Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 139
Текст из файла (страница 139)
е. фокусировать), а в направлении оси У отдалить (т.е. дефокусировать). Таким образом, квадрупольная магнитная линза действует как совокупность двух магнитных линз, одна нз которых фокусирует частицы в направлении оси Х, а другая — в направлении оси У. Возьмем теперь две квадрупольных линзы и поставим их друг за другом, повернув одну нз них относительно другой на 90'. Тогда в направлении оси Х одна линза будет фокусировать, а другая -- дефокусировать.
В целом обе линзы вместе в направлении оси Х будут фокусировать. То же самое относится и к направлению оси У. Отсюда следует, что рассматриваемая система двух квадрупольных линз будет фокусировать и в любом поперечном направлении. Ускорители 553 В синхрофазотронах с жесткой фокусировкой, разумеется, создается и изменяющееся во времени вертикальное магнитное поле, удерживающее частицы на равновесной круговой орбите. Но на это поле накладывается еще магнитное поле квадрупольных линз. Последние устанавливаются одна за другой таким образом, что линзы, скажем, с нечетными номерами фокусируют в вертикальном направлении, а с четными— дефокусируют в том же направлении. Наоборот, в горизонтальном направлении линзы с нечетными номерами дефокусируют, а с четными — фокусируют.
Поэтому в каком бы направлении ни отклонилась частица от равновесной траектории, она последовательно встретит на своем пути пары квадрупольных линз, причем каждая из таких пар будет фокусировать. В результате пучок частиц сужается и можно получать ускоренные пучки большой интенсивности. Частицы в пучке совершают малые колебания около равновесной траектории, частота которых в несколько раз или десятков раз больше частоты обращения их по равновесной орбите.
По этой причине фокусировка с помощью квадрупольных магнитных линз и называется жесткой или сильной. Жесткая фокусировка применяется не только в синхрофазотронах, но и во всех крупных ускорителях, в частности в Серпуховском синхрофазотроне, некоторые параметры которого были приведены выше. Жесткая фокусировка позволяет уменьшить поперечные размеры камеры и, следовательгю, массу магнита.
Например, масса магнита ускорителя в Дубне на 10 ГэВ без жесткой фокусировки равна 36000 тонн. Магнит же ускорителя в Серпухове на 76 ГэВ с применением жесткой фокусировки имеет меньшую массу 20000 тонн. Уменьшением массы магнита, а с ним и индуктивности можно добиться более частого повторения импульсов. 13. Циклотрон (см. п. 6), оставляя магнитное поле постоянным во времени, можно модернизировать так, чтобы он был пригоден и для ускорения ре лгпиаистских частиц. Для этого надо применять постоянное магнитное поле Н(г), зависящее определенным образом от радиуса г. Именно, согласно (84.3), магнитное поле должно меняться с радиусом так же, как и релятивистская масса частицы, т.е. Л = Не(,П вЂ” 0з.
Тогда частота обращения й частицы будет оставаться одной и той же, равной частоте ускоряющего поля. "Гак как ~3 = и/с = = Пг/с, то указанному требованию удовлетворяет магнитное поле вида (84.9) Н = --.==-= у'1 — (Йг/с)е при постоянной 11. Ускорители, использующие этот принцип, называются изохропными циклотроналчи. Они работают в непрерывном режиме и дают возможность получать столь же сильные токи (0,1— 1 мА), что и обыкновенные циклотроны. Изохронные циклотроны имеют огромные магниты, а потому довольно дороги.
Казалось бы, что такие ускорители работать не могут, так как в них магнитное поле возрастает с радиусом (см. п.б), Однако возникающую из-за этого вертикальную неустойчивость удается 554 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл. ХП 82 слаб — 2 йо бо (84. 10) где йии — релятивистская энергия одной частицы в системе центра масс. Соответствующая кинетическая энергия частицы / .2 оо (84.
11) В нерелятивистском случае Фчи = (го+ Ф„,",". Подставляя зто значение в предыдущую формулу и пренебрегая квадратами 1Е„,",", получим 'г""' = 48""" = 2(28'"') 'Гаким образом, при неподвижной мишени для получения того же эффекта требуется вдвое большая кинетическая энергия, чем в системе цен гра масс (так как в этой системе полная кинетическая энергия обеих частиц равна 28„'"„").
Этот результат был уже получен в т. !, з 26. Более интересен ультрарелятивистский случай. В этом случае в формуле (84Л1) собственной энергией частицы можно пренебречь. Тогда связь между кинетическими энергиями частицы в лабораторной компенсировать азимутальной неоднородностью магнитного поля довольно сложной формы. Правда, расчет показывает, что это можно сделать до энергий не выше 1 ГэВ. Большинство изохронных циклотронов проектируется и строится для ускорения протонов до 60— 100 МэВ. Изохронные циклотроны применяются для изучения редких процессов в реакциях с протонами с энергией 50 — 1000 МэВ. Серьезными конкурентами их являются линейные ускорители тяжелых частиц.
