Отклонение движущихся заряженных частиц электрическим и магнитным полями

1). Рассмотрим узкий пучок одинаковых заряженных частиц, попадающий в отсутствии полей на перпендикулярный ему экран в точке О. Определим смещение следа пучка, вызываемое перпендикулярным пучку электрическим полем, действующим на пути длиной l₁ при расстоянии от границы области, в которой имеется поле, до экрана l₂ .

Пусть первоначальная скорость частиц равна . Войдя в область поля каждая частица будет двигаться с постоянным по модулю и направлению ускорением

.

Движение под действием поля продолжается в течение времени . За это время частицы сместятся на расстояниеи приобретут, перпендикулярную ксоставляющую скорости.

В дальнейшем частицы летят прямолинейно в направлении, которое образует с вектором угол, определяемый соотношением .

Смещение .

Общее смещение пучка или.

2). Рассмотрим узкий пучок одинаковых заряженных частиц, имеющих скорость , проходящих на путиl₁ участок с однородным магнитным полем, вектор индукции которого перпендикулярен скорости частиц. Определим смещение х пучка на экране, отстоящем на расстоянии l₂ от границы участка с магнитным полем .

Под действием поля каждая частица получит постоянное по модулю ускорение

.

Ограничиваясь случаем, когда отклонение пучка полем невелико, можно считать, что ускорение почти постоянно по направлению и. Тогда для расчёта смещения можно воспользоваться формулой, полученной для предыдущего случая, заменив в ней ускорениезначением:

.

Угол, на который отклонится пучок магнитным полем определяют соотношением

.

Получаем окончательно .

Ускорители заряженных частиц

Для лабораторных исследований в области ядерной физики, а также для промышленных установок и электроракетных двигателей нашли применения направленные пучки заряженных частиц (электронов, протонов, ионов разных элементов), обладающих кинетической энергией от нескольких сотен эВ до десятков ГэВ.

По форме траектории ускоряемых частиц все ускорители можно разделить на две основные группы: линейные ускорители и циклические ускорители. В первых траектории частиц близки к прямым линиям, во вторых – к окружностям или раскручивающимся спиралям.

Энергия частиц увеличивается при их движении в электрическом поле ускорителя.

В электростатическом линейном ускорителе заряженная частица проходит через ускоряющее электрическое поле однократно. Если заряд частицы, аипотенциалы поля в начальной и конечной точках траектории в поле, то энергия, приобретаемая частицей в ускорителе, равна. Здесь можно получить энергии не превышающие 15 МэВ.

Значительно большие энергии (до 22 ГэВ) можно сообщать заряженным частицам в линейных резонансных ускорителях, в которых переменное электрическое поле сверхвысокой частоты изменяется синхронно с движением ускоряемых частиц.

Циклотрон состоит из двух металлических дуантов М и N, представляющих собой две половины невысокой тонкостенной цилиндрической коробки разделённые узкой щелью.

Дуанты заключены в плоскую замкнутую камеруА, помещённую между полюсами сильного электромагнита. Вектор направлен перпендикулярно плоскости чертежа.

Дуанты с помощью электродов т и п присоединены к полюсам электрического генератора, создающего в щели между ними переменное электрическое поле. Ускорение частиц возможно только в том случае, если движение частицы и изменение электрического поля в зазоре будут происходить строго синхронно.

В циклотроне магнитное поле постоянно, а напряжённость электрического поля в зазоре изменяется во времени по гармоническому закону с постоянным периодом.

В синхрофазотроне изменяются и частота ускоряющего напряжения, создаваемого генератором напряжения меняющейся частоты, и индукция магнитного поля. Ускоряемые частицы движутся не по спирали, а по кольцу. По мере увеличения скорости частиц индукция магнитного поля растёт так, чтобы радиус окружности, по которой движутся частицы оставался постоянным. При этом период обращения изменяется как из-за скорости так и из-за магнитной индукции.

Большой адронный коллайдер – ускоритель адронов (частиц, состоящих из кварков) на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов в противоположных направлениях и изучения продуктов их соударений.

Коллайдер построен на границе Швейцарии и Франции. Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца в синхротрон, где они приобретают энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в суперсинхрофазотроне, где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в основное кольцо и в точках столкновения шесть детекторов фиксируют происходящие события.