Принцип действия

В своих основных чертах принцип действия и устройство синхроциклотрона те же, что и у циклотрона. Отличием является компенсация эффекта релятивистского запаздывания^[2] путём соответствующегоснижения частоты ускоряющего поля.

Синхроциклотрон функционирует в режиме повторяющихся с определённой частотой интервалов ускорения. Частота ускоряющего электрического поля в рабочей части каждого интервала падает в соответствии сэнергией частиц, а в конце интервала возвращается к своему начальному значению.

Данный принцип отражён в названии ускорителя — синхроциклотрон.

Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, про­тонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты).

Синхротро́н (от др.-греч. σύγχρονος — одновременный) — один из типов резонансных циклическихускорителей. Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц, орбита пучка остаётся постоянногорадиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает. Крометого, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазотрона). Понятно, что для пучков ультрарелятивистских частиц период обращения определяется только длинойорбиты, и коль скоро она не изменяется, то нет необходимости изменять частоту электрического поля. Поэтому все резонансные циклические ускорители лёгких частиц (электронов и позитронов), а такжевысокоэнергетические протонные и ионные машины, такие как LHC и Тэватрон — это синхротроны. Всинхротроне достигнуты энергии около 3.5 ТэВ для протонов (LHC) и более 100 ГэВ для электронов (LEP). Дальнейшее повышение энергии в электронных синхротронах, фактически, нереально вследствие огромныхпотерь энергии на излучение W~E⁴/R.

Принципиальное устройство синхротрона

Синхротрон представляет собой электровакуумную установку с приблизительно кольцевой вакуумнойкамерой, в которой частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света, а стоящие на их пути мощныеэлектромагниты задают их движения. В вакуумной камере постоянно поддерживается высокий вакуум(порядка Торр и выше), чтобы избежать рассеяния частиц пучка на атомах остаточного газа. Синхротрон действует по резонансному принципу ускорения, то есть циркулирующий сгусток частиц попадаетв ускоряющее поле ВЧ-резонатора всегда в одной и той же фазе, и частицы получают небольшую порциюэнергии, много меньшую, чем уже имеющаяся у них кинетическая энергия. Ускорение частиц происходит засчёт многократного пролёта (~10⁶ раз в секунду) через ускоряющую секцию.

С инхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. На рисунке 4.3 схематически изображен синхротрон: 1 – инжектор электронов; 2 – поворотный магнит; 3 – пучек электронов; 4 – управляющий электромагнит; 5 – вакуумная тороидальная камера; 6 – ускоряющий промежуток.

Внешний вид Томского синхротрона на 1,5 ГэВ представлен на рисунке 4.4. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 5 – 10 ГэВ.

Б ольшой адронный коллайдер на сегодняшний день самый мощный и самый дорогой ускоритель в мире. Он представляет собой кольцо длиной почти в 27 километров. Он же ускоритель на встречных пучках. Экспериментальная установка, задача которого — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий. Цель, с которой строятся ускорители, изучение внутреннего строения протонов и нейтронов из которых состоят ядра всех атомов, и выяснение глубинных физических законов материального мира, как в микро, так и макромасштабах. От внутреннего строения протона и нейтрона и строения частиц, из которых они состоят, до законов развития всей вселенной, от её зарождения до настоящего времени и в будущее на столько на сколько корректно интерполировать современные знания.

8. 1. Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана.

Эффект Зеемана — расщепление энергетических уровней при действии на атомы магнитного поля. Расщепление уровней приводит к расщеплению спектральных линий на несколько компонент. — расщепление спектральных линий при действии на излучающие атомы магнитного поля.

Если атомы, излучающие свет, поместить в магнитное поле, то линии, испускаемые этими атомами, расщепляются на несколько компонент. Это явление было обнаружено голландским физиком Зееманом в 1896 г, при наблюдении свечения паров натрия и носит его имя.

Когда атом помещен в магнитное поле, его полная энергия слагается из двух частей:

E  E 0  EMB ,

(1)

где E ⁰ – внутренняя энергия атома, E_MB – энергия взаимодействия магнитного момента атома с магнитным полем. Если магнитное поле не очень велико, то спин-орбитальное взаимодействие в атоме сильнее, чем взаимодействие орбитального магнитного момента и спинового магнитного момента в отдельности с внешним магнитным полем. При этом условии связь между спиновым и орбитальным моментами не разрывается, т.е. и в магнитном поле продолжает осуществляться

(L-S)-связь. Благодаря этому с магнитным полем взаимодействует полный магнитный момент как целое. Полный магнитный момент атома в этом случае прецессирует вокруг направления индукции магнитного поля. Далее рассмотрен случай именно таких полей.

Если квантовое число полного момента атома J, то число возможных ориентаций магнитного момента относительно магнитного поля (2J + 1). Каждой ориентации соответствует своя энергия взаимодействия. Следовательно, уровень энергии атома в состоянии с полным моментом J при помещении атома в магнитное поле расщепляется на (2J + 1) подуровень. Это расщепление в слабом магнитном поле имеет меньшую величину, чем естественное мультиплетное расщепление уровней, обусловленное спин-орбитальным взаимодействием.