14. Обычно ускоренный пучок частиц направляется из ускорителя на неподвижную мишень. При столкновении с частицей-мишенью общий импульс обеих частиц не меняется. Поэтому не меняется и та часть энергии, которая связана с движонием центра масс как целого. Эчв часть энергии не участвует ни в каких внутренних превращениях сталкивающихся частиц, и в этом отношении она является бесполезной. В системе центра масс эта бесполезная кинетическая энергия равна нулю и вся энергия является полезной, т.е. может быть использована для внутренних превращений сталкивающихся частиц. В т.
Гй Я 111, задача 1) был рассмотрен простейший случай столкновения двух частиц одинаковых масс, движущихся навстречу друг другу. Был поставлен и решен вопрос, какой энергией Фоеб должна обладать одна из этих частиц в лабораторной системе отсчета, в которой вторая частица (мишень) покоится, чтобы при столкновении получился такой же полезный эффект (в смысле возможности внутренних превращений частиц), что и в системе центра масс. Будем понимать под 8 „б полную (релятивистскую) энергию одной движущейся частицы, а под йо ее энергию покоя. В указанной задаче была получена формула 5 85) Источники нейтральных частиц 555 системе и системе центра масс становится не линейной, а квадратичной: кин 2(й и„) нна (84.12) Здесь можно получить большой выигрыш энергии, осуществляя столкновение встречных частиц.
Например, для протона ((го = 0,938 ГэВ) при энергии 3"„„"," = 5 ГэВ получается ~'",","; = 53 ГэВ. Ускоритель на встречных пучках при энергии 5 ГэВ дает такой же эффект, как и ускоритель с неподвижной мишенью на энергию 53 ГэВ. Еще больший эффект получается в случае легких частиц, например электронов. Для электронов еео = 0,511 10 э ГэВ, так что при том жс значении кин ,.««н 5 1Г и получается Ф'н,л - 10 ГэВ, что уже недостижимо ни на каких 'нь реальных ускорителях с неподвижной мишенью. Изложенного достаточно, чтобы уяснить принцип действия систем на встречных пучках. Наибольшее распространение получили устройства, в которых применяются электрон-электронные (е 'е ), электрон— позитронные (е еч ) и протон-протонные (рр) пучки.
Существенным недостатком систем на встречных пучках является малая интенсивность пучков. Для увеличения интенсивности пучков до процесса соударения заряженных частиц производится их накопление в специальных накопшпельпых кольцах, чтобы циркулирующий в ннх ток был не меныпе десятков ампер. Накопительное кольцо — это кольцевая вакуумная камера, помещенная в магнитное поле.
Ускоренные заряженные частицы поступаюг в нее из синхротрона, синхрофазотрона или линейного ускорителя. Магнитное поле, как правило, создается секторами, разделенными прямолинейными промежутками (в которых магнитного поля нет) для областей пересечения пучков частиц и для компенсации синхротронного излучения и других целей. Если заряды сталкивающихся частиц одинаковы, то система должна содержать два накопительных кольца, в которых частицы движутся в противоположных направлениях.
Если же эти заряды противоположны, то достаточно только одного накопительного кольца, так как в одном и том же магнитном поле обеспечивается движение частиц с разными знаками заряда в противоположных направлениях и их ускорение в одном и том же электрическом поле. Встречные пучки в настоящее время могут быть использованы только для стабильных частиц. Ускорители с фиксированной мишенью являются источниками различных вторичных частиц: я и К-мезонин, Л-, Е-гипсронов, нейтрино, д-мезонин и г.д. 8 85. Источники нейтронов и других нейтральных частиц 1. Нейтроны, как и все электрически нейтральные частицы, нельзя ускорять и фокусировать электромагнитными полями.
Такие частицы образуются только в результате ядерных реакций. Ниже описываются принципы действия некоторых нейтронных источников и приводятся 556 Источники и мегаоды регистрации ядерных частиц ( Гл. ХН для общей ориентировки некоторые их характеристики. Источники нейтронов можно разделить на три группы: 1) источники, в которых нейтроны создаются радиоактивными излучениями; 2) источники, в которых они создаются частицами, вылетающими из ускорителей; 3) ядерные реакторы. Во всех типах источников нейтроны, как правило, пшгучаются быстрыми. Взаимодействие нейтронов с ядрами особенно интенсивно в случае медленных нейтронов (сечение взаимодействия пропорционально 1/и).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
