3.4 Способы получения заряженных частиц

3.4.1 Ускорители заряженных частиц

Ускорителями заряженных частиц - специальных установки, в которых заряженным частицам (электронам, протонам, атомным ядрам и ионам) сообщается огромная энергия за счет энергии электромагнитного поля.

Ускорители делятся на: 1) прямого действия, в которых частицы однократно проходят ускоряющее их поле, 2) индукционные, в которых используется явление электромагнитной индукции, и 3) резонансные, которые в свою очередь подразделяются на линейные и циклические.

Рассмотрим физические принципы устройства некоторых ускорителей.

1. Электростатический ускоритель прямого действия Ван-де-Граафа. Принцип его работы состоит в следующем. Если непрерывно подводить заряд к внутренней поверхности металлической сферы, то можно увеличить заряд на сфере, а значит, и потенциал ее до значительной величины. Генератор Ван-де-Граафа состоит из двух полых шаров диаметром свыше 5 м, смонтированных на пустотелых изолирующих колоннах. Внутри помещается бесконечная матерчатая лента, которая служит транспортером зарядов. Внизу поверхность ленты заряжается, и заряд механически переносится лентой внутрь сферы, где он при помощи специального приспособления передается на внутреннюю, а оттуда переходит полностью на внешнюю поверхность сферы. Накапливающиеся заряды создают между шарами напряжение в несколько миллионов вольт, которое и прикладывается к ускоряющей трубке. Энергия, полученная частицей, очевидно, равна произведению ее заряда на разность потенциалов начала и конца траектории Е=q•U.

К недостаткам генераторов такого типа относится их громоздкость. Энергия частиц в этих генераторах достигает 5 МэВ. В настоящее время эти ускорители применяются редко.

2. Индукционный ускоритель — бетатрон. Он служит для ускорения только электронов и основан на явлении электромагнитной индукции. Ускоряющее электрическое поле здесь создается переменным магнитным полем. По своему устройству бетатрон напоминает трансформатор с одним витком во вторичной обмотке. Этим витком служит электронный пучок в вакуумной трубке. Когда магнитное поле начинает возрастать, в трубку вводятся электроны (например, из раскаленного металла). Образующееся электрическое поле подхватывает электроны и разгоняет их, вращая в кольцевой трубке. За один оборот электрон приобретает энергию в несколько десятков электрон-вольт. Ускорение электронов прекращается при достижении полем максимального значения, что происходит за одну четверть периода. За это время электроны успевают сделать огромное число оборотов, проходя в общей сложности путь в 300—400 км и достигая энергии порядка 30— 50 МэВ. Бетатроны используются, в частности для возбуждения рентгеновских лучей.

За. Линейные резонансные ускорители. Принцип работы состоит в следующем: электрическое поле создается генератором только в пространстве между пролетными трубками, внутри же металлических трубок поле отсутствует. Длину и расположение трубок подбирают так, чтобы частица в те промежутки времени, когда поле направлено по направлению ее движения, находилась между трубками; когда же направления поля и скорости частицы противоположны, частица оказывается внутри трубки. В каждом зазоре частица приобретает энергию eU, при n зазорах частица получит энергию n·e·U. Таким образом, при сравнительно небольшой разности потенциалов U можно получить частицы с большой энергией.

Расстояние между соседними ускоряющими промежутками, т.е. длина трубок, равна пути, проходимому частицей за полупериод генератора l = ½υТ, а так как скорость частицы растет пропорционально корню квадратному из энергии, то длины трубок растут пропорционально ряду корней квадратных из целых чисел: l₁: l₂: l₃: ….= 1: √2: √3:…

Для осуществления ускорения частиц движение их. должно происходить в резонансе с изменением направления электрического поля. Для ускорения тяжелых частиц частоты генераторов относительно невелики — от 50 до 200 МГц; для ускорения же электронов, достигающих уже при малых энергиях скоростей, близких к скорости света, частоты должны быть очень велики — порядка 3000 МГц..

3б. Циклические резонансные ускорители. В этих ускорителях частица, вращаясь в магнитном поле, многократно проходит один и тот же ускоряющий промежуток.

Циклотрон состоит из электромагнита с плоскими полюсами и однородным полем, генератора высокой частоты и камеры для разгона протонов и ионов, состоящей из двух плоских полуцилиндров - дуантов. К дуантам подводится переменное напряжение от 50 до 75 кВ с постоянной частотой. Заряженная частица, находясь в однородном магнитном поле, движется по окружности, радиус которой равен R = mυ/eB. Время одного оборота частицы не зависит от ее скорости: Т=2πR/υ=2πm/eB.

(F_л=Beυ F_ц=mυ²/R → R= mυ²/F= mυ²/Beυ = mυ/eB)

Каждый раз, когда частица проходит щель (ускоряющий промежуток)

между дуантами, она ускоряется электрическим полем и, увеличивая скорость, движется по спирали. Когда частица вновь подходит к щели (что происходит через каждые полоборота), напряжение на дуантах меняет знак, и частица вновь получает ускоряющий импульс.

Для резонансного ускорения необходимо, чтобы время между двумя последующими прохождениями частицы через один и тот же ускоряющий промежуток равнялось бы (или было кратным) периоду изменения ускоряющего поля, т.е. периоду генератора. В циклотроне ускоряют протоны, α-частицы и ионы легких элементов до энергии 10—20 миллионов эВ (МэВ).

Так как период обращения частицы зависит от ее массы, то при очень больших скоростях, когда масса частицы, согласно теории относительности, начинает заметно увеличиваться, ее период начинает расти и она выпадает из синхронизма, вследствие чего прекращается возрастание ее скорости. Это создает предел для энергии частиц, ускоряемых в циклотронах.

В других циклических резонансных ускорителях — фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне — применяются устройства, позволяющие изменять частоту переменного электрического поля между дуантами или напряженность магнитного поля (или то и другое вместе) таким образом, чтобы ускоряющаяся частица не выпадала из синхронизма и продолжала ускоряться.

В фазотроне, иначе называемом синхроциклотроном, для сохранения резонанса частота ускоряющего электрического поля изменяется в соответствии с изменением массы частиц, а магнитное поле остается неизменным.

В синхротроне период ускоряющего поля остается постоянным, а магнитное поле изменяется. Он применяется для ускорения электронов и в нем используется орбита постоянного радиуса; поэтому магнит делается кольцеобразным — для создания магнитного поля внутри тороидальной вакуумной камеры, охватывающей орбиты электронов. Вначале электроны разгоняются в нем, так же как и в бетатроне, вихревым электрическим полем; по достижении энергии 2— 3 МэВ включается высокочастотное ускоряющее электрическое поле постоянной частоты и начинается ускорение в режиме синхротрона.

При энергиях электронов 2—3 МэВ скорость их близка к скорости света и остается в дальнейшем практически постоянной. В синхротронах применяется переменное магнитное поле, для сохранения постоянного радиуса орбиты (R = mυ/eB, с ростом количества движения mυ надо увеличивать индукцию поля В). Частота же ускоряющего электрического поля остается постоянной, так как скорость электрона, а значит, и его период обращения на орбите не изменяется с ростом энергии.

Синхрофазотрон (другие названия — протонный синхротрон, кос-мотрон, беватрон) – в нем движение частиц совершается как в переменном магнитном, так и в переменном электрическом поле.

В этом ускорителе, как и в синхротроне, используется орбита постоянного радиуса и применяется тороидальная вакуумная камера, охватывающая орбиту частицы, в которой создается магнитное поле кольцеобразным магнитом. Для сохранения постоянства R при возрастании количества движения частицы mυ (R = mυ/eB) необходимо плавно увеличивать В. Однако в отличие от электронов, для которых скорость близка к скорости света уже при энергиях 2—3 МэВ, для протонов скорость становится постоянной при значительно больших энергиях. В силу этого скорость и частота обращения протонов и других тяжелых частиц растут в процессе ускорения, и поэтому частицы должны выпасть из резонанса. Для предупреждения этого в синхрофазотронах частота ускоряющего электрического поля берется переменной.

В последнее время для изучения процессов столкновения частиц высоких энергий стал применяться «метод встречных пучков». Важным преимуществом этого метода является его экономичность; разгоняя заряженные частицы (направляемые затем навстречу друг другу) до сравнительно небольших энергий, можно получить эффект столкновения, соответствующий значительно большей энергии частиц, бомбардирующих неподвижные мишени.