых скоростях частицы это обстоятельство практически не играет роли. Но когда скорость частицы приближается к скорости свеча, нарушение синхронизма становится большим, и это обстоятельство должно быть принято во внимание. Поэтому линейные ускорители Видерое могут давать ускоренные частицы (протоны) сравнительно низких энергий (до 10 МэВ). В настоящее время они применяются редко и только на первых стадиях ускорения, пока скорость частицы невелика по сравнению со скоростью света.

4. Альварец (р. 1911) предложил и практически осуществил линейный резонансный ускоритель, в котором дрейфовые трубки не присоединяю гся к генератору высокого напряжения. Ускоритель Альвареца представляет собой цилиндрическую трубку (объемный резонатор), в которой возбуждается стоячая электромагнитная волна электрического типа, т.е, такая волна, электрический вектор которой направлен параллельно оси трубы.

Электрическое поле в таком резонаторе имеет вид Е = А(г)совйхсозх1, где координата х отсчитывается вдоль трубы, а амплитуда А(г) зависит от расстояния г до оси резонатора. Частота ы не может быть произвольной, так как в силу граничных условий на стенках трубы в ней можно возбудить стоячие волны только 538 Иет ючнини и метподы региетврации лдернмте частиц ( Гл. ХП с вполне определенными характеристиками. Понятно, что в ускорителях Видерое подобное ограничение на частоту генератора не накладывается.

В узлах 1, в, 3,... электрическое поле обращается в нуль, как это видно из рис.148. Через половину периода Т электрическое поле всякий раз меняет направление на противоположное. — — — — с с е с э т12 -- Е г + — ~ — сьт Рис. 148 Пусть в таком воле положительно заряженная частица, например р, движется с постоянной скоростью и и притом так, что в точке А она оказывается в тот момент времени, когда электрическое поле максимально. Тогда частица будет ускоряться, точнее, увеличивать свою энергию. Пусть через четверть периода она окажется в узле 1, где электрическое поле обращается в нуль.

Характеристики

Список файлов книги