Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда

Заряженные тела. Электромагнитные силы играют огромную роль в природе, поскольку все тела содержат электрически заряженные частицы. Составные элементы атомов – ядра и электроны – имеют электрический заряд.

Что такое заряженные частицы

«Физика – 10 класс”.

Сначала рассмотрим простейший случай, когда электрически заряженные тела находятся в состоянии покоя.

Раздел электродинамики, посвященный изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называется электростатика.

Что такое электрический заряд?
Что такое заряды?

Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы видели их много раз и привыкли к ним. Но попробуйте ответить на вопрос: “Что такое электрический заряд?”. Сам термин взимать плату – это фундаментальное, изначальное понятие, которое не сводимо ни к каким более простым, элементарным понятиям на нашем сегодняшнем уровне знаний.

Давайте сначала попытаемся выяснить, что означает это утверждение: “Данное тело или частица имеет электрический заряд”.

Все тела состоят из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые, и поэтому мы называем их элементарный.

Элементарные частицы обладают массой и притягиваются друг к другу в соответствии с законом всемирного тяготения. По мере увеличения расстояния между частицами сила гравитации уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, также обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превышает силу гравитации.

Например, в атоме водорода, схематично показанном на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10,39 раз превышающей силу тяжести.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые уменьшаются с увеличением расстояния так же, как гравитационная сила, но во много раз больше гравитационной силы, то говорят, что частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются

Существуют частицы без электрического заряда, но нет электрического заряда без частицы.

Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитный.

Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, так же как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Электрический заряд элементарной частицы не является особым механизмом в частице, который можно извлечь из нее, разобрать на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц подразумевает лишь существование определенных силовых взаимодействий между ними.

Мы действительно ничего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействия должно быть частью нашего понимания заряда. Эти законы не просты и не могут быть описаны в нескольких словах. Поэтому невозможно дать достаточно удовлетворительное краткое определение понятия Электрический заряд.

Два признака электрического заряда.

Все тела имеют массу и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные тела могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Этот важнейший известный вам факт означает, что в природе существуют частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; для зарядов одного знака частицы отталкиваются друг от друга, а для разных знаков – притягиваются.

Заряды элементарных частиц… протоныЗаряд электронов во всех атомных ядрах называется положительным зарядом, а заряд электронов – отрицательный. Не существует внутренней разницы между положительными и отрицательными зарядами. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, природа электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменилась.

Основной заряд.

Помимо электронов и протонов, существует еще несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут существовать бесконечно долго в свободном состоянии. Другие заряженные частицы живут менее одной миллионной доли секунды. Они образуются при столкновениях быстрых элементарных частиц и распадаются на другие частицы через ничтожно малое время. Об этих частицах вы узнаете в 11 классе.

К частицам, не имеющим электрического заряда, относятся нейтрон. Его масса лишь немного больше массы протона. Нейтроны вместе с протонами составляют атомное ядро. Если элементарная частица имеет заряд, то его величина точно определена.

Заряженные тела. Электромагнитные силы в природе играют огромную роль, поскольку все тела содержат электрически заряженные частицы. Составные элементы атомов – ядра и электроны – имеют электрический заряд.

Взаимодействие электромагнитных сил между телами не может быть непосредственно обнаружено, поскольку тела в их нормальном состоянии электрически инертны.

Атом любого вещества инертен, потому что число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны между собой электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Макроскопическое тело является электрически заряженным, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с любым знаком заряда. Таким образом, отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по отношению к количеству протонов, а положительный заряд – недостатком электронов.

Чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, то есть наэлектризовать его, необходимо отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного заряда или перенести отрицательный заряд на инертное тело.

Это можно сделать путем растирания. Если расчесать сухие волосы, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц – электронов – перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы будут заряжены положительно.

Равенство заряда при электрификации

Экспериментально можно доказать, что при электризации трением два тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но равные по модулю.

Возьмите электрометр, на стержне которого находится металлический шарик с отверстием и две пластины на длинных ручках, одна из эбонита, другая из плексигласа. Когда пластины трутся друг о друга, они электризуются.

Занесите одну из пластин внутрь сферы, не касаясь ее стенок. Если пластина заряжена положительно, некоторые электроны со стрелки и стержня электрометра будут притягиваться к пластине и собираться на внутренней поверхности сферы. Стрелка будет положительно заряжена и отталкиваться от стержня электрометра (рис. 14.2, a).

Если внутрь сферы вставить другую пластину, то после удаления первой пластины электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и собираться в избытке на стрелке. Это приведет к отклонению стрелы от стержня, причем на тот же угол, что и в первом эксперименте.

Опустив обе пластины в шар, мы не обнаружим никакого отклонения стрелки (рис. 14.2, b). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.

Электризация тела и ее проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей друг о друга. Когда рубашку из синтетического материала снимают на сухом воздухе, раздается характерный потрескивающий звук. Между заряженными частями поверхностей трения проскакивают маленькие искры.

В производстве необходимо считаться с феноменом электрификации. Например, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются в результате трения, притягиваются к веретенам и валикам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и становится грязной.

В принтерах во время печати бумага электризуется, и листы слипаются. Чтобы предотвратить это, используются специальные устройства для рассеивания заряда. Однако иногда используется электризация тел, находящихся в тесном контакте, например, в различных электрических копировальных аппаратах и т.д.

Закон сохранения электрического заряда.

Эксперимент с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение заряда между телами, которые ранее были нейтральными. Небольшое количество электронов переходит от одного тела к другому. Новые частицы не создаются, а ранее существовавшие не исчезают.

Когда тела электризуются, верно следующее закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят и не выходят заряженные частицы, т.е. для изолированная система.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

где q1, q2 и т.д. – заряды отдельных заряженных тел.

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то закон сохранения заряда очевиден. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, порождая новые частицы.

Но во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с равными по модулю и противоположными по знаку зарядами; заряженные частицы также исчезают только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях алгебраическая сумма зарядов остается неизменной.

Закон сохранения заряда подтверждается наблюдением огромного количества превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда пока не известна.

Источник: Физика – 10 класс, 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электростатика – физика, учебник для 10 класса – Класс!

Заряженные частицы – это частицы, заряд которых отличен от нуля.

Заряженные частицы – что это такое? Каковы типы заряженных частиц?

Заряженные частицы – это частицы, имеющие заряд, отличный от нуля.

В общем случае заряд не обязательно должен быть электрическим зарядом (это лишь один из возможных параметров). Заряд частицы показывает, может ли она взаимодействовать с данным полем – т.е. будет ли поле действовать на него с какой-либо силой. Если нет заряда, то не будет и взаимодействия: частице все равно, есть ли в данной точке пространства соответствующее поле, а полю все равно, есть там частицы или нет.

Например, если есть электрический заряд, то частица будет взаимодействовать с электромагнитным полем. Если частица не имеет электрического заряда (как нейтрон), она не будет взаимодействовать с электрическим полем. Если частица имеет гравитационный заряд (массу), она будет взаимодействовать с гравитационным полем. Существуют и другие типы полей (большинство из которых уже являются внутриядерными взаимодействиями), и эти поля соответствуют собственным зарядам – например, кварковые параметры, такие как “странность” и “аромат”.

Проблема поперечной устойчивости. Бетатронные осцилляции. В больших У. кольцах при разгоне частицы проходят расстояние, измеряемое сотнями тысяч или даже миллионами километров. В системах хранения таким способом на несколько. порядков больше, а в небольших У. он на несколько порядков меньше, но он всегда очень велик по сравнению с диаметром вакуумной камеры, поперечные размеры которой обычно не превышают двух десятков сантиметров. Столкновение частиц со стенками камеры приводит к их потере. Поэтому ускорение возможно только при тщательно рассчитанной и выполненной системе фокусировки.

ускорители заряженных частиц

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ – Устройства, ускоряющие заряженные частицы до высоких энергий. В просторечии ускорители (УУ) – это установки, предназначенные для ускорения частиц до энергий выше МэВ. МэВ. Рекордный протонный ускоритель, Теватрон, достиг энергии 940 ГэВ (Лаборатория Ферми, США). Крупнейший ускоритель электронов LEP (ЦЕРН, Швейцария) ускоряет сталкивающиеся пучки электронов и позитронов до 45 ГэВ (после установки дополнительного ускорительного оборудования энергия может быть удвоена). У. Радионуклиды широко используются как в науке (получение элементарных частиц, изучение их свойств и внутренней структуры, получение нуклидов, не встречающихся в природе, изучение ядерных реакций, радиобиология, химические исследования, работы в области физики твердого тела и т.д.), так и в прикладных целях (стерилизация медицинского оборудования, материалов и т.д.). ), дефектоскопия, производство микроэлектронных компонентов, производство радиофармакологических препаратов для медицинской диагностики, радиотерапия, радиационные технологии в технике – искусственные, полимеризация красок, модификация свойств материалов, например, резины, производство термоусаживаемых трубок и т.д.).

Все современные ускорители используют внешние продольные (направленные вдоль скорости ускоряемых частиц) электрические поля для увеличения энергии заряженных частиц. Постоянно ведутся поиски способов ускорения с помощью полей, создаваемых другими движущимися частицами или электромагнитами. Волны, которые возбуждаются или изменяются самим пучком ускоренных частиц или другими пучками (методы коллективного ускорения>. Коллективные методы теоретически позволяют определить коэффициент ускорения (энергии, накопленной на Теоретически, коллективные методы могут значительно увеличить скорость ускорения (энергия, запасенная на пути луча) и интенсивность луча, но до сих пор они не достигли значительного успеха.

Коллективные методы состоят из следующих элементов: источник ускоряющих частиц (электронов, протонов, античастиц); генераторы электрических или электромагнитных ускоряющих полей; вакуумный сосуд, в котором ускоряются частицы (в плотной газовой среде ускоряются заряженные частицы); ускоритель масс. В УУТ могут отсутствовать следующие элементы: устройства для ввода (инжекции) и вывода (эжекции) пучка из камеры; фокусирующие устройства, обеспечивающие длительное движение частиц без удара о стенки вакуумной камеры; магниты, искривляющие траектории ускоренных частиц; устройства для тестирования и коррекции положения и конфигурации ускоренных пучков. В зависимости от особенностей ускорителя, один или несколько из вышеперечисленных элементов могут отсутствовать.

В целях безопасности радиационные установки окружены стенами и защитными пластинами (биологическая защита). Толщина и выбор защитного материала зависит от энергии и интенсивности ускоренных пучков. В целях безопасности ускорители с энергией выше нескольких ГэВ обычно размещаются под землей.

Различают ускорители прямого действия и высоковольтные ускорители (ускорение в постоянном электрическом поле), индуктивные ускорители (ускорение в вихревых электрических полях, возникающих в результате изменения магнитной индукции) и резонансные ускорители, использующие для ускорения электромагнитные поля V CH. Все современные ускорители для чрезвычайно высоких энергий относятся ко второму типу.

Современные ускорители можно разделить на два больших класса: Линейные ускорители и циклические ускорители .. В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. Ускорительные станции расположены по всей длине этих ускорителей. Крупнейшим действующим линейным ускорителем является ускоритель электронов в Стэнфордском университете. (Ускоритель электронов в Стэнфорде) имеет длину около мили (3,05 км). Миля в длину (3,05 км). Мощные потоки частиц могут быть получены в линейном ускорителе, но при высоких энергиях они слишком дороги. U. циклический. У. В циклических ускорителях “движущее” магнитное поле изгибает траектории ускоренных частиц, закручивая их в круги (кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротронов>. .такие U. В цикле ускорения частицы ускоряются одним или несколькими ускорительными устройствами, к которым частицы неоднократно возвращаются в течение цикла ускорения.

Следует проводить различие между ускорителями легких частиц (электронов и позитронов), которые обычно называют ускорителями электронов, и ускорителями тяжелых частиц (протонов и ионов).

Ускорители электронов. Характеристики ускорителей электронов связаны с двумя причинами. Скорость электронов и позитронов уже при низких энергиях (несколько МэВ) мало отличается от скорости света и обычно может быть принята за константу, что упрощает U. С другой стороны, электроны и позитроны в магнитных полях теряют много энергии на электромагнитное излучение (синхротронное излучение> .. В циклическом U. U. цикличны, эти потери либо вызывают большие U. (при больших радиусах кривизны потери от синхротронного излучения уменьшаются), либо требуют мощных ускорительных станций, что значительно увеличивает стоимость U. Синхротронное излучение играет положительную роль: оно приводит к уменьшению размеров ускоренного пучка, что облегчает строительство магазинычто делает возможным проведение экспериментов с Входящие лучи.

Электронное кольцо У. используется в качестве источника синхротронного излучения в ультрафиолетовом или рентгеновском диапазоне. Из-за высокой плотности излучения и его резкого циклического выравнивания. Они являются уникальным источником электромагнитных волн в указанных диапазонах. Высокие потери на эмиссию электронов часто заставляют отдавать предпочтение линейным усилителям.

Ускорители тяжелых частиц (Ускорители тяжелых частиц (в основном протонов) существенно отличаются от ускорителей электронов.

ТэВ) практически не существует, а поддержание высоких ускорений обычно нерентабельно (поскольку мощность, потребляемая для питания ускорительных станций, пропорциональна квадрату электрической энергии). поле и быстро растет с увеличением скорости ускорения). Отсутствие значительного синхротронного излучения приводит к тому, что амплитуда поперечных колебаний частиц во время цикла ускорения затухает относительно медленно (как квадратный корень из импульса частицы), и устойчивость движения нарушается даже при относительно слабых возмущениях в отсутствие специальных мер. Все высокоэнергетические тяжелые частицы U. принадлежат к циклическому типу. ^iV

В 90-е годы все большее значение стали придавать накопительным и противовращательным кольцам, в которых плотные пучки заряженных частиц циркулируют в течение длительного времени, не меняя своей энергии. Эти кольца используются для генерации реакций между противоположными частицами (пучки “спина к спине”), для накопления ионов и частиц, непосредственно не существующих в природе (позитроны и антипротоны), а также для генерации синхротронного излучения. При взаимодействии частиц, движущихся относительно друг друга, может быть реализована вся энергия, переданная им при ускорении, тогда как при взаимодействии ускоренных частиц с неподвижными частицами большая часть энергии возникает в результате движения центра масс частицы и не участвует в реакциях.

Историческая справка. Разработка У. началась в 1920-х годах и была направлена на деление ядер. Раньше, чем другие, они были разработаны электростатические генераторы [R. Ван де Грааф] и каскадные генераторы. (Дж. Кокрофт и Э. Уолтон), относящийся к классу U. прямого действия, за которым последовал первый циклический резонансный U. – циклотрон [Э. Лоуренс, 1921]. В 1940 году Р., Д. Керст построили первый У. индукционного типа – бетатрон.

В 1940-х годах появились теоретические работы, в которых изучалась устойчивость ускоренных частиц. В первых работах этого цикла [В. И. Векслер и американский физик Э. Макмиллан (E. McMillan)] рассмотрели устойчивость продольного (фазового) движения, сформулировали принцип этофаза. Затем последовала работа над теорией поперечного движения частиц бета-трона, которая привела к открытию сильной (знакопеременной) фокусировки [Н. Н. Христофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952], являющейся основой всех современных больших U.

Быстрое развитие технологии мощных ВЧ измерителей мощности, которое произошло во время Второй мировой войны 1939-45 годов, позволило начать производство высокоэнергетических линейных преобразователей постоянного тока. Электронно-линейные СВ использовали электрическое поле бегущей волны дециметрового диапазона в мембранных волноводах, а протонно-линейные СВ использовали резонаторы метрового диапазона, разработанные Л. Альваресом, нагруженные пролетными трубками. В ранней части этих Q-переключателей все чаще использовались высокочастотные квадрупольные Q-переключатели. Высокочастотная квадрупольная фокусировка (английское обозначение RFQ), в создании которого главную роль сыграли В. В. Владимирский, И. М. Капчинский и В. А. Тепляков.

Построение циклического U. Циклические U. все чаще используют сверхпроводящие магнитные системы. Сверхпроводящие магниты используются в циклотронах для создания постмагнитных полей и в протонных синхротронах. Протонные синхротроны-для генерации медленно (в течение многих секунд) меняющихся магнитных полей. Крупнейший действующий протонный синхротрон “Тватрон” (США) работает именно таким образом.

До 1980-х годов основные открытия в физике частиц были сделаны на протонных синхротронах. Сегодня много интересных результатов получено в кольцевых электрон-позитронных и протон-антипротонных ускорителях с противоположными пучками (колыбелями). Преимущества таких ускорителей по сравнению с обычными ускорителями: 1) фундаментальное увеличение энергии взаимодействия (в системе центра масс); в ультрарелятивистском случае, который всегда имеет место в сталкивающихся пучках, энергия увеличивается в 1,5-1,4 раза. в столкновениях быстрых частиц со стационарными ядрами-мишенями до в коллайдерах (т-массы сталкивающихся атомов и атомов-мишеней, -2) резкое снижение фона от посторонних реакций. Основным недостатком коллайдеров является значительное (на несколько порядков) уменьшение количества взаимодействий (за один и тот же промежуток времени). В 1961 году была освоена техника У. кольца со сталкивающимися электрон-позитронными пучками. (ускоритель с энергией 2 × 250 МэВ во Фраскатти, Италия), а установки со сталкивающимися протонными и антипротонными пучками появились только после того, как были предложены методы электрон-позитронных столкновений (А. М. Будкер, 1967). M. Budker (1967) и с т р а т и г р а ф и я [S. Van der Meer, 1972] для охлаждения тяжелых частиц (ср. Охлаждение пучка из тяжелых частиц (см. Пучковое охлаждение частиц). Все больше внимания уделяется разработке нетрадиционных продуктов. Первая из этих работ была начата Векслером, А.М. Будкером, Дж.Б. Файнберг и другие. Эта работа была начата В. И. Векслер, А. М. Будкер и Дж. Б. Файнберг. Однако такие ускорители еще не разработаны.

Ускорители с прямым действием. В этих ускорителях заряженные частицы получают энергию в постоянных или квазипостоянных (не меняющихся в течение времени, за которое частицы получают свою полную энергию) электрических полях. Энергия, полученная частицами в этом случае, равна их заряду, умноженному на пройденную разность потенциалов. Максимально достижимая энергия частиц в ЦОС прямого действия определяется наибольшей разностью потенциалов (15-18 МБ), которая может быть получена без выхода из строя физических установок. Во всех практических ускорителях прямого действия последний электрод ускоряющей системы находится под потенциалом земли, поскольку только таким образом электроды могут быть удалены из устройства. Частицы не теряют энергию, которую они приобрели, продолжая двигаться.

Усилители прямого действия включают электростатические генераторы, каскадные генераторы и каскадные генераторы и ускорители перезаряда (или тандемные ускорители). Ускоренные частицы в этих ускорителях движутся внутри и вдоль трубки из изоляционного материала (обычно фарфора), внутри которой создается вакуум, необходимый для свободного движения ускоренных частиц, а снаружи (под высоким давлением) подается тщательно высушенная бескислородная газовая смесь (обычно азот, легированный гексафторидом серы) для предотвращения образования электрических разрывов. Между электродами на концах трубки создается ускоряющая разность потенциалов (Фото 1). Электрическое поле, направленное вдоль оси трубки, выравнивается металлическими разделительными кольцами, которые подключены к омическому делителю напряжения.

Делитель напряжения соединен металлическим кольцом. Высокое напряжение создается с помощью быстро движущейся ленты из изоляционного материала, например, резины. В низковольтной части системы на ленту подается электрический заряд. Этот заряд сбрасывается на ленту с металлических игл, которые заряжаются от специального генератора до максимального значения в несколько десятков кВ. Движущаяся лента переносит заряд к высоковольтной части ленты, которая находится внутри полого металлического экрана. Там заряд снимается с ленты теми же иглами и стекает с них на внешнюю поверхность колпачка. Потенциал колпачка (и всего оборудования внутри него, включая источник ионов и электрод высоковольтной лампы) неуклонно растет по мере поступления зарядов и ограничивается только рефракцией.

Рисунок 1: Схема трубчатого ускорителя.

В каскадных ускорительных трубках для создания большой разности потенциалов используются схемы умножения напряжения.

Отрицательные напряжения сначала ускоряют ионы (атомы, содержащие дополнительный электрон), а затем, после удаления двух (или более) электронов, положительные ионы, образовавшиеся во время стриппинга. И источник, и выход этих ускорителей находятся под потенциалом земли, а высоковольтный электрод, оснащенный насадкой для снятия кожи, расположен в центре ускорителя. Аккумуляторные ускорители могут вырабатывать вдвое больше энергии (и даже больше во время глубокого обдирания) без сбоев.

Индукционные ускорители. Для индукции. Индукционные ускорители . Индукционные ускорители включают бетатроны и линейные индукционные . У.

Рисунок 2: Схематическое поперечное сечение бетатрона: 1 – магнитные полюса; 2-секция кольцевой вакуумной камеры; 3-ядро; 4 – обмотки электромагнита; 5 – магнитное ярмо.

Принципиальная схема бетатронного устройства показана на рисунке 2. Ускоренные частицы (электроны) движутся в кольцевой вакуумной камере 2помещенный в паз электромагнита1 – полюса магнита). Они ускоряются под действием электрического поля, которое индуцируется изменениями в магните. поток, проникающий на орбиту ускоренных частиц. Основная часть этого потока проходит через ядро 3Основная часть этого потока проходит через ядро, расположенное в центральной части бетатрона. Обмотки 4 Обмотки питаются переменным током. Конфигурация магнитного поля в бетатроне должна удовлетворять двум условиям: 1) магнитная индукция на центральной орбите должна соответствовать изменяющейся энергии электронов; 2) конфигурация магнитного поля в вакуумной камере должна обеспечивать стабильность поперечного движения электронов, или, как его еще называют, стабильность их бетатронные осцилляции (см. ниже). Кольцевые усеченные магнитные полюса над и под камерой создают необходимое для такой устойчивости поле, спадающее к периферии (рис. 8, б).

Идея бетатронного метода ускорения была высказана в 1922 году Дж. Слепианом (рис. 8б). J. Slepian, а основы теории были разработаны в 1948 году R. R. Wideroe. Первый бетатрон был построен в 1940 году. Простота и надежность бетатронов обеспечили их широкое применение в технике и медицине (в диапазоне энергий 20-50 МэВ).

В линейных индуктивных ускорителях линии электрического поля (с напряженностью Е) направлены вдоль оси ускорителя. Электрическое поле индуцируется изменяющимся во времени магнитным потоком, который проходит через круговые ферритовые катушки, расположенные одна за другой (рис. 3). 1 (рис. 3). Магнитный поток индуцируется короткими импульсами тока (десятки или сотни нс), которые проходят через одновитковые обмотки, окружающие индукторы. 2Импульсы тока проходят через одиночные витые обмотки, окружающие индукционные катушки. Индукционные катушки концентрируют продольное магнитное поле, которое генерируется катушками 3Продольное магнитное поле создается катушками внутри индукторов. Линейные индукционные пульсаторы позволяют получать рекордные (килоамперные) токи; самый мощный из действующих пульсаторов, ATA (США), ускоряет электроны до энергии 43 МэВ при токе 10 кА. Длительность импульсов тока составляет 50 нс.

Рис. 3. Принципиальная схема линейного индукционного ускорителя акселератор: 1– индукционный сердечник 2– возбудитель намотка 3-фокусирующая катушка.

Резонансные ускорители. Резонансные ускорители используют продольные высокочастотные электрические поля для увеличения энергии заряженных частиц. Ускорение в этих полях возможно при выполнении одного из двух условий: либо ускоряемые частицы должны двигаться вместе с электромагнитной волной, сохраняя свое положение относительно нее (резонансные ускорители), либо они должны взаимодействовать с ней только в те моменты времени, когда электрическое поле имеет нужное (ускоряющее) направление и нужную величину (специфические резонансные ускорители). Участки, на которых частицы взаимодействуют с ускоряющим полем, называются ускоряющими и ускоренными деформациями или резонансными деформациями. На остальном пути частицы не подвержены влиянию ВЧ-поля либо потому, что его просто нет, либо потому, что частицы экранированы от него.

У. Основное применение распространителей бегущей волны – ускорение легких частиц (электронов и позитронов), которые уже при малых энергиях имеют скорость, очень близкую к скорости света. Фазовая скорость электромагнитных волн в вакуумных волноводах всегда больше скорости света; нагружая волноводы системой перфорирующих мембран, скорость волн можно замедлить, но не очень сильно. Поэтому бегущие U-волны не используются для ускорения медленных частиц.

.

Рис. 4 Принципиальная схема ускорителя Видероэ: 1 -пролет трубы f; -генератор колебанийHF; 3-пространственный ускоритель;

Линейные резонансные ускорители. Простейшая резонансная система U.-U.S. V i d e r o e (рис. 4). Металлические трубки, разделенные вдоль траектории луча, подключаются (одна за другой) к полюсам радиочастотного генератора. В ускоряющих зазорах (зазорах между противоположно заряженными распорными трубками) создается продольное электрическое поле. Создается высокочастотное поле в сотни кВ. Частицы, приближающиеся к ускоряющему зазору в нужный момент, ускоряются электрическим полем, а затем “втягиваются” в следующую расширительную трубку. Длина трубки и скорость частиц подбираются таким образом, чтобы частицы подходили к следующей щели, когда электрическое поле имеет нужное направление и величину, т.е. ту же фазу, что и в предыдущей щели ускорения. Для этого должно быть выполнено следующее условие

где / – длина трубы и ускоряющей