Масс спектрограф и циклотрон кратко

Обновлено: 04.07.2024

Масс-спектрограф. Вращение заряженных частиц в магнитном поле широко используется в физическом эксперименте.

Масс-спектрограф — прибор для измерения масс заряженных частиц.

Принцип измерения масс заряженных частиц основан на том, что радиус окружности, по которой движется заряженная частица в однородном магнитном поле, пропорционален массе частицы (формула (62)). Зная радиус окружности, можно найти массу частицы:

Если известны заряд частицы и магнитная индукция, должна быть задана скорость у х , с которой частица влетает в магнитное поле. Источник заряженных частиц испускает частицы с различными скоростями (рис. 78). Диафрагмы Д! и Д 2 направляют частицы в фильтр скоростей, который выделяет частицы с определенной скоростью и х .

В фильтре скоростей заряженная частица попадает во взаимно перпендикулярные электрическое (с напряженностью £ 0 ) и магнитное (с индукцией В 0 ) поля. На ион, движущийся между пластинами конденсатора, действуют в противоположных направлениях две силы: электрическая F K = qE 0 и магнитная (сила Лоренца) ^л = Q V ±B Q . Через диафрагму Д 3 пройдут только те ионы, для которых эти силы уравновешены, т. е. qE 0 = qv ± B 0 , т. е. ионы, обладающие скоро-

Ионы, движущиеся с другими ско-

ростями, через фильтр не пройдут. По местоположению следа, который оставляют ионы на фотопластинке, находят радиус R полуокружности, описываемой ионом под действием поперечного магнитного поля с индукцией В. Масса иона определяется по формуле

Принципиальная схема масс-спектрографа

С помощью подобных масс-спектрографов была определена масса всех химических элементов, обнаружены многие изотопы.

Циклотрон — циклический ускоритель заряженных частиц, в котором заряженные частицы движутся под действием электрического и магнитного полей по раскручивающейся спирали.

В циклотроне ускоряемые частицы движутся внутри пустотелых полуцилиндров (дуантов), помещенных между полюсами сильного электромагнита (рис. 79, а). К зазору между дуантами подводится переменное электрическое поле. Процесс ускорения заряженных частиц до энергий, необходимых для бомбардировки частиц-мишеней, происходит следующим образом. От источника заряженная частица попадает со скоростью v x в дуант 1 , двигаясь по полуокружности под действием силы Лоренца в течение промежутка времени Т/2 (рис. 79, б). В момент времени t = Т/2 электрическое поле ускоряет положительный заряд, влетающий в дуант 2 со скоростью v 2 > v 1 . Поэтому радиус полуокружности, описываемой частицей в дуанте 2, оказывается большим, чем в дуанте 1 . В момент времени t = Т изменившаяся полярность электрического поля вновь ускоряет заряженную частицу, влетающую в дуант 1 со скоростью v 3 > v 2 и движущуюся по полуокружности еще большего радиуса. Далее процесс ускорения частиц продолжается. Период переменного напряжения равен периоду обращения частицы. Ускорение частиц в циклотроне производит электрическое поле в зазоре между дуантами. Закручивая частицы в циклотроне, магнитное поле позволяет сделать ускоритель более ком-

Ускорение заряженных частиц в циклотроне:

а) принципиальная схема циклотрона; б) процесс ускорения частиц

пактным. Подобным образом длинная фотопленка умещается в небольшом бачке проявителя. На последнем витке плоской раскручивающейся спирали пучок быстрых заряженных частиц выводится наружу, бомбардируя частицы мишени.

Зачем требуется фильтр скоростей в масс-спектрографе? Как производится фильтрация частиц?

В чем состоит принцип измерения масс в масс-спектрографе?

Для каких целей предназначен циклотрон? Опишите его принципиальное устройство.

Каким образом и где в циклотроне происходит ускорение заряженных частиц?

Для чего в циклотроне используется магнитное поле?

§ 24. Пространственные траектории заряженных частиц в магнитном поле

Траектория движения заряженной частицы в однородном магнит ном поле

Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле. Наиболее общий вариант, когда заряженная частица влетает в однородное магнитное поле под произвольным углом к линиям индукции, является комбинацией рассмотренных выше частных случаев. Действительно, скорость частицы можно разложить на две составляющие — параллельную линиям индукции 5ц и перпендикулярную им v ± (рис. 80). Параллельная компонента скорости вызывает снос частицы в направлении линий магнитной индукции, а перпендикулярная определяет вращение частицы вокруг этих линий в перпендикулярной им плоскости. Результирующая траектория движения заряженной частицы — винтовая линия.

Особенности движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле. В неоднородном магнитном поле индукция магнитного поля изменяется в пространстве как по величине, так и по направлению. В качестве примера неоднородного магнитного поля рассмотрим магнитное поле, созданное двумя витками с токами, протекающими в одном направлении (рис. 81).

Сгущение линий индукции в какой-либо пространственной области (как и для линий напряженности электрического поля) означает большее

Движение заряженных частиц в магнитной ловушке

значение индукции магнитного поля в этой области. Индукция магнитного поля вблизи витков с током (см. рис. 81) больше, чем в пространстве между ними.

Магнитные ловушки используются для удержания в определенной области пространства высокотемпературной плазмы (Т ~ 10 6 К) при управляемом термоядерном синтезе.

В околоземном пространстве подобным образом движутся заряженные частицы космических лучей, летящие с большой скоростью в сторону Земли из космического пространства (главным образом от Солнца). Магнитное поле Земли как защитный пояс предохраняет поверхность Земли от попадания на нее частиц высокой энергии, изменяя их траектории. Магнитное поле рассеивает наиболее быстрые частицы. Частицы с меньшей энергией попадают в магнитные ловушки, образуемые линиями индукции магнитного поля Земли, перемещаясь по винтовой линии между полюсами Земли за время порядка 1 с. В результате торможения заря-

даенных частиц вблизи полюсов, а также их столкновений с молекулами атмосферного воздуха возникает электромагнитное излучение (радиация), наблюдаемое, в частности, в виде полярных сияний. Фотография полярного сияния, наблюдавшегося в 2000 г. на Аляске, представлена на обложке учебника. Спектральный состав излучения зависит от энергий заряженных частиц.

Радиационные пояса — области в атмосфере Земли с повышенной концентрацией заряженных частиц.

Различают внутренний радиационный пояс (рис. 82), располагающийся на высоте от 2400 до 6000 км, и внешний, находящийся на высоте от 12 000 до 20 000 км.

Во внешнем радиационном поясе Земли большинство заряженных частиц составляют электроны. Протоны, обладающие массой в 1836 раз большей, чем электроны, задерживаются лишь более сильным магнитным полем во внутреннем радиационном поясе.

Радиационные пояса Земли

При каких условиях заряженная частица в однородном магнитном поле движется по винтовой линии?

Почему в неоднородном магнитном поле изменяется радиус винтовой линии, по которой движется заряженная частица?

Почему заряженная частица тормозится в области сильного магнитного поля?

Каким образом магнитное поле Земли предохраняет ее поверхность от действия заряженных частиц высоких энергий?

5- Что такое радиационные пояса Земли? Почему электронный пояс Земли является внешним, а протонный — внутренним?

§ 25. Взаимодействие электрических токов

ипыт Ампера с параллельными проводниками. Как показал Эрстед, электрический ток действует на магнитную стрелку, т. е. создает магнитное поле. Ампер доказал, что магнитное поле воздействует на проводник 0 т °ком. Он предположил также, что магнитные свойства тела определя-

Сущность и предназначение циклотрона, принцип действия устройства. Модификация и применение циклотрона, возникновение и развитие протонной терапии в медицине. Характеристика и структура масс-спектрографа, его возможное использование в газовом анализе.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	27.05.2017
Размер файла	241,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ЦМК ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН

Реферат на тему:

1. Циклотрон. Принцип устройства

2. Модификации циклотрона

3. Применение циклотрона

4. Масс-спектрограф. Принцип устройства

5. Применение масс-спектрографа

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движущейся частицы, поэтому она не изменяет величину скорости, а изменяет только направление ее движения, т.е. вызывает центростремительное ускорение.

Искривляя траекторию движущейся заряженной частицы, она не совершает работы, т.е. кинетическая энергия движущейся в магнитном поле заряженной частицы остается постоянной. Зная силу Лоренца, можно рассчитать траекторию частиц и, следовательно, управлять потоком заряженных частиц. Это используется в различного рода ускорителях таких, как масс-спектрограф и циклотрон.

1. Циклотрон. Принцип устройства

Циклотромн -- резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

В зазор электромагнита помещают два металлических электрода. На эти электроды, названные дуантами из-за сходства их формы с заглавной латинской буквой "D", подается напряжение от генератора высокой частоты. Вблизи центра магнита в промежутке между дуантами располагается источник положительно заряженных ионов. Вся система из электродов и ионного источника помещается в вакуумную камеру, из которой воздух откачивается до давления 10-5мм рт. ст. Ион, вылетевший из источника в то время, когда электрод I имеет отрицательный потенциал, ускорится в промежутке между дуантами и попадает в полость дуанта. В ней ион опишет полуокружность постоянного радиуса, так как в полости дуанта поле отсутствует. Если частота генератора выбрана правильно, то к моменту выхода иона из полости I направление электрического поля изменится на обратное. Поэтому ион вновь ускорится и внутри полости дуанта II опишет окружность уже большего радиуса. Таким образом, двигаясь в резонансе с высокочастотным полем, ионы будут по спиралям разворачиваться к краю полюса магнита. Их энергия будет расти после каждого прохождения частицей ускоряющей щели между дуантами. Процесс ускорения будет продолжаться до тех пор, пока частицы не достигнут края полюсов магнита. На пути потока помещают мишень, попадая на которую ионы вызывают ядерную реакцию. Чаще пучок ускоренных частиц выводят из камеры посредством отклоняющего электрода. На этот электрод, расположенный у края камеры, подается высокий отрицательный потенциал. Под действием электрического поля пучок ускоренных ионов изменяет свою траекторию, выходит из камеры через окошко, закрытое тонкой фольгой, и попадает на мишень.

2. Модификации циклотрона

Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как для релятивистской частицы частота обращения начинает зависеть от энергии.

С нарушением условия синхронизма частицы приходят в ускоряющий зазор не в правильной фазе и перестают ускоряться. Таким образом, циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20--25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку, изохронный циклотрон. В изохронных циклотронах для сохранения неизменной частоты обращения создаётся неоднородное, нарастающее по радиусу магнитное поле. Другая модификация циклотрона -- синхроциклотрон (фазотрон), в котором частота ускоряющего электрического поля не остаётся постоянной, а уменьшается синхронно с частотой обращения частиц. Однако понятно, что в отличие от классического циклотрона, который может работать в непрерывном режиме, синхроциклотрон может ускорять пучок только импульсно. Наконец, самый дальний родственник циклотрона -- ускоритель FFAG. В таком ускорителе магнитное поле не имеет азимутальной симметрии, но в процессе ускорения пучка остаётся постоянным, а частота ускоряющего электрического поля -- варьируется.

3. Применение циклотрона

Циклотрон оказался наиболее удачным ускорителем по сравнению с ранее построенными установками. В различных странах мира работают десятки циклотронов, в которых получены пучки протонов, дейтронов и б-частиц огромной интенсивности (до 1016 частиц в секунду).

С помощью циклотронов получают также потоки быстрых нейтронов. Конечно, нейтроны нельзя ускорить электрическим полем, поскольку они не обладают электрическим зарядом. Пучки быстрых нейтронов возникают как результат ядерной реакции на мишени циклотрона. Для этого мишень делают из элемента, на котором описанная ранее реакция с испусканием нейтронов имеет большую вероятность (например, из бериллия).

Проходя мимо ядра, дейтрон (состоящий из протона и нейтрона) "задевает" за ядро протоном. "Содранный" протон при этом остается в ядре, а нейтрон дейтрона продолжает двигаться в направлении первоначального пучка дейтронов с энергией, примерно равной половине энергии дейтрона.

В последние годы в циклотронах стали ускорять и многозарядные ионы, например, кислорода и азота.

Наибольшее применение циклотроны находят при исследовании свойств ядер; с их помощью удалось наблюдать многие новые ядерные реакции почти на всех элементах периодической системы элементов. Эти опыты позволили физикам значительно продвинуться в понимании закономерностей, существующих в мире атомных ядер.

