Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 136
Текст из файла (страница 136)
Непрерывной откачкой в дуантах поддерживается давление в 10 4 — 10 в мм рт. ст., тогда как в центре полости, где горит дуга, давление примерно в 100 раз выше. Положительный ион, выйдя из дуги, движется в электрическом поле зазора к отрицательному дуанту и набирает энергию. Внутри дуанта он движется равномерно, описывая полуокружность.
Через промежуток времени Т(2 он подходит к зазору между дуантами с противоположной стороны от центра. К этому моменту электрическое поле меняет направление на противоположное, так что ион снова попадает в ускоряющее поле и снова ускоряется. После этого в течение того же промежутка времени Т(2 ион с приобретенной скоростью равномерно движется по полуокружиости уже во втором дуанте.
Через промежуток времени Т(2 ион опять подходит к зазору между дуантами (когда электрическое поле изменит направление) и снова будет ускоряться. И так продолжается дальше. Ион движется по раскручивающейся спирали, периодически испытывая ускорение через время Т/2. На последнем витке спирали нключается отклоняющее элекгрнческое поле, выводящее пучок наружу. Напряженность ускоряющего поля лимитирустся возможностями пробоя. Она обычно не превышает 100 кВ. 542 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл.
ХП Энергия, приобретаемая частицей при выходе из ускорителя, от ускоряющего поля не зависит. Она определяется лишь напряженностью магнитного поля Н и радиусом Н цилиндрической области, в которой оно создано. Действительно, скорость, приобретаемав частицей, и = = ЙЯ, а кинетическая энергия Нй й 112 Нг (е ~) (84.4) 2 2 тс Так, при Н = 15 кГс и Я = 0,4 м при ускорении протонов (тс = 938 МэВ) получаем 1 (4,8 10 1,5 10 40) 1 (4,8 1,5 4 10 ) 2 938 . 10 . 1,6 . 10 ' 2 938 .
1,6 . 10 . 1,6 . 10 = 17 10е эВ = 17 МэВ. Если амплитудное напряжение между дуанчвми равно 100 кВ, то при каждом полном обороте энергия протона увеличивается на 200 кэВ, так как при этом он дважды пересекает ускоряющий зазор между дуангами. Поэтому для набора энергии 17 МэВ протону гребуется совершить 17. 10е; 2. 10е = 85 оборотов. Для работы циклотрона существенно, чтобы частица все время двигалась в центральной плоскости циклотрона или, во всяком случае, возвращалась к этой плоскости при малых отклонениях от нее в ту или другую сторону, а не попадала на один из дуантов. Таким свойством ровльные циклотроны действительно обладают оно называется фок1гсировиой.
Фокусировка обеспечивается неоднородностью магнитного поля и отчасти электрического поля в зазорах между дуантами. Фокусирующим действием магнитное поле обладает потому, что оно убывает от центра к периферии. Благодаря этому магнитные силовые линии обращены выпуклостями наружу, т. е. имеют бочкообразную форму. На рис. 150 изображена одна из магнитных силовых линий АВ, причем предполагается, что удерживающее магнитное поле направле- но вверх. Рассмотрим ради определен- Н ности положительную частицу.
Пусть она сместилась из средней плоскости е СР в положение М. В этом положении М Н удерживающее магнитное поле вынуждает частицу двигаться в направлении С С от читателя за плоскость рисунка. Следовательно, сила Лоренца й имеет составляющую, направленную вниз. Эта сила и вернет отклонившуюся частицу снова в среднюю плоскость СР. Если бы магнитное поле достаточно быстро Рнс. 150 возрастало от центра к периферии, то магнитные силовые линии были бы обращены выпуклостью к центру. Возникла бы сила Лоренца с составляющей, направленной вверх, которая отклонила бы частицу от сред- Ускорители 543 ней плоскости СР еще дальше.
В конце концов частица попала бы на верхнюю плоскость дуанта. Существенный недостаток циклотрона состоит в том, что он позволяет ускорять частицы толь~о до нереллтиеистских энергий. Лишь в этом случае имеет место синхронизм колебаний электрического поля между дуантами с обращением частицы по окружности.
При релятивистских движениях формула (84.3) сохраняется, но под пг следует понимать не массу покоя, а релятивистскую массу частицы. Релятивистская же масса, а с ней и период обращения частицы Т возрастают по мере ускорения частицы, что приводит к нарушению синхронизма. В силу сказанного эффективно ускорять протоны на циклотроне можно лишь до энергий 20 — 25 МэВ, а ускорять электроны практически невозможно.
Но в области низких энергий циклотрон, давая токи до 1 мА, по интенсивности значительно превосходит все другие ускорители. По этой причине циклотроны до сих пор широко используются для изучения ядерных реакций прн низких энергиях, а также для промьппленного получения тех (преимущественно нейтронодефицитных) изогопов, которые не получаются в ядерных реакторах. Циклогроны применяются также для получения пучков дейтронов, о-частиц, многократно ионизованных тяжелых ионов. Тяжелые ионы удается ускорять до энергий в несколько сотен мегаэлектронвольт, так как из-за большой массы релятивистские поправки для них становятся существенными при ббльших энергиях, чем для протонов. 7. Фазотрон (еинкроциклотрон) позволяет ускорять частицы и до релятивистских энергий.
