Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Прискорювач заряджених частинок



План:


Введення

Вид на прискорювальний центр Fermilab, США. Теватрон (кільце на задньому плані) і кільце-інжектор.

Прискорювач заряджених частинок - клас пристроїв для отримання заряджених частинок ( елементарних частинок, іонів) високих енергій. Сучасні прискорювачі, часом, є величезними дорогими комплексами, які не може дозволити собі навіть велику державу. Приміром, Великий адронний коллайдер в ЦЕРНі являє собою кільце завдовжки майже 27 кілометрів.

В основі роботи прискорювача закладено взаємодія заряджених частинок з електричним та магнітним полями. Електричне поле здатне безпосередньо здійснювати роботу над часткою, тобто збільшувати її енергію. Магнітне ж полі, створюючи силу Лоренца, як відхиляє частку, не змінюючи її енергії, і задає орбіту, по якій рухаються частинки.

Конструктивно прискорювачі можна принципово розділити на дві великі групи. Це лінійні прискорювачі, де пучок часток одноразово проходить прискорюють проміжки, і циклічні прискорювачі, в яких пучки рухаються по замкнутих кривих (наприклад, окружностях), проходячи прискорюють проміжки по багато разів. Можна також класифікувати прискорювачі за призначенням: колайдери, джерела нейтронів, бустери, джерела синхротронного випромінювання, установки для терапії раку, промислові прискорювачі.


1. Конструкції прискорювачів

Генератор Ван де Грааф для першого в Угорщини лінійного прискорювача. На ньому було отримано напруга 1 МВ в 1952 році.
Лінійний прискорювач електронів для Австралійського синхротрона.
Схема пристрою лінійного прискорювача частинок

1.1. Лінійні прискорювачі

1.1.1. Високовольтний прискорювач (прискорювач прямої дії)

Ідеологічно найбільш простий, лінійний прискорювач. Частинки прискорюються постійним електричним полем і рухаються прямолінійно по вакуумній камері, уздовж якої розташовані прискорюють електроди. Прискорення заряджених частинок відбувається електричним полем, незмінним або слабо мінливим протягом усього часу прискорення частинок. Важлива перевага високовольтного підсилювача в порівнянні з іншими типами прискорювачів - можливість отримання малого розкиду по енергії частинок, прискорених в постійному в часі і однорідному електричному полі. Даний тип прискорювачів характеризується високим ККД (до 95%) і можливістю створення порівняно простих установок великої потужності (500 кВт і вище), що вельми важливо при використанні прискорювачів в промислових цілях.

Високовольтні прискорювачі можна розділити на чотири групи за типом генераторів, що створюють високу напругу:

  • Прискорювач Ван де Грааф. Прискорююча напруга створюється генератором Ван де Грааф, заснованому на механічному перенесенні зарядів діелектричної стрічкою. У сучасних модифікаціях ( пеллетронах) стрічка замінена ланцюгом. Максимальні електричні напруги ~ 20 МВ визначають максимальну енергію часток ~ 20 МеВ.
  • Каскадний прискорювач. Прискорююча напруга створюється каскадним генератором (наприклад, генератором Кокрофта-Уолтона, який створює постійне прискорює висока напруга ~ 5 МВ, перетворюючи низьке змінну напругу за схемою діодного помножувача.)
  • Трансформаторний прискорювач. Висока змінна напруга створює високовольтний трансформатор, а пучок проходить в потрібній фазі поблизу максимуму електричного поля.
  • Імпульсний прискорювач. Висока напруга створюється імпульсним трансформатором при розряді великої кількості конденсаторів.

1.1.2. Лінійний прискорювач індукційний

Прискорення в такому типі машин відбувається вихровим електричним полем, яке створюють феромагнітні кільця з обмотками, встановлені вздовж осі пучка.

1.1.3. Лінійний прискорювач резонансний

Також часто називається Лінак (скорочення від LINear ACcelerator). Прискорення відбувається електричним полем високочастотних резонаторів. Лінійні прискорювачі найчастіше використовуються для первинного прискорення частинок, отриманих з електронної гармати або джерела іонів. Однак, ідея лінійного коллайдера на повну енергію також не нова. Основною перевагою Лінака є можливість отримання ультрамалих еміттансов і відсутність втрат енергії на випромінювання, які ростуть пропорційно четвертого ступеня енергії частинок.