Важным применением циклотрона является получение на нем радиоактивных изотопов. До постройки атомных реакторов лишь циклотрон позволял приготовлять эти изотопы в сколько-нибудь значительном количестве. циклотрон спектрограф протонная терапия

Простота конструкции циклотрона, а также возможность ускорения протонов до энергий порядка 100МэВ, открывают широкие возможности применения их в медицине. Новое направление получило название протонная терапия (надо сказать, что циклотроны не единственный тип ускорителей для протонной терапии). Основной задачей протонной терапии является поражение опухолевых клеток при минимальном повреждении нормальных тканей. Пучки заряженных частиц имеют существенно лучшее дозное распределение в пространстве по сравнению с другими излучениями. Эти преимущества особенно проявляются при облучении мишени сложной пространственной конфигурации и имеют решающее значение при облучении вблизи жизненно важных органов человека. Для проникновения протонного пучка на глубину до 5см необходима энергия МэВ, при энергии до 190МэВ можно облучить практически все опухоли с максимальной глубиной локализации до 24см. Важной характеристикой ускорительного комплекса является возможность регулирования величины энергии и сканирования пучка ускоренных частиц для формирования трехмерных дозных полей заданной формы. Требуемое дозное поле можно формировать как регулировкой параметров пучка в ускорителе, так и системой внешних рассеивателей и замедлителей. В настоящее время энергия циклотронов для протонной терапии достигает 250МэВ Циклотрон в PSI (до 590МэВ)

4. Масс-спектрограф. Принцип устройства

Частицы, прошедшие через щель 3, попадают в магнитное поле с теми скоростями, которые им сообщает ускоряющая их разность потенциалов. Все частицы с данным отношением q/m приобретают равные скорости и будут в магнитном поле описывать окружности одного и того же радиуса. После отклонения на 180° пучок частиц попадает на фотопластинку; в месте попадания пучка после проявления пластинки обнаружится темная полоска. Расстояние АВ (рис. 351) равно удвоенному радиусу r окружности, по которой двигалась частица. Величина r зависит от скорости частицы. Для нахождения скорости мы используем то обстоятельство, что частица влетает в магнитное поле с кинетической энергией Wк=mv2/2, полученной за счет работы электрического поля, равной qU. Таким образом,

Схема масс-спектрографа: 1 -- источник ионов (газоразрядная трубка), 2 -- диафрагма со щелью 3, 4 -- фотопластинка, U -- напряжение, ускоряющее ионы

Подставляя в эту формулу известные значения q, В, U и полученный измерением радиус r, можем вычислить массу частиц, попавших в точку В пластинки.

Если в пучке, испускаемом источником, содержатся частицы с различными отношениями заряда к массе, на фотопластинке получится несколько параллельных полосок. Самая близкая к щели полоска вызвана частицами, которые движутся по окружности наименьшего радиуса. Эти частицы обладают наибольшим отношением заряда к массе. Если заряды всех частиц в пучке одинаковы, то ближайшая к щели полоска соответствует частицам наименьшей массы.

По аналогии с оптикой изображение, полученное на фотопластинке, называют спектром. Оптический спектрограф дает спектр длин волн светового пучка, т. е. распределение спектральных линий по длинам волн. Масс-спектрограф дает спектр масс пучка частиц, т. е. распределение частиц по массам (точнее, по отношениям q/m).

В опыте по измерению массы электрона с помощью масс-спектрографа на фотопластинке обнаруживается только одна полоска. Так как заряд каждого электрона равен одному элементарному заряду, мы приходим к заключению, что все электроны обладают одинаковой массой.

5. Применение масс-спектрографа

Масс-спектрограф может быть применен как для исследовательских целей, так и для контроля производства при различных методах получения бензина, содержащего углеводороды до С включительно.

Несомненно весьма интересным и обещающим является применение масс-спектрографа для определения малых количеств примесей в графите и многих других материалах. При применении стабильных изотопов их обнаружение и количественное определение обычно проводят при помощи масс-спектрографа и лишь в редких случаях (например, при работе с тяжелым водородом) путем определения удельного веса продуктов сожжения. Если же органическое соединение содержит радиоактивные изотопы, то определение легко удается провести путем измерения радиоактивности соответствующего вещества (например, при помощи счетчика Гейгера -- Мюллера).

В последующие годы велись интенсивные работы по установлению изотопного состава элементов с помощью масс-спектрографа. Однако для определения относительного содержания изотопов необходимо было повысить точность измерений, что и было достигнуто применением в качестве регистратора электрометрической лампы, соединенной с гальванометром.

Для определения газообразующих примесей в арсениде галлия рекомендованы метод вакуум-плавления для определения кислорода и водорода , а также масс-спектрометрический метод с применением масс-спектрографа с искровым ионным источником. В последнем методе определяют углерод, азот, кислород, а также литий, магний, серу и кремний.