Он отличается от циклотрона тем, что в нем для ускорения применяются электрические поля медленно меняющейся частоты, твк что частота поля равна частоте обращения частицы, которая уменьшается из-за релятивистского увеличения массы. Такое поле ускоряет частицу на каждом витке пути, несмотря на релятивистское изменение массы.
Фазотрон работает только в импульсном режиме в каждый момент времени в камере ускоряется только один сгусток частиц. Одним из основных условий, необходимых для работы фазотрона и большинства других современных резонансных ускорителей на релятивистские энергии является автофазироока, открытая В. И. Векслером (1907 — 1966) в 1944 — 1945 гг. и почти одновременно с ним Мак-Милланом (р. 1907). Дело в том, что полного совпадения частот ускоряющего поля и ускоряющейся частицы, как до сих пор предполагалось для упрощения рассуждений, в циклических резонансных ускорителях никогда не бывает.
На самом деле эти частоты несколько отличаются друг от друга. )(а н сами частицы нз-за некоторого разброса скоростей обращаются с несколько различными частотами. Возникает вопрос, не приведет ли это обстоятельство к потери устойчивости продольного движения сгустка частиц7 Если бы это было так, то сгусток расплывался бы в продольном направлении, распадался, и работа ускорителя сделалась бы невозможной. 544 Источники и методы регистрации ядерных чаетнц (Гл.
ХП Для выяснения принципа автофазировки представим напряженность электрического поля Е в ускоряющих промежугках в зависимости от времени 1. Поле Е изображается синусообрвзной кривой, но ее частота медленно меняется во времени. Существенно заметить, что время Т, затрачиваемое частицей при переходе ог одного ускоряющего промежутка к соседнему, зависит от ее энергии. Эта зависимость определяется двумя противоположно действующими факторами.
С увеличением энергии частицы увеличивается ее скорость, что уменьшаег Т, но зато удлиняется путь между двумя последовательными ускорениями. Результирующий эффект зависит от устройства ускорителя. Так, в линейном резонансном ускорителе второй фактор не действует и время Т с увеличением энергии уменьшается. В других ускорителях соотношение может быть обратным. Примем для конкретности, что с увеличением энергии время Т удлиняется.
Противоположное допущение на ход рассуждения не влияет и, по существу, не отражается на окончательном выводе. Пусть две частицы, мало отличающиеся по скоростям, одновременно выходят из какого-либо ускоряюшего промежутка. При подходе к следующему ускоряющему промежутку более быстрая частица 1 опередит более медленную 1' (рис. 151 вверху). Допустим, кроме того, что частицы проходят через ускоряющий промежуток тогда, когда электрическое поле, пройдя через максимум, начинает ослабеватьы Тогда при нашем прежнем предположении в новом ускоряющем промежутке частица 1' получит большее приращение скорости, чем частица!. При движении к следующему ускоряющему промежутку частица 1' начнег ликвидировать свое отставание. Может даже случиться, что частица 1' обгонит частицу 1, как это изображено на нижнем рис.
151. Если это так, то в новом ускоряющем промежутке частица 1' получит уже меньшее приращение скорости, чем частица 1. При дальнейшем движении опережение частицы 1' начнет уменьшаться и может оказаться, что при подходе к следующеРис. 151 му ускоряющему промежутку она вновь окажется отстающей. Таким образом, при движении двух близких частиц расстояние между ними будет попеременно то увеличиваться, то уменьшаться. В частности, изменение частоты поля можно подобрать так, чтобы частица 1 была резонансной, т.е.
проходила через все ускоряющие участки в те моменты времени, когда фаза ускоряющего поля возвращается к одному и тому же значению. В этом случае возникнут малые колебания близких частиц вокруг положения резонансной частицы 1, т. е. образуется устойчивый сгусток ускоряющихся частиц. Ускорители 545 Из изложенного ясно, что так будет происходить в том случае, когда сгусток ускоряемых частиц проходит через ускоряющие промежутки в те моменты времени, когда ускоряющее поле уже прошло через максимум и начинает убывать. Если же оно еще не достигло максимума, то отставание частицы 8' от й (рис.151 внизу) из-за приобретения дополнительной энергии в ускоряющих промежутках в дальнейшем будет увеличиваться.
Частицы будут удаляться друг от друга, т.е. сгусток получится неусгойчивым и развалится. Положение меняется, когда с возрастанием энергии частицы время Т уменьшается. В этом случае устойчивый сгусток частиц образуется при условии, что он проходит через ускоряющие промежутки еще до того, как ускоряющее поле достигнет максимума. Так или иначе, устойчивый сгусток частиц образуется либо справа, либо слева от максимума электрического поля. Там же, но не в самом максимуме находится и соответствующая резонансная частица. Автоматическое образование устойчивого сгустка частиц в резонансных ускорителях и называется автофазировкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
