Циклотрон и други ускорители на частици

За да се изследва структурата на атомните ядра, те се бомбардират с частици, които имат висока енергия, тоест летят с много висока скорост. За получаването им в лабораторни условия се използват различни видове ускорители, един от които е цикличен ускорител (циклотрон).

В циклотрон заредена частица, поставена между полюсите на електромагнит, многократно преминава през електрическо поле. При всяко преминаване той увеличава енергията си от няколкостотин до няколко хиляди електронволта. Напречното магнитно поле се използва за периодично връщане и управление на движението на заредена частица.

Сила на Лоренцще действа върху частица, движеща се в постоянно магнитно поле, което води до движение на зареден елемент по окръжност с постоянен радиус, ако неговата маса и скорост останат непроменени:

циклотрон

Силата на Лоренц FL, която е насочена по радиуса към центъра на окръжността, ще предизвика центростремително ускорение и според 2-рия закон на Нютон ще бъде равна на:

Където: R е радиусът на орбитата, m е масата на заредената частица, V е нейната скорост. От това можем да заключим, че FC \u003d FL, или:

Където: q е големината на заряда, B е индукцията на магнитното поле (векторите B и V са взаимно перпендикулярни, т.е. sin α \u003d 1). От тази формула получаваме израз за ъгловата скорост на частицата:

Ако B, q и m са постоянни стойности, тогава ъгловата скорост, а оттам и броят на оборотите на частицата за секунда, също е постоянна стойност, независимо от нейната енергия. Но радиусът на орбитата все още зависи от скоростта на движение, тъй като това следва от равенството (1):

С увеличаване на енергията на зареден елемент и увеличаване на скоростта му, радиусът на орбитата се увеличава,ето защо елемент в ускорител (например циклотрон) ще се движи спираловидно.

Диаграмата на циклотронното устройство е показана на фигурата по-долу:

други

Два метални електрода 3, поставени между полюсите на електромагнит, който от своя страна се състои от намотки 2 и магнит 1, се захранват с високо напрежение от високочестотен генератор (Фигура а)). Много често електродите се наричат ​​дие, поради сходството им с главната латинска буква D. В пролуката между деите, близо до центъра на магнита, има източник на 4 заредени елемента (йони). Цялата система от йонен източник и електроди е поставена във вакуумна камера 5, разреждането в която достига 10 -5 mm Hg. Изкуство. Положителен йон ще излети от източника в момента, когато електрод 1 е с отрицателен потенциал. Той ще придобие известна скорост и в кухината на дюзата ще опиша полукръг с постоянен радиус, тъй като вътре в дюзата няма електрическо поле (фигура b)). Докато йонът напусне dee I, високочестотният генератор ще промени посоката на електрическото поле към противоположната: dee II ще получи отрицателен потенциал, а dee I ще бъде положителен. Това ще доведе до ускоряване на йона и вътре в дее II той ще опише полукръг с по-голям радиус. Движейки се врезонансс високочестотно поле, йоните ще се движат спираловидно към ръба на магнитния полюс. Тяхната енергия ще нараства след всяко преминаване на ускоряващата верига между буквите от частицата. Лъчът от ускорени положителни йони се отстранява от циклотрона поради отклоняващия електрод 6 (фигура b)), към който се прилага отрицателен потенциал. Преминавайки покрай него, йонният лъч променя траекторията си и излиза от камерата през прозорец, покрит с тънко фолио.

Циклотронът се използва като ускорител на тежки частици – положмногозарядни йони и протони. В циклотрона има причини, които ограничават възможността за значително увеличаване на йонната енергия. Кинетичната енергия на всяка частица е равна на E = mV 2 /2. Следователно, за да се получат частици с много голям енергиен запас, те трябва да бъдат ускорени до много висока скорост, почти равна на скоростта на светлината. От теорията на относителността е известно, че масата на заредената частица зависи от нейното движение и скорост:

Където: m0 е масата на частица в покой, V е нейната скорост, c е скоростта на светлината. При условия, когато и V « c, масата на тялото може да се счита за строго постоянна. Но в ускорителите, където частицата се ускорява до скорост, близка до скоростта на светлината, тази маса трябва да се вземе предвид. От формула (2) може да се получи израз за периода на въртене на заредена частица в циклотрон:

Тоест периодът на въртене е право пропорционален на масата на елемента. Следователно, когато частиците се ускоряват, периодът на въртене се увеличава, докато периодът на високочестотното поле остава непроменен. В резултат на това, с всеки следващ удар в ускоряващия слот, елементите ще закъсняват, придобивайки по-малко енергия, докато започнат да падат в полето на забавяне.

За ускоряване на електрони се използва друг ускорител - бетатрон, който използва вихрово електрическо поле. Енергията, получена от елементите с помощта на циклотрона обаче не задоволи учените. За постигане на по-висока енергия на частиците се използват два метода:

  • С увеличаване на периода на въртене на частицата, честотата на високочестотния генератор намалява. Ускорителите, използващи този принцип, се наричат ​​фазотрон;
  • При постоянна честота на електрическото ускоряващо поле, магнитното поле се увеличава. Ако съотношението m/B се запази непроменено, т.е. с увеличаване на масата на частиците, индукцията на полето постепенно се увеличава, тогава периодът на неговата революциясъщо ще бъде постоянна. На този принцип работят ускорителите от типа синхрофазотрон и синхротрон.