§7.15 Циклді резонансты үдеткіш

Үдеткіштің бұл пішінінде бөлшектерді басқарушы магнит өрісінің әсерінен траекториясы қисайып дөңгелек форманы қабылдайды немесе жарық спирал тәрізді болады да үдетілген бөлшек бірнеше рет үдетілетін аралықпен өтеді. Бөлшектің үдетілетін екі аралықтағы уақыты, үдетуші өріс өзгерісінің периодына тең болады.

Циклдық резонанстық үдеткіштердің тәуелділік сипаты мынадай типтерге бөлінеді: а) циклотрон; б) фазатрон; в) синхротрон; г) синхрофазатрон.

а) Циклотрон ауыр бөлшекті үдетуге арналған қондырғы. Циклотронды басқарушы магнит өрісі және үдететін жоғарғы жиілікті өріс жиілігі уақытқа байланысты өзгермей тұрақты болып қалады.

Циклотронды Э. Лоуренс өзінің әріптесі Ливингстонмен бірге 1931 жылдан бастап, 1932жылы жаңа резонансты зарядталған бөлшектер үдеткішін құрастырып іске қосты. Бұл үдеткіштің сызықты үдеткіштен айырмашылығы ол циклді (сақиналы) түрде үдеткен бөлшек, үдеткіштің екі электродының аралығынан бірнеше рет үдетіліп өтеді. Осындай циклді резонасты үдеткіш, циклотрон деп аталады. Циклотрон сұлбасы 7.15-суретте көрсетілген.

7.15 Сурет

Магнит (М) полюстерінің аралығында штрихталған (7.15^а-суретте) квадрат ішінде сопақша вакуум камерасы VK орналасқан, оның сыртқа шығып тұрған R1, R2, R3, R4, ұштары бар. Камера ішінде жартылай сегмент дуантэлектрод 1 және 2 орналасқан. Дуант жоғары жиілікті генератордың полюсіне 3 және 4 қосылған. Прибордың ортасына яғни дуанттар аралығындағы саңылауға иондар көзі (I) орналасқан. (7.15^б-суретте) вакуум камерасы және магнит полюстерінің аралығындағы дуанттар көрсетілген. Ион көзінен шыққан иондар магнит өрісінде Лоренц күшінің әсерінен шеңбер бойымен қозғалады. Шеңбер радиусы (r), жылдамдығыжарық жылдамдығынан көп кіші болса

яғни

(7.15.1)

мұндағы - шеңбер бойымен қозғалған бөлшектер заряды массасы және жылдамдығы, Н-магнит өрісінің кернеуі. Онда бөлшек жылдамдығы

(7.15.2)

Сызықтық жылдамдықтың бұрыштық жылдамдықпен байланысты

онда (7.15.3)

ол

(7.15.4)

Дуанттарға жоғары жиілікті генератордан айнымалы электр өрісін түсірсек, онда зарядталған бөлшектер осы өріс әсерінен бір дуанттан екінші дуантқа қарай қозғалады. Дуанттар арасындағы саңылаудан бір рет өткен соң, олардың жылдамдығы артады. Саңылауға дейінгіге қарағанда радиусы үлкен орбитада айналады ол жылдамдық (7.15.3) формуламен анықталады. Дуант ішіндегі жарты айналым жүргеннен кейін бөлшек қайтадан дуант аралығындағы саңылауға түседі. Егер электр тербеліс жиілігіне(7.15.4) формулаға келетін жиілікті таңдап алсақ, онда екінші рет саңылауға бөлшек келсе онда электр өріс бағыты қарама-қарсы бағытқа өзгереді. Бөлшек екінші рет саңылауға келгенде де бағыты біріншімен салыстырғанда қарама-қарсы бағытта болады және екінші рет келген бөлшек үдеуі сол бірінші келгендегідей болады. Осындай жағдай келесі айналымдарда да қайталанады. Сонымен саңылаудан өткен бөлшектер әр кезде оның электр өріс бағыты өзгеріп, яғни резонанс (циклотрондық резонанс) орындалады. Шеңбер бойындағы қозғалған электрондардың меншікті жиілігі радиусқа байланысты емес болғандықтан циклотрондағы резонанс шарты орындалуы мүмкін. Егер дуанттар арасындағы саңылаудан үдетілген зарядталған бөлшектер өткен кездегі потенциялдар айырымы U₀ өткен бөлшектер саны к болса, онда циклотрондағы үдетілген бөлшектер санының энергиясы:

(7.15.5)

немесе

(7.15.6)

яғни сызықты резонанcтық үдеткішке сәйкес келеді. Олай болса саңылаудан өткен әрбір электрон саны артса, онда энергияның өте үлкен мәніне жете аламыз.

Мысалы; U₀=50000В, k=20 болса, онда Е=1Мэв, ал к=200 болса Е=10Мэв; k=2000 болса Е=100Мэв болады. Өте үлкен энергия алу үшін циклотронның өлшемін үлкейту керек.

Сонымен циклотрон ауыр бөлшектерді протон, дейтрон, α- бөлшегі және көп зарядты иондарды, жеңіл элемент атомдарын үдету үшін қолданылады. Әсіресе энергиясы 100 Мэв бөлшектерді үдетуге өте ыңғайлы.

Циклотрон электронды үдеткенде жылдамдықтың өсуіне байланысты массасы шұғыл өсетін энергия облысы үшін қолдануға болмайды, олар тұрақты магнит өрісімен электр өрісі резонанста бола алмайды.

Барлық бөлшектер үшін шама бірге тең болса, онда релятивистік жылдамдықтар үшін жәй циклотрондар жарамайды. Заядталған бөлшектерді үдету облысын кеңейту үшін жаңа үдетуші жүйе фазатрон, синхротрон және синхрофазотрон жасалды.

б) Фазатрон ауыр бөлшектерді үдетуге пайдаланады. Ол басқаратын тұрақты магнит өрісімен жұмыс істейді, ал үдететін жоғарғы жиіліктегі өріс жиілігі айнымалы (модульдеу) болады. Фазатрон релятивистік жылдамдықтағы бөлшектерді үдетуге мүмкіндігі бар. Ол ауыр бөлшек протонды 1000 Мэв энергияға дейін үдете алады. Мұндай энергия алу үшін оның орбита диаметрі 11,28 м құрауы керек.

в) Синхротрон электрондарды үдетуге арналған. Басқарушы магнит өрісі уақытқа байланысты айнымалы (артады), бірақ жоғарғы жиілікті үдететін өріс жиілігі тұрақты болады.

Электронды үдету үшін циклды резонанстық үдеткіш қолданылады. Ондағы жоғары жиілікті генератор тұрақты жиілікте болады, ал магнит өрісінде үдетілген электрондардың энергиясының артуына байланысты артады. Мұндай үдеткіш синхротрон деп аталады. Осындай үдеткіште электрондар энергиясы 2 Мэв-болғанда, жылдамдығы вакуумдегі жарық жылдамдығына жақын келеді, егер электрондарды осындай радиусы тұрақты орбитада ұстап тұрсақ, онда айналу жиілігі тұрақты болып қалады да ол мына формуламен өрнектеледі:

(7.15.17)

Яғни, электрон жылдамдығы жарық жылдамдығына жақын болғандықтан массасы ескерерліктей өзгереді. Масса энергияға байланысты сызықты түрде өседі, сонымен қатар электронда дөңгелек орбитада қозғалуға мәжбүр ететін, үдеткіштің магнит өріс кернеуі де артады. Үдеткіштің электроды айнымалы тогпен қоректендіріледі, оның өзгеруі үдетілген электрондар энергиясының өзгеруіне сәйкес келеді. Синхротрондағы электронның максимал энергиясы:

(7.15.18)

мұндағы Н-эрстед арқылы, r-метрмен, Е-мегаэлектронвольтпен өлшенеді.

ЕгерН=10⁴ э (эрстед),r = 1м болса, ондаЕ=300Мэвболады.

Синхротронды бір мезгілде бір-біріне байланыссыз В. И. Вексер (КСРО) мен

Мак-Миллан (АҚШ) құрылысын ұсынды. Қазіргі кезде әртүрлі энергияда жұмыс істейтін синхротрондар бар, оның ішінде бірнеше гигаэлектронвольт алатын синхротрондар жасалды.

г) Синхрофазатронпротондарды үдетуге арналған, магнит өрісі уақытқа байланысты айнымалы (артады) және үдетуші өрісте айнымалы (азаяды) болады. Протондар энергиясы бірнеше миллиард электронвольтқа дейін үдетіледі.

Синхрофазатрон, синхротрон мен фазатрон қасиеттерін қосады да үдететін электрөріс жиілігін және үдететін бөлшекті орбитада ұстап тұратын магнит өрісін бір мезгілде өзгертеді. Оның фазатроннан өзгешілігі үдетілетін бөлшектер барлық кезде радиусы өзгермейтін орбитада болады, әрі магнит өрісінің өсуі үдетілетін бөлшек энергиясының өсуіне сәйкес келеді.

Синхрофазатрон зарядталған ауыр бөлшектерді 1ГэВ жоғары энергияға дейін үдетуге арналған құрал. Протонның үдету нәтижесінде оның жылдамдығы тұрақты, энергисы 4 ГэВ ( ) электрондар осындай жылдамдыққа энергиясы 2 МэВ кезінде жетеді.

Сондықтан да орбита бойымен қозғалған протандарды және басқа ауыр бөлшектерді үдеткенде олардың айналым жиілігі энергияның өте үлкен диапазонында өзгереді, олай болса үдетуші кернеу жиілігін өзгерту өте қажет. Мұндай жиілікті өзгерту үшін синхрофазатронның электромагнитінің магнит өрісін өзгерту заңдылық бойынша қатаң сәйкестендірілуі керек.

7.16-сурет

7.16-суретте синхрофазатронның принципті сұлбасы көрсетілген.1,2,3,4-сақиналы магнит секциясы; 5,6,7,8-үдетілген протондар қозғалатын вакуумдік камералардың қисық сызықтық бөлігі; 9,10,11,12-үдеткішке берілетін протонды орбитаға алдынала қосқыш (сызықты резонансты үдеткіш немесе Ван де Грааф үдеткіші) Суреттегі штрихпен көрсетілген. Бұл сызықты резонансты үдеткіш энергиясы 4 Мэв-ке тең бөлшектер шоғын береді. оны инжектор депатаймыз. 14-үдетілген бөлшектер шоғын нысанаға шығаратын камераның бөлігі. ЖЖ-үдетілетін аралыққа берілетін электр өрісінің жоғары жиілікті генераторы; 15,16-вариоторлар, бұл жоғары жиілікті үдетуші өріс тербелісінің жиілігін үздіксіз өзгертіп отырады.

Осындай жоғарғы энергиялы үдеткіштер жасау нәтижесінде, физиктер қарапайым бөлшектерді зерттеу облысы үшін үлкен мүмкіндіктер алды. Осындай синхрофазатронмен Серпуховтағы ғалымдармен шетел ғалымдары бірігіп (Франция) нәтижелі жұмыс істеуде.