Ускорители заряженных частиц - основные понятия, формулы и определение с примерами

Ускорители заряженных частиц

Частицы высоких энергий, т. е. разогнанные до скоростей, близких к скорости света, находят широкое применение в физических исследованиях и в технике.

Использование таких частиц в качестве «снарядов» для изучения столкновений ядерных частиц позволило получить богатую информацию об атомных ядрах и элементарных частицах.

Простейший способ получения таких высокоэнергетических частиц состоит в ускорении их с помощью электрических полей высоких и сверхвысоких напряжений.

Существующие ускорители можно разделить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители и ускорители на встречных пучках.

Наиболее просты по принципу работы ускорители прямого действия. В них частицы разгоняются в постоянном электрическом поле. В данном случае не удается достичь энергий выше 10 МэВ, поскольку при дальнейшем повышении напряжения между электродами возникает электрический пробой.

В линейном ускорителе частицы движутся по прямой линии, последовательно проходя через систему трубчатых электродов, называемых трубками дрейфа, на которые подается переменное напряжение (рис. 155).

Внутри трубок поля нет, там частица движется равномерно. Частица ускоряется тогда, когда она попадает в промежуток между соседними трубками дрейфа, который называют ускоряющим промежутком. Для ускорения частицы необходимо, чтобы время пролета частицы от одного промежутка к другому равнялось половине периода T переменного напряжения, т. е. длина n-й трубки должна быть

Большинство существующих линейных ускорителей позволяют достигать энергии электронов до 10 ГэВ. В ускорителе длиной 3 км, установленном в г. Стэнфорде (США), достигнута энергия 20 ГэВ.

Самый крупный из построенных протонных линейных ускорителей работает в г. Лос-Аламосе (США). Он ускоряет протоны до энергии 800 МэВ при силе тока в пучке около 1 мА.

Простейшим представителем и родоначальником циклических ускорителей
является циклотрон.

Принцип действия циклотрона основан на том, что период обращения частиц в магнитном поле не зависит от скорости (энергии) их движения.

В циклотроне (рис. 156) частицы движутся под действием однородного магнитного поля перпендикулярного плоскости движения частиц, по раскручивающимся спиралям 1. При этом частицы многократно возвращаются к ускоряющим узлам циклотрона — дуантам.

Дуанты представляют собой полуцилиндрические полые электроды, помещенные в вакуумную камеру в зазоре между полюсами электромагнита.
Пока частица движется внутри дуанта, модуль ее скорости постоянен. Когда частица массой m и зарядом q проходит промежуток между дуантами, она испытывает действие электрического поля и ускоряется. Поэтому в другой дуант частица попадает, имея уже большую скорость, и движется по окружности большего радиуса Независимо от радиуса траектории время движения частицы внутри дуанта одно и то же:  

Период изменения высокочастотного напряжения, подаваемого на дуанты, подбирают таким образом, чтобы он был равен

В этом случае частицы будут ускоряться всякий раз, попадая в промежуток между дуантами. Таким образом, на выходе из ускорителя заряженные частицы имеют максимальную энергию:  
где  определяется размером дуанта.

В дальнейшем пучок ускоренных заряженных частиц направляется на исследуемую мишень 2 (см. рис. 191, б).

Первый циклотрон был построен в 1932 г. в Калифорнийском университете в V. г. Беркли (США) Э. Лоуренсом.

Циклотроны применяют для ускорения протонов и ионов. Они позволяют достичь энергий в несколько десятков мегаэлектронвольт.
Типичный циклотрон средней величины (В = 1,0Тл, R = 0,50 м) при ускорении ионов водорода позволяет достичь их максимальной энергии

• Заказать решение задач по физике

Для ускорения тяжелых частиц до предельно больших скоростей используют синхрофазотроны — кольцевые ускорители, у которых в процессе ускорения в строгом соответствии друг с другом меняются одновременно и модуль индукции магнитного поля, и частота ускоряющего напряжения. Это позволяет при росте энергии частиц сохранять постоянным радиус их орбиты и достигать больших энергий. Например, на синхрофазотроне в г. Серпухов (Россия) энергии протонов достигают значения 76 ГэВ.

В обычных ускорителях пучок ускоренных частиц направляют на неподвижную мишень. При этом основная часть их энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. В ускорителе на встречных пучках 1 и 2 используют взаимодействие движущихся навстречу друг другу частиц (рис. 157).

Это позволяет в области пересечения пучков 3 достичь энергии их взаимодействия, эквивалентной энергии нескольких тысяч гигаэлектронвольт в обычном ускорителе.

В настоящее время проектируются ускорители с энергией до нескольких десятков тераэлектронвольт.

Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике — для лечения онкологических заболеваний, производства радиоактивных изотопов, улучшения свойств полимерных материалов.
Без ускорителей не было бы возможности изучать фундаментальные свойства и взаимодействие элементарных частиц. Большинство элементарных частиц было открыто с помощью ускорителей частиц высоких энергий.

Совершенствование ускорителей преобразует не только физику, но также технику и технологию. Существуют ускорители для модификации свойств материалов, например резины, полиэтилена и т. д., ускорители для стерилизации, используемые в пищевой промышленности, животноводстве, медицине, ускорители для наработки радиоактивных изотопов и для облучения больных (диагностика, терапия). Без них невозможно представить современные производство и медицину.

Для прикладных целей не нужно ускорять частицы до сверхвысоких энергий. Энергии электронов обычно не превышают 10 МэВ. Для производства радионуклидов нужны протоны или дейтроны с энергией до 70 МэВ, а в лучевой терапии используются электроны с энергией до 50 МэВ и протоны, ускоренные до 200—250 МэВ.

Электронные пучки в химии применяются в основном для ускорения процесса полимеризации и для изменения свойств полимерных материалов. Именно радиационная модификация полиэтилена была первым примером широкого практического применения ускорителей. В результате облучения температура размягчения полиэтилена увеличивается с 98 °C до 350 °C.

С помощью ускоренных на циклотронах тяжелых ионов производятся тончайшие фильтры для пищевой промышленности. Электронными пучками осуществляют микросварку различных изделий. Электронный луч плавит тугоплавкие материалы и сваривает разнородные материалы друг с другом.
Пучки ускоренных частиц применяются для технологического контроля за качеством массивных металлических изделий, сквозь которые рентгеновское излучение не проходит.

Ускорители широко применяются для внедрения (имплантации) примесных ионов в полупроводниковой микроэлектронике, причем глубина внедрения ионов зависит от их энергии.

Радиационная стерилизация медицинских инструментов имеет ряд преимуществ перед обычно применяемым методом высокотемпературной обработки.

При радиационной обработке пищевых продуктов обычно преследуют одну из двух целей: стерилизацию или пастеризацию пищи, позволяющую долго хранить ее в герметичной упаковке, или задержку процессов естественного развития, например замедление процесса прорастания картофеля.

Основные формулы:

Сила Ампера:    
Сила Лоренца:    
Магнитная постоянная: 

Единицы измерения магнитных величин