Для нахождения линий излучения атома в магнитном поле необходимо принимать во внимание следующие правила отбора:

L 1;			(2)
J  0, 1;			(3)
переход из состояния J = 0 в состояние J = 0 невозможен;
mJ  0,  1	;		(4)
переход из состояния mJ  0 в состояние mJ  0 запрещен для J  0 ;
S  0 .			(5)

Явление расщепления линий спектра излучения при помещении атома в слабое внешнее магнитное поле называется аномальным или сложным эффектом Зеемана. Слово «аномальный» имеет историческое происхождение. Первоначально было изучено и понято расщепление линий в спектре излучения некоторых атомов на три линии. Это расщепление было названо нормальным, хотя в действительности оно является частным случаем аномального расщепления.

Сложный эффект Зеемана. Энергия взаимодействия полного магнитного момента M _J с внешним магнитным полем B дается выражением:

EMB M J	 B M Jz B ,	(6)
если вектор магнитной индукции направлен по оси z. Тогда полная энергия атома
E  E 0  EMB	 E 0  M Jz B .	(7)

При переходе атома из одного энергетического состояния 1 в состояние 2 излучается квант с энергией

		H12  E2  E1  E20	 E10  M J 2 z  M J1z B  H  M J 2 z  M J1z B ,	(8)
где H  E 0	 E 0	– энергия кванта,	излученного при соответствующем переходе в отсутствие
2	1

внешнего магнитного поля. Проекция магнитного момента M Jz				связана с магнитным квантовым
числом mJ следующим соотношением:
M Jz  g J	B	LJz  g J B mJ .	(9)
	H
Тогда имеем:
M Jz B  g J B mJ B  g J HL mJ ,				(10)

где _L  _B B H  eB 2m_e–ларморова частота(формула дана в системе СИ).С учетом(10) выражение (8) можно переписать в следующем виде:

12    L g J	2 mJ 2  g J1 mJ1 ,	(11)
где mJ 2 и mJ1 в соответствии с правилами отбора	(4) могут отличаться лишь на 0, 1:
mJ 2  mJ1	 0, 1 .	(12)

Формула (11) дает расщепление линий при сложном эффекте Зеемана, т. е. разность между частотой линий, излученной в отсутствии магнитного поля, и частотой, соответствующей линии при наличии магнитного поля:

  L g J 2 mJ 2  g J1 mJ1 .

(13)

Расщепление линий, равное_L , называется нормальным зеемановским расщеплением. Так как g _{J 2} m_{J 2}  g _J1 m_J1  – рациональная дробь, то расщепление линий при сложном эффекте Зеемана равно рациональной дроби от нормального зеемановского расщепления _L .

Рассмотрим в качестве примера расщепление для дублета главной серии натрия.

Энергетический уровень ²Р_3/2 с полным моментом J = 3/2 расщепляется на четыре подуровня, соответствующие четырем возможным ориентациям полного момента относительно магнитного поля (m_J = -3/2, -1/2, 1/2, 3/2). Энергетические уровни ²P_1/2 и ²S_1/2 с полным моментом J =1/2 расщепляются на два подуровня каждый, которые соответствуют двум возможным ориентациям полного магнитного момента относительно индукции магнитного поля (m_J = -1/2, 1/2).

Схема переходов приведена на рис. 1.

Справа на рисунке указано значение g _J m_J для каждого уровня натрия в магнитном поле. Вычислив разности этих величин для разрешенных переходов, получаем по формуле (13) следующие значения для расщеплений различных линий:

	5	,		4	,	3	,	2	,		1	,		1	,		2	,		3	,		4	,		5	.		(14)
L3			3		3		3			3			3			3			3			3			3

Характерным для сложного эффекта Зеемана является расщепление линий в магнитном поле на большое число компонент, причем расщепление переменно и равно рациональной дроби от нормального зеемановского расщепления.

Простой эффект Зеемана. Предположим, что полный спиновый момент атома равен нулю:

S  0 .			(15)
В этом случае
J  L, g J	 gl	 1 .	(16)
С учетом этого  может принимать следующие значения
   L ,	0,	L ,	(17)

т.е. каждая линия излучения расщепляется на три, а расщепление равно нормальному зеемановскому расщеплению. Такого рода расщепление линий называется нормальным или простым эффектом Зеемана. Он является частным случаем сложного эффекта Зеемана и наблюдается у атомов, полный спин которых равен нулю, т. е. в спектрах с синглетными линиями.

Сильные поля. В сильном магнитном поле связь между M _L и M _S разрывается и они начинают прецессировать порознь вокруг направления B и, следовательно, проектируются на направление поля независимо друг от друга. В этом случае

EMB BM Lz  M Sz  B Bg L mL  g S mS  HL mL  2mS ,

(18)

т. е. расщепление становится целым кратным нормального расщепления. Для переходов имеют место правила отбора:

mL  0,  1, mS  0 .

(19)

В результате получается нормальный зеемановский триплет. То есть в сильном поле сложный эффект Зеемана превращается в простой. Такое явление называется эффектом Пашена-Бака.

Этот эффект наблюдается, когда магнитное расщепление линий становится больше мультиплетного расщепления.