В настоящей главе описываются подобные методы, которые можно назвать физическими методами газового анализа. Сюда относятся, в частности, различные оптические методы, а также анализ газа с помощью масс-спектрографа. Следует, однако, заметить, что выделение этих физических методов в отдельную группу имеет, конечно, условный характер, поскольку и здесь приходится в ряде случаев сочетать эти физические методы с применением тех или иных химических реагентов.

Идея применения масс-спектрографа для целей газового анализа (в частности, для анализа углеводородных газов) была выдвинута после изобретения этого прибора, примененного первоначально для разделения и определения изотопов.

Однако сложность и дороговизна масс-спектрографа ограничивают его применение в газовом анализе. Следует также учесть что многие разработанные в последнее время у нас в Союзе приборы для микроанализа газа по своей относительной чувствительности а тем более по простоте превосходят масс-спектрограф. Эти приборы требуют при анализе большего количества газа, однако для большинства практических задач получение образцов газа объемом 0,2--1,0 л и даже больше обычно не представляет затруднений.

Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется для определения наличия допинга в крови спортсменов.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: аналитическая химия, биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Масс-спектрограф – прибор для измерения атомных и молекулярных масс. В этих приборах с помощью магнитного поля можно разделить заряженные частицы по их удельным зарядам.

1912 год — Дж. Дж. Томсон создаёт первый масс-спектрограф и получает масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена.

Наибольшее применение приборы находят при исследовании свойств ядер; с их помощью удалось наблюдать многие новые ядерные реакции почти на всех элементах периодической системы элементов. Эти опыты позволили физикам значительно продвинуться в понимании закономерностей, существующих в мире атомных ядер.

Все существующие масс-спектрометры применяются для решения задач в конкретной области. Фармацевты применяют масс-спектрометрические эксперименты при разработке лекарств, исследованиях фармакокинетики и метаболизма. Ученые-биологи используют масс-спектрометрию для анализа белков, пептидов и нуклеиновых кислот. Кроме того, если мы хотим проверить качество воды или продуктов питания, то нам снова не обойтись без этого метода.

Отдельная инновационная область применения масс-спектрометрии — медицинская диагностика. К развитию множества заболеваний приводят структурные изменения белков нашего организма: обычно они классифицируются по образованию характерного кусочка, пептида-маркера. Если вовремя определить такую мутацию, то появляется возможность лечить болезнь на ранней стадии.

Кроме того, благодаря современным масс-спектрометрам становится возможным проводить исследования такого рода в режиме реального времени — например, в ходе нейрохирургической операции. Это позволяет точно определять границы между здоровой тканью и опухолью, что критически важно для хирургов.

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс повышения квалификации

Инструменты онлайн-обучения на примере программ Zoom, Skype, Microsoft Teams, Bandicam

Курс добавлен 31.01.2022
Сейчас обучается 30 человек из 19 регионов

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Дистанционные курсы для педагогов

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 612 513 материалов в базе

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

19.11.2018 2678
PPTX 9.5 мбайт
99 скачиваний
Рейтинг: 5 из 5
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Леснова Елена Юрьевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России

Время чтения: 1 минута

Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы

Время чтения: 0 минут

Новые курсы: преподавание блогинга и архитектуры, подготовка аспирантов и другие

Время чтения: 16 минут

Россияне ценят в учителях образованность, любовь и доброжелательность к детям

Время чтения: 2 минуты

ГИА для школьников, находящихся за рубежом, может стать дистанционным

Время чтения: 1 минута

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Циклотрон - это ускоритель тяжелых частиц (ионов и протонов). Он разгоняет их по спиральной траектории. Частицы удерживаются спиральной траекторией статическим магнитным полем и ускоряются быстро меняющимся (радиочастотным) электрическим полем. Эрнест О. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии 1939 года по физике за это изобретение.

Преимущества

Циклотроны были самой мощной технологией ускорителей частиц до 1950-х годов, когда они были заменены синхротроном. Они до сих пор используются для создания пучков частиц в физике и ядерной медицине. Крупнейшим одномоторным циклотроном был синхроциклотрон высотой 4,67 м (184 дюйма), построенный в 1940-1946 годах Лоуренсом в Калифорнийском университете в Беркли. Аппарат мог ускорить протоны до 730 миллионов электрон-вольт (МэВ). Крупнейший циклотрон - это мультимагнетический ускоритель TRIUMF 17,1 м (56 футов) в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, который может производить протоны 500 МэВ.

Более 1200 циклотронов используются в ядерной медицине во всем мире для производства радионуклидов.

История

Первый циклотрон был разработан и запатентован Эрнестом Лоуренсом в 1932 году в Калифорнийском университете в Беркли. Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших радиопередатчиков Poulsen arc, предоставленных Федеральной телеграфной компанией. Студент-выпускник, М. Стэнли Ливингстон, сделал большую часть работы по превращению оторванного от реальности концепта в реально работающий механизм. Лоуренс читал статью о концепции дрейфовой трубки linac от Rolf Widerøe, которая также работала аналогичным образом с концепцией бетатрона.

В Лаборатории радиации Калифорнийского университета в Беркли Лоуренс построил ряд циклотронов, которые в то время были самыми мощными ускорителями в мире: машина 69 см (27 дюймов) 4,8 МэВ (1932 г.), машина диаметром 94 см (37 дюймов) 8 МэВ (1937 г.) и машина шириной 16 см (16 дюймов) (1939). Он также разработал синхронизатор 467 см (184 дюйма) (1945). Лоуренс за эту работу получил Нобелевскую премию в области физики в 1939 году. Циклотрон - это один из самых первых ускорителей заряженных частиц.

Первый европейский циклотрон был собран в Ленинграде на физическом факультете Радиевого института во главе с Виталием Хлопиным. Этот ленинградский аппарат был впервые представлен в 1932 году Джорджем Гамовым и Львом Мысовским, в эксплуатацию его ввели в 1937 году. В циклотроне электрическое и магнитное ускорение всегда использовали равномерно, потому при строительстве этого ускорителя частиц всегда использовали наэлектризованный магнит. В нацистской Германии, в Гейдельберге, был построен циклотрон под наблюдением Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера при поддержке Хересваффенхамта. Он функционировал с 1943 года.

Принцип работы

Этот аппарат ускоряет пучки фотонов и заряженных частиц вплоть до скорости света, вращая их по спиралевидному пространству внутри ускорителя. Благодаря нему было открыто, что при вращении с огромной скоростью масса частиц меняется, как правило, в сторону увеличения. Циклотрон - это настоящий кладезь подобных открытий. Релятивистское увеличение массы частиц в пучке фотонов требует, как правило, либо изменения магнитного поля внутри ускорителя (так называемый изохронный циклотрон), либо к модификации его частоты (синхронный циклотрон). Благодаря своему уникальному принципу работы, этот механизм стал прототипом других похожих ускорителей таких, как Большой адронный коллайдер.

Применение и методы исследований

Дело в том, что благодаря своей способности к ускорению заряженных частиц, этот механизм используют для получения различных изотопов. Изотопы - вещь нужная в современных технических средствах, потому использование циклотрона не ограничивается только экспериментальной физикой. К примеру, его используют в медицине для получения радиоизотопов, таких как технеций-99.

Модификация

Циклотрон был улучшен по сравнению с линейными ускорителями, которые были доступны, когда он был изобретен, будучи более экономичным и пространственным, благодаря повторному взаимодействию частиц с ускоряющим полем. В 1920-х годах невозможно было создать высокомощные высокочастотные радиоволны, которые используют в современных линейных ускорителях (генерируемых клистронами). Таким образом, для частиц с более высокой энергией требовались несущественные длинные линейные структуры. Компактность циклотрона также снижает другие затраты, такие как фундаменты, радиационная защита и закрывающее здание. Циклотроны имеют один электрический драйвер, который экономит как деньги, так и мощность. Кроме того, циклотроны способны образовывать непрерывный поток частиц на мишени, поэтому средняя мощность, прошедшая от пучка частиц в мишень, относительно велика.

Какова траектория движения в циклотроне

Ограничения по стоимости были преодолены за счет использования более сложных синхротронных или современных линейных ускорителей, основанных на клистроне, которые имеют преимущество масштабируемости, предлагая больше мощности в улучшенной структуре затрат, поскольку машины становятся больше. Сами расчеты же производятся путем сопоставления мощности столкновения частиц друг с другом, которая в свою очередь зависит от того, какова траектория движения заряженной частицы в циклотроне.

Читайте также: