§7.12 Үдеткіштер.Зарядталған бөлшектер

Физиканың кейбір бөлімдерінде, яғни ядролық физика, қарапайым бөлшектер физикасы және техникада зарядталған бөлшектерді үдету проблемасының өте үлкен мәні бар.

Атом ядросының құрылысын анықтауға, ядролық реакциялар алуға қарапайым бөлшектердің құрылысын зерттеуге және бөлшектер өзара әсерлесу үшін жоғары энергиялы бөлшектер қажет.

Зарядталған бөлшектерден жоғары энергия алу үшін арналған құралдар үдеткіштер деп аталады. Алғашқы үдеткіштер 1930 жылдары жасалды, одан бергі жылдарда оның ғылыммен техниканың өсуіне сай жаңа жетілдірілген көптеген қондырғылар жасалды. Зарядталған бөлшектерді үдету әдістемелерін қолдану нәтижесінде кез– келген энергиядағы бөлшектерді, яғни нөлден – ондаған, жүздеген және мыңдаған гигаэлектронвольт энергияға дейін алуға болады.

Табиғатта қарапайым бөлшектер өзара терең әсерлесу нәтижесінде энергиясы жоғары болып келген бөлшектерді пайдаланып, энергиясы оданда жоғары бөлшектер алуға болады. Бұл энергиясы төмен бөлшектерді үдетуге болмайды деген мағынада емес, сол энергиясы аз бөлшектер арқылы үдеткіштегі энергиясы жоғары бөлшектерді инжекциялайды (қосу), яғни олар үдеткіштегі зарядталған бөлшектерді үдету үшін қолданылады. Сонымен қатар энергиясы жоғары емес үдеткіштер техникада ядролық физикаға байланысты емес салаларда қолданылады.

Үдеткіштегі зарядталған бөлшектердің энергиясының артуы электр өрісінің (Е), жұмысына байланысты болады. Ол тек бөлшектің қозғалысын өзгертеді. Релятивистик емес жағдайда бұл қорытынды қарапайым түрде алынады.

Электромагниттік өрістегі зарядталған бөлшектің қозғалыс формуласы

(7.12.1)

Осы теңдеуде жылдамдық векторын ( ) скалярлық түрде көбейтсек, онда

(7.12.2)

Олай болса бөлшектер энергиясының өзгеру теоремасы бойынша, бөлшек энергиясы – электр өрісінің істеген жұмысының нәтижесінде өзгереді.

Релятивистік жағдайда:

(7.12.3)

Үдеткіштегі зарядталған бөлшекті үдететін электр өрісі немесе уақытқа байланысты орнықсыз өзгеретін магнит өрісі, сыртқы энергия көздері арқылы алынады.

Бөлшектерге әсер ететін үдетуші өріс тәуелділігі және үдеткіштегі үдетілген бөлшектер қозғалысының траектория формасы бойынша төрт топқа бөлінеді:

а) электростатикалық үдеткіштер.

б) Ван де Грааф электростатикалық генераторы.

в) импульсты генератор.

г) тұрақты кернеудегі коскадты генератор.

§7.13 Электростатикалық үдеткіш

Тура әсерлі үдеткіш немесе электростатикалық үдеткіш (жоғары вольтті үдеткіш) жоғары кернеулі генератордан және вакуум түтігінен тұрады, ол электрондарды немесе иондарды үдетеді. Үдету үшін статистикалық немесе квазистатистикалық электр өрісін пайдаланады. Бөлшектерге берілетін энергия, үдету аралығына түсірілген патенциалдар айырымы (U₂-U₁) арқылы беріледі.

Электростатикалық өрісте зарядталған бөлшектерді үдету үшін эксперименттік қондырғыға қажетті негізгі элементтер мыналар:

а) бөлшектер (иондар) көзі; ә) бөлшектердің үдетілуі орындалатын жоғары вольтті вакуум түтігі; б) түтік қоректенетін жоғары вольтті кернеу.

Жылдам зарядталған бөлшек – пратондарын алып, атом ядросын атқылау үшін алғаш қондырғы жасаған ағылшын физигі Кокроф және Уолтон болды. Кокроф пен Уолтон үдеткіш түтігінің принципиальды сұлбасы 7.11-суретте көрсетілген (кескінделген).

7.11-сурет

А–анод және 1–электрод орналасқан кеңістікте интенсивті газ разрядталып сутегі ионы (I) пайда болады. Иондар 1–электродқа ұшып келіп, 1 және 2 электродтар арасындағы кеңістікке дәл келіп әрі қарай үдетіледі. Осылайша барлық электродтан үдетітіліп өтіп пратондар (сутегі ионы) энергиясы 800 КэВ жетеді де ол нысананы (М) атқылайды. Пайда болған реакцияны бақылау Ғ–терезеден жүргізіледі. В–саңылау арқылы түтіктегі ауаны сорады. Разрядты құрылымға сутегін Н – түтігі арқылы жіберіледі. Кокроф және Уолтон құрылымының бір каскадындағы кернеу 200 Кв дейін жетеді, ал тізбектеп Ван де Грааф үдеткіші жалғанған басқа каскадтардан өткенде соңында 800 Кв кернеу береді.

Жоғары статикалық кернеу алу үшін Ван де Граафтың электростатикалық генераторы пайдаланылады, оның сұлбасы 7.12-суретте көрсетілген.

7. 12-сурет

Үлкен жарты металл шар 1 және 2 (диаметрі 1 – 10 м дейін) изаляцияланған 3 және 4 жартылай калоннаға бекітілген. Шарлар және калонна ішінде айналатын 5,6,7 және 8 шкифті ленталар қозғалады 9,10 (изоляцияланған материалдан жасалған). Кеңістік ішіндегі екі жартылай лентада изаляциаланған 11 және 12 пластина орналасқан. 17 және 19 үшкір жүйе арқылы, жоғары вольтті түзеткіштен шыққан заряд көмегімен лента зарядталады. Жоғары вольтті түзеткіш; жоғарылатқыш трансфарматор–25; кенотрон-26; және конденсатор-27 тұрады. 9–лента оң зарядпен, ал 10–лента теріс зарядпен зарядталған. Осы зарядтар лентамен бірге 1 және 2 шар ішінде көтеріледі де 13 және 15 үшкір жүйе арқылы алынып тасталады. Лентаның төмендеуші бөлігі, таңбасы қарама – қарсы электрмен зарядталады. Осы заряд үшкір 14 және 16 арқылы іске асырылады, ал 18 және 20 – шы үшкірі арқылы разрядталады.

Сонымен әрбір шар бірнеше миллиондаған вольт кернеу арқылы зарядталады, ол зарядталған бөлшек үдеуін 10 Мэв энергияға дейін қамтамасыз етеді.

Ван де Грааф генераторының яғни электростатикалық үдеткішінің бірқатар ерекшеліктері бар. Кернеудің және тогтың жоғары тұрақтылығынан, үдетілген бөлшектер тогы өте аз шашырайды, сондықтан да оларға ғылыммен техникада сұраныс өте үлкен.