Работа с рентгеновскими аппаратами и ускорителями заряженных частиц реферат

Обновлено: 07.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ, установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия), а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках). Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях – для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц.

Согласно квантовой механике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определенной длиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чем меньше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тем больше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромира требовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излучений высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователям лишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученые начали работать над созданием установок, которые могли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуют ускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если, например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорению подвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозного или синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящей мишени интенсивным пучком протонов или дейтронов.

Энергия ядерных частиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт – это энергия, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. (1 эВ  1,6021910–19 Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (1012) электронвольт – на крупнейшем в мире ускорителе.

Для обнаружения в эксперименте редких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этого требуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современной техники ускорителей определяется двумя основными параметрами – энергией и интенсивностью пучка частиц.

ВИДЫ УСКОРИТЕЛЕЙ

ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Возможность применения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадных ускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, но и в пространстве. В любой момент времени напряженность поля изменяется синусоидально в зависимости от положения в пространстве, т.е. распределение поля в пространстве имеет форму волны. А в любой точке пространства она

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845–1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

реферат по химии.docx

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Реферат на тему:

Рентгеновское излучение и его использование в технике и медицине.

Специальность: ТОР 13-1

Получение рентгеновского излучения……………………………………….….…4

Естественное рентгеновское излучение…………………………………………..7

Природа рентгеновских лучей…………………………… …………………….……8

Получение рентгеновского излучения……………………………………………..9

Характеристическое рентгеновское излучение………………… ………………10

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10 –8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженн ых частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов илимолекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод ( ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излученияпроисходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома.

Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз [4] .

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке.

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.

В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения — за счёт возникновения электрон-позитро нных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения ( ых опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Естественное рентгеновское излучение

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоакт ивном распаде, в результате Комптон-эффекта гам ма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковымирентге новскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.

Но еще за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей [источник не указан 394 дня] и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм.

Катодолучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Крукса [источник не указан 1663 дня] и с 1892 года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

Цель проекта: Исследование устройства ускорителей заряженных частиц.

С учетом поставленной цели необходимо решить ряд задач.

Задачи проекта:

изучить материал по теме

описать способ работы линейных ускорителей

описать способ работы циклических ускорителей

выводы по работе

ускорение частиц зависит только от действия электромагнитного поля.

большинство населения не знает об ускорителях заряженных частиц, не говоря уже, об их предназначении.

Назначение проекта:

предоставить информацию учащимся для более глубокого изучения раздела квантовой физики в программе школьного курса физики.

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, большой адронный коллайдер в ЦЕРН представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.

Ускорители заряженных частиц - установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.

В основе работы ускорителя заложены взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полем. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличить её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители , где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители , в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз.

Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить.

В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные пучки).

Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы, где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы, где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной, и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.

Классификация ускорителей

Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т.д.) Рис.1.

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители подразделяются на непрерывные (равномерный во времени пучок) и импульсные (в них частицы ускоряются порциями – импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.

По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных траекториями частиц являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

Рис. 1 Схема движущихся заряженных частиц

1.Линейные ускорители

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей - возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:

Ускоритель Ван де Граафа . Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.

Каскадный ускоритель . Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта Уолтона, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя).

Трансформаторный ускоритель . Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.

Импульсный ускоритель . Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

Линейный индукционный ускоритель

Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферримагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

Конструкция, реализующая данную идею, выглядит следующим образом, на сердечник из феррита (индуктор) наматывается первичная обмотка, через которую пропускается переменный ток, в феррите возникает переменное магнитное поле, которое создает вихревое, пронизывающее плоскость сердечника (рис. 2).

Рис. 2 Схема линейного индукционного ускорения

Линейный резонансный ускоритель

Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектронвольт, электроны – до десятков гигаэлектронвольт. (рис. 3).

Рис. 3 Линейный резонансный ускоритель

2. Циклические ускорители

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается.

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907–1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом (1907–1991) принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое.

Микротрон - циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q .

Микротрон – ускоритель непрерывного действия, и способен давать токи порядка 100 мА, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (Россия, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов. Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили. (рис. 5)

Рис. 5 Микротрон

Фазотрон - 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). (рис. 6)

Рис. 6 Фазотрон

Синхротрон - циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. На рис. 7 схематически изображен синхротрон: 1 - инжектор электронов; 2 - поворотный магнит; 3 - пучок электронов; 4 - управляющий электромагнит; 5 - вакуумная тороидальная камера; 6 - ускоряющий промежуток. Внешний вид Томского синхротрона на 1,5 ГэВ представлен на рисунке. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 5 - 10 ГэВ.

Рис. 7 Схематическое изображение синхротрона

Синхрофазотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона. Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. (рис. 8)

Рис. 8 Синхрофазотрона

Бетатрон - Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования бетатроны нашли особо широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергии 20  50 МэВ. Используется непосредственно сам электронный пучок или тормозное γ -излучение, энергия которого может плавно изменяться.(рис. 9)

Рис 9. Бетатрон

Большой адронный коллайдер (БАК)

Коллайдер был назван большим из-за его основного кольца, длина которого составляет 26,659 километров. Адронным вследствие того, что в его недрах происходит ускорение адронов (частицы). А коллайдером из-за основного принципа действия устройства, которое основано на соударении пучков разноускоренных частиц.

Большой адронный коллайдер - это каскад ускорителей, в котором электрически заряженные элементарные частицы и ядра с помощью электромагнитного поля разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Пучки частиц движутся в противоположных направлениях по огромному кольцу длиной 26 с небольшим километров и затем сталкиваются друг с другом в лобовых столкновениях, при этом огромная кинетическая энергия столкновения приводит к образованию кварк-глюонной плазмы и рождению из нее огромного числа частиц. Он был построен для изучения физики элементарных частиц и высоких энергий, а так же для поиска новых, еще неизвестных науке частиц. Большой Адронный Коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. (рис. 10)

Рис 10. Большой адронный коллайдер

Изложенные выше ключевые физические идеи о способах возбуждения в плазме релятивистски сильных плазменных волн и их использовании для ускорения заряженных частиц позволили реализовать в первых экспериментах рекордно сильные электрические поля более чем на три порядка превышающие уровень, достижимый в вакуумных системах в радиодиапазоне. Эти результаты существенно усиливают интерес к исследованию ускорителей, использующих коллективные электрические поля в плазме и уже позволяют рассматривать конкретные проекты ускорителей.

Только дальнейшие исследования могут ответить на возникающие вопросы. В то же время полученные результаты уже сегодня позволяют построить компактные ускорители с умеренной энергией частиц (порядка 1 ГэВ), не требующие сложных и громоздких высоковольтных устройств. Подобные ускорители могут найти широкое применение в науке, медицине и промышленности, открывая подчас совершенно новые возможности, неосуществимые при использовании традиционных систем.

Поставленные задачи – были решены, путём ознакомления с материалом и принципом работы ускорителей.

Проблема решена путём возможности доступа к ознакомлению информацией как учащихся школы, так и неопределенного круга лиц.

Гипотеза частично подтверждена , т.к. в основе ускорителей лежит не только действие электрических и магнитных полей, как изначально предполагалось, но есть прямая зависимость от вида ускоряемых частиц, разброса частиц по энергиям и интенсивности пучка, а также от конструкции ускорителя .

Список литературы:

Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И . Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Госатомиздат , 1961.

Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз , 1962.

Бабат Г. И. Ускорители. - [М.]: Мол. гвардия, 1957. - 80 с. - 50 000 экз.

Ратнер, Б. С. Ускорители заряженных частиц. -М.: Наука, 1966. - 151 с.

Комар, Е. Г. Ускорители заряженных частиц. - М.: Атомиздат, 1964. - 388 с.

Ливингстон, М. Стенли. Ускорители. Установки для получения заряженных частиц больших энергий. - М.: Изд-во иностр. лит., 1956. - 148 с.

Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.

Если считать величину магнитного поля неизменной (В = const), то период обращения частицы есть величина постоянная, т. е. Т = const. Это свойство и заложено в основу принципа ускорения заряженных частиц в циклических ускорителях. Достаточно придать движущейся частице некоторое ускорение (увеличить скорость), как вырастет радиус ее траектории (формула (6.21)), но период при этом остается… Читать ещё >

Ускорители заряженных частиц ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Стать богатеем иной норовит, Золото копит, ночами не спит.

Не все то золото, ах, не все то золото, Хоть и сверкает и даже звенит.

Для того чтобы понять суть вопроса, рассмотрим ускорители заряженных частиц. Ускоритель — это установка, предназначенная для придания заряженным частицам высокой скорости. Частица, движущаяся с высокой скоростью, несет в себе колоссальный запас кинетической энергии (Е_кш = = mv 2 /2) и способна передавать эту энергию другим частицам при столкновении.

Вспомним два соседних элемента из таблицы Менделеева: золото и ртуть (₇₉Au, ₈₀Hg). Если выбить один протон из ядра атома ртути, то она превратится в атом золота. А сделать это можно пучком быстро движущихся электронов, вышедших из ускорителя.

Ускорители можно разделить на два типа: линейные и циклические.

Линейные ускорители. Во всех видах линейных ускорителей частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно, но вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющемся в течение всего времени ускорения частиц. Для придания частицам достаточного ускорения необходима большая разность потенциалов, вследствие чего линейные ускорители являются высоковольтными. Линейный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше). Принцип действия линейного ускорителя изображен на рис. 6.36.

Например, в ускорителе Ван де Граафа ускоряющее напряжение создается генератором, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения составляет ~ 20 МВ, максимальная энергия частиц ~ 20 МэВ.

В каскадном ускорителе ускоряющее напряжение ~ 5 МВ создается каскадным генератором, который преобразует низкое переменное напряжение, но схеме диодного умножителя.

В трансформаторном ускорителе высокое переменное напряжение создает высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.

В импульсном ускорителе высокое напряжение создается импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

Рис. 6.36. Принцип действия линейного ускорителя.

Циклические ускорители. Сначала разберем основной принцип ускорения заряженных частиц, который используется в циклических ускорителях. Мы уже обсуждали то, что на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Направление этой силы изображено на рис. 6.29. Здесь лишь напомню, что сила Лоренца всегда перпендикулярна линиям индукции магнитного поля. Это приводит к тому, что линейная траектория движения заряженной частицы в магнитном поле меняется на циклическую (круговую). На частицу, движущуюся по круговой траектории, действуют две силы, которые уравновешивают друг друга: центробежная сила и сила Лоренца, т. е.

Из последнего соотношения следует, что при неизменной величине магнитного поля (В = const) и удельного заряда частицы (q/m) радиус ее траектории линейно зависит от скорости движения, и наоборот.

Период, т. е. время одного полного оборота, есть отношение пути к скорости частицы. В свою очередь, путь, пройденный частицей за один оборот, есть длина окружности.

Если считать величину магнитного поля неизменной (В = const), то период обращения частицы есть величина постоянная, т. е. Т = const. Это свойство и заложено в основу принципа ускорения заряженных частиц в циклических ускорителях. Достаточно придать движущейся частице некоторое ускорение (увеличить скорость), как вырастет радиус ее траектории (формула (6.21)), но период при этом остается неизменным. Следовательно, чтобы пройти больший путь за то же время, частице необходимо двигаться с большей скоростью. А дальнейший рост скорости снова приведет к увеличению радиуса траектории и росту скорости. В некотором смысле, процесс этот напоминает самоускорение. То есть достаточно придать частице некоторое начальное ускорение, как она продолжит дальше ускоряться сама.

На этом принципе основан простейший циклический ускоритель — бетатрон.

Бетатрон. При помощи магнитов создается магнитное поле (В), в которое помещается ускоренно движущаяся заряженная частица (рис. 6.37, а).

Под действие силы Лоренца траектория движения частицы закручивается в спираль, радиус которой увеличивается по мере роста скорости частицы. Процесс этот стремительно быстр. За время t — 10 3 с частица совершает N — 1 млн оборотов и, увеличив радиус траектории, покидает ускоритель. Если скорость частицы строго перпендикулярна направлению индукции магнитного поля (?; J_ В), то плоскость вращения частицы будет лежать между магнитами, но при малейшем нарушении перпендикулярности частица уже через 10 3 с совершит 1 млн оборотов и окажется на полюсе магнита (см. рис. 6.29, в). Чтобы уйти от такой проблемы, используют электромагниты, т. е. катушки с проводником, через которые проходит переменный электрический ток. Такая катушка является магнитом, полярность которого меняется с той же частотой, что и электрический ток в ней.

Рис. 6.37. Циклические ускорители:

Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ). Впервые бетатрон был разработан и создан в 1928 г., однако первый надежно работающий бетатрон был создан лишь в 1940—1941 гг. в США.

Циклотрон. В циклотроне реализован тот же самый принцип ускорения, что и в бетатроне, однако для достижения больших скоростей (энергий) введены дополнительные конструктивные особенности. Как и в бетатроне, в циклотроне используется переменное магнитное поле, в которое помещается ускоренно движущаяся заряженная частица (рис. 6.37, б). Под действие силы Лоренца частица начинает вращаться по спирали увеличивающегося радиуса, набирая скорость. Чтобы придать частице дополнительное ускорение, на нее, помимо переменного магнитного поля, воздействуют переменным электрическим (Е), см. рис. 6.37, б. Однако направление электрического поля должно быть параллельным скорости частицы, иначе электрическое поле отклонит частицу от своей траектории. Но ведь частица движется по спирали, а создать электрическое поле такой формы проблематично. Поэтому частицу помещают внутрь дуантов, которые напоминают консервную банку, разрезанную на две половины (см. рис. 6.37, б). Как вы уже знаете из предыдущих тем, металл, из которого изготовлены дуанты, экранирует электрическое поле, т. е. оно не проникает внутрь дуантов, пока скорость частицы не параллельна направлению электрического поля. В момент же пролета частицы в пространстве между дуантами она чувствует на себе действие электрического поля и испытывает дополнительное ускорение. Набрав необходимую скорость, заряженная частица вылетает из циклотрона через специально созданное отверстие в виде канала (см. рис. 6.37, б).

Первый циклотрон появился в 1930 г. Современные циклотроны способны разгонять тяжелые ионы до энергий порядка 500 МэВ. Как и бетатрон, циклотрон имеет ограничение по энергии ускорения. Ограничение это связано с проявляющимся при больших скоростях релятивистским эффектом. Из специальной теории относительности Алберта Эйнштейна мы знаем, что при движении с большими скоростями релятивистская масса частицы возрастает.

следовательно, растет и период обращения частицы.

В результате теряется синхронизация периода обращения частицы с частотой переменных электрического и магнитного нолей.

Возникает вопрос: можно ли подкорректировать частоты этих полей так, чтобы добиться синхронизации и продолжить дальнейшее ускорение частиц? Можно. Такое устройство называется фазотрон.

Фазотрон. В фазотроне электроника корректирует частоту ускоряющего электрического поля за счет автофазировки, отсюда и название ускорителя. Фазотрон способен ускорять частицы до энергий в 600—700 МэВ.

Синхротрон. Но ведь синхронизации можно добиться также за счет изменения частоты магнитного поля, таким образом, чтобы т/В = const. При этом частота электрического поля остается постоянной. В этом суть синхротрона.

Синхрофазотрон. Но и это еще не предел. Что, если менять как частоту электрического поля, так и частоту магнитного? И это можно. Перед нами синхрофазотрон — т. е. это такой циклотрон, в котором используется автофазировка электрического и магнитного нолей.

Синхрофазотрон был сооружен в Дубне, в Объединенном институте ядериых исследований, в 1957 г. под руководством академика Владимира Иосифовича Векслера [2] и позволил ускорить пучки протонов до энергии в 10 ГэВ. В настоящее время ускоритель демонтируется.

По виду коллайдеры делятся на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер (БАК) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРП), и линейные. На сегодняшний день в мире действуют семь коллайдеров. Из них два — в Новосибирске, два — в США, по одному — в Китае и Италии. Самый же крупный — БАК — имеет длину кольца более 26 км и располагается на границе Швейцарии и Франции.

В коллайдере предполагается сталкивать частицы с общей энергией до 14 ТэВ (14−10 12 электрон-вольт).

Масс-сиектроскоиия есть способ определения состава пучка заряженных частиц. Пучок частиц направляется перпендикулярно направлению магнитного ноля (рис. 6.38). Под действием силы Лоренца траектория движения частиц становится круговой, а радиус траектории определяется выражением (6.21). Таким образом, этот радиус является функцией удельного заряда частицы (q/m).

Рис. 638. Масс-спектроскопия.

То есть частицы, вылетевшие из одной точки, пройдя через магнитное поле, попадают в разные точки, в которых и детектируются. Масс-спектроскопия используется практически во всех областях человеческой деятельности для исследования состава вещества.

Читайте также: