yavor1 (553178), страница 85
Текст из файла (страница 85)
3.10а Г' 1 — (0,938710,938)з 5. В отличие от циклотрона, работающего в непрерывном режиме ускорения, синхрофазотрон работает в импульсном режиме. Дело в том, что в камеру циклотрона можно все время вводить ионы, которые будут непрерывно ускоряться, так как индукция магнитного поля и период изменения полярности ускоряющего электрического поля не меняются в процессе ускорения. У синхрофазотрона впуск частиц с определенной энергией в камеру возможен лишь в тот момент, когда магнитное поле минимально, а период изменения ускоряющего потенциала наибольший. Если частицы с заданной энергией впустить в камеру в другой момент, когда индукция магнитного поля увеличилась, а период изменения полярности ускоряющего поля уменьшился, то эти частицы не будут удовлетворять условию синхронизации и потому не буд т ускоряться.
так, в синхрофазотроне ускоряется лишь определенная порция — «сгусток» частиц, и до тех пор, пока цикл ускорения этих частиц не закончится, новую порцию частиц в камеру впускать нельзя. 6. Важнейшей проблемой является выяснение возможности создания в синхрофазотроне устойчивого сгустка частиц, который ие распался бы в процессе ускорения.
Возможность создания такого устойчивого сгустка вытекает из принципа автофазировки, 408 Итак, частота изменения ускоряющей разности потенциалов электрического поля должна меняться от 0,247 МГц до 1,75 МГц. За один оборот протон проходит один раз ускоряющее электрическое поле с максимальным потенциалом 2,2 кВ, Чтобы его кинетическая энергия достигла 1О ГэВ, ои должен совершить 51= 1Ом)2,2.10'=- 4,5 10з оборотов, Весь цикл ускорения длится 3,3 с. который открыл в 1944 г. в Советском Союзе В.
И. Векслер, а в 1945 г. вСША Э. Мак-Миллан. Суть этого принципа заключается в следующем. Если бы в синхрофазотроне ускорялись только те частицы, частота которых тонно совпадает с частотой изменения поля, то не имело бы смысла создавать установку, так как число таких равновесных частиц ничтожно мало. Векслер показал, что ускоряться будет сгусток частиц, для которых условие синхронизации выполняется приближенно. "Т„,„„м Т„,. Зти частицы то разгоняются быстрее равновесных и опережают их — тогда поле начинает их тормозить; когда же их скорость станет несколько меньше скорости обращения равновесных частиц, поле опять станет их разгонять. В результате этого процесса частицы в сгустке ускоряются, но их энергия не возрастает монотонно, а колеблется около значения энергии равновесных частиц.
Число частиц в сгустке на несколько порядков больше числа равновесных частиц. в 41.7. Удельный заряд электрона 1. Удельным зарядом частицы называется величина а/тм т. е. отношение заряда частицы к ее массе покоя. Заряд частицы может быть определен весьма точно. Поэтому по известным значениям заряда частицы и ее удельного заряда можно вычислить ее массу покоя.
Рис. 4СЛ. Электрический заряд любой элементарной частицы, как показывает опыт, всегда равен по абсолютной величине заряду электрона (или равен нулю). Заряд любого иона кратен заряду электрона. 2. Существует множество методов определения удельного заряда электрона. рассмотрим один из них — метод фокусировки в продольном магнитном поле. Установка представляет собой осциллографическую трубку, которая помещается внутрь длинного соленоида, создающего здесь достаточно однородное магнитное поле с индукцией В (рис.
41.5). Электроны, вылетев из катода, разгоняются в электрическом поле 409 анода, потенциал которого равен у. Скорость электрона найдем из условия ар = пня/2. 3. Разложим вектор скорости электрона на две составляюшие— поперечную о ~ = о в!па и продольную ив — — о сова. На продольную составляющую магнитное поле не действует; следовательно, путь, пройденный электроном вдоль поля, равен 1=о„/= о/ сова. На составляющую ох действует сила Лоренца, которая при отсутствии о „заставила бы электрон двигаться по окружности.
В итоге движение электрона происходит по винтовой линии. При малых углах (сов аж1) частицы будут фокусироваться практически в одной точке. В самом деле, фокусировка возникает при условии, что электрон, пройдя расстояние 1 о/, успеет обернуться один или несколько раз, т. е. если 1=пТ, =2пт,п/еВ (где и = 1, 2, 3...,). При минимальной индукции поля электрон совершит один оборот, следовательно, 1=2иопь/еВ. Подставляя о=)' 2е щ/т, получим е Оп~ф (41,14) Потенциал анода, индукция магнитного поля и расстояние между управляющими электродами и экраном трубки легко определяются экспериментально либо вычисляются.
4. В результате тщательного анализа всех методов измерения удельного заряда электрона для него сейчас принято значение е/щ> — †(1,75888~0,000022) 10" Кл/кг. Отсюда следует, что собственная масса электрона гп,=(9>1086~-0,0003) 10 з' кг. 9 4!.8. Удельный заряд нона 1. При определении удельного заряда иона встречаются значительные трудности, связанные с тем, что в пучке ионов содержатся частицы с весьма различными скоростями, что очень затрудняет их фокусировку.
Нужно выделить из пучка ионы, имеющие одну и ту же скорость. Для этой цели часто применяется фильтр скоростей. В этой установке (рис. 41.6) вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору индукции магнитного поля. На положительный нон, движущийся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют две силы: электрическая сила Р,=дЕ, отклоняющая ион вниз, и сила Лоренца Р =4пВ, отклоняющая его вверх. Ион пролетит через щелевуюдиафрагму только в том случае, если направление его скорости не изменится; это возможно лишь при условии, когда электрическая сила уравновесит силу Лоренца: Р, = Р„, или г/Е =-дпВ. Итак, через щелевую диафрагму пройдут только те ионы, скорость которых удовлетворяет условию о=Е/В. Остальные ионы отфильтруются.
416 2. Имеющие одинаковую скорость ионы фокусируются затем с помощью электрических нли магнитных полей. В некоторых массспектрографах для фокусировки применяется поперечное магнит. нос поле. Ионы, вылетев из фильтра скоростей, движутся в поперечном однородном магнитном ноле.
Их траектории — полуокружности радиуса г = тса)В ! (41.5), где д!т — удельный заряд иона в), Вх — нндукция поперечного магнитного поля в масс-спектрографе. и ивов Поскольку скорость ионов и пн. дукция поперечного поля — задан. И ные величины, то радиус полу.
окружности целиком определяется 70 77 удельным зарядом иона. Пучки Герианий Темур Рис. 4!.7. Рис. 4!.6. с разным значением удельного заряда иона фокусируются в разных точках. 3. Поместив в месте фокусировки пучков фотопластинку, можно зафиксировать эти точки, получив так называемый спектр масс (см., например, рис. 41,7). Из соотношения !(!т = о/гВ„следует, что отклонение данной полоски в спектре масс от точки входа пучка обратно пропорционально удельному заряду иона.
Лля определения удельного заряда некоторого иона нужно масс-спектрограмму вначале протарировать с помощью ионов с известным удельным зарядом. Обычно длн этой цели используются ионы углерода нли кислорода. С помощью масс-спектрографа было показано, что многие вещества представляют собой смесь изотопов (5 88.1). На рис. 41.7 показана масс-спектрограмма изотопов цинка, у которых массы ядер относятся как 64: 66: 67: 68: 70, а также масс-спектрограммы германия и теллура. 9 4!.9. Проводник с током в магнитном поле 1. Опыт показывает, что на проводник с током, помещенный и магнитное поле, действует сила, направление которой определяется правилом левой руки, — тем же правилом, которое служит для в) В оиытвх с вонами и 4с и тммв, 4!! определения направления силы Лоренца.
Причина возникновения втой силы совершенно ясна. Ток в проводнике — это упорядоченное движение электронов. На каждый движущийся электрон магнитное поле действует с силой (=еоВз(па (41.1).Сила, действующая на весь проводник, является векторной суммой элементарных сил Лоренца, действующих на каждый электрон. 2.
Вычисление этой силы, которая называется силой Ампера, в общем случае весьма затруднительно. Вычислим силу, с которой однородное магнитное поле с индукцией В действует на прямолинейный проводник с током. В этих условиях все электроны движутся в одном направлении, вследствие чего все элементарные силы Лоренца, действующие на отдельные электроны, направлены в одну сторону и вместо векторного суммирования нужно просто сложить модули всех элементарных сил. Если средняя скорость электронов равна о, длина проводника 1 и его сечение 5, то сила Ампера г = — У1 =-пЯ еиВз(па.
Подставив значение силы тока согласно (39.17), получим г" = УВ з|п а, (41.15) где а — угол между проводником и вектором индукции. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (см. рис. 41.1); направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. в 41.10. Рамка с током в магнитном поле 1. Поместим в однородное магнитное поле прямоугольную рамку с током так, чтобы угол между направлением нормали к рамке и вектором магнитной индукции был равен а (рис, 41.8).
Пользуясь а) б) Рис. 41,8. правилом левой руки, легко убедиться, что силы, действующие на участки рамки, перпендикулярные вектору индукции, создают вращающий момент. Для вычисления этого момента обратимся к рис, 41.8, б, где изображено поперечное сечение рамки. 412 2. Момент пары сил согласно формуле (22.14) равен произведению силы Ампера на плечо «1: М:= В«! = Раз!па, где а — ширина рамки, Подставив значение силы Ампера из (41.15), имеем М = ВВаз!па = !ЯВз)па, (41. 16) где Я =а! — площадь рамки.
Согласно (40.23) произведение тока на площадь, обтекаемую током,— это магнитный момент рамки р . Итак, М = р,„Вз!па. (41.17) 3. Сравнив выражения (37.10) и (41.17), мы видим, что они совершенно аналогичны. В 5 40.6 было выяснено, что рамка стоком создает вокруг себя магнитное поле, аналогичное полю электрического диполя. Таким образом, наблюдается весьма широкая аналогия между свойствами электрического диполя р,=41 и «магнитного диполя» р = !Вг«„т. е, рамки с током. На этом основании можно без доказательства, используя только аналогию, по формуле (37.12) написать выражение для потенциальной энергии «магнитного диполя».
«7„„= — р Всоза. (41. 18) На основании этой же аналогии можно утверждать, что в неоднородном магнитном поле рамка с током будет втягиваться в область более сильного поля. Опыт подтверждает это предположение. Сила притяжения согласно (37.14) равна (41. 19) Оиа пропорциональна магнитному моменту рамки и градиенту ин- дукции магнитного поля. ГЛАВА 42 МАГНЕТИКИ ф 42.!.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