1.2. Циклічні прискорювачі

1.2.1. Бетатрон

Циклічний прискорювач, в якому прискорення частинок здійснюється вихровим електричним полем, індукованим зміною магнітного потоку, охоплюваного орбітою пучка. Оскільки для створення вихрового електричного поля необхідно змінювати магнітне поле сердечника, а магнітні поля в ненадпровідні машинах зазвичай обмежені ефектами насичення заліза на рівні ~ 20кГс, виникає обмеження зверху на максимальну енергію бетатрон. Бетатрон використовуються переважно для прискорення електронів до енергій 10-100 МеВ (максимум досягнутої в бетатрон енергії 300 МеВ).

Вперше бетатрон був розроблений і створений Відерое в 1928, який, проте, йому не вдалося запустити. Перший надійно працює бетатрон був створений Д. В. Керстен лише в 1940 - 1941 рр.. в США.


1.2.2. Циклотрон

Пристрій циклотрона. 1 - місце надходження часток, 2 - траєкторія їхнього руху, 3 - електроди, 4 - джерело змінної напруги. Магнітне поле спрямоване перпендикулярно площині рисунка.

У циклотроні частки инжектируются поблизу центру магніту з однорідним полем з невеликою початковою швидкістю. Далі, частки обертаються в магнітному полі по колу всередині двох порожнистих електродів, т. зв. дуантов, до яких докладено змінна електрична напруга. Частка прискорюється на кожному обороті електричним полем в щілини між дуантамі. Для цього необхідно, щоб частота зміни полярності напруги на дуантах дорівнювала частоті обертання частинки. Іншими словами, циклотрон є резонансним прискорювачем. Зрозуміло, що зі збільшенням енергії радіус траєкторії частки буде збільшуватися, поки вона не вийде за межі магніту.

Циклотрон - перший з циклічних прискорювачів. Вперше був розроблений і побудований в 1930 Лоуренсом і Лівінгстоном, за що першому була присуджена Нобелівська премія в 1939. До цих пір циклотрони застосовуються для прискорення важких частинок до відносно невеликих енергій, до 50 МеВ / нуклон.


1.2.3. Мікротрон

Він же - прискорювач зі змінною кратністю. Резонансний циклічний прискорювач з постійним як у циклотрона провідним магнітним полем і частотою прискорює напруги. Ідея мікротрону полягає в тому, щоб зробити прирощення часу обороту частки, що виходить за рахунок прискорення на кожному обороті, кратним періоду коливань ускоряющего напруги.

1.2.4. FFAG

Прискорювач з постійним (як в циклотроні), але неоднорідним полем, і змінною частотою прискорюючого поля.

1.2.5. Фазотрон (сінхроціклотроном)

Принципова відмінність від циклотрона - змінна в процесі прискорення частота електричного поля. Це дозволяє, за рахунок автофазіровкі, підняти максимальну енергію прискорених іонів порівняно з граничним значенням для циклотрона. Енергія в Фазотрон досягає 600-700 МеВ.

1.2.6. Синхрофазотрон

Циклічний прискорювач з постійною довжиною рівноважної орбіти. Щоб частинки в процесі прискорення залишалися на тій же орбіті, змінюється як провідне магнітне поле, так і частота ускоряющего електричного поля.

Невеликий 900 МеВ синхротрон - бустер електронів і позитронів БЕП в ІЯФ СО РАН, Новосибірськ.

1.2.7. Синхротрон

Циклічний прискорювач з постійною довжиною орбіти і постійною частотою прискорює електричного поля, але змінюються провідним магнітним полем.

1.2.8. Прискорювач-рекуператор

По суті - це Лінак, але пучок після використання не скидається, а направляється в прискорюючу структуру в "неправильної" фазі і сповільнюється, віддаючи назад енергію. Крім того, бувають багатопрохідні прискорювачі-рекуператори, де пучок, за принципом мікротрону, робить кілька проходів через прискорюючу структуру (можливо - з різних доріжках), спершу набираючи енергію, потім її повертаючи.

2. Прискорювачі за призначенням

2.1. Лазер на вільних електронах (ЛСЕ)

Спеціалізований джерело когерентного рентгенівського випромінювання.

2.2. Коллайдер

Він же прискорювач на зустрічних пучках. Чисто експериментальні установки, мета яких - вивчення процесів зіткнення частинок високих енергій.

3. Застосування


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Лінійний прискорювач
Розсіювання частинок
Список частинок
Концентрація частинок
Детектор елементарних частинок
Метод рою частинок
Феноменологія елементарних частинок
Фізика елементарних частинок
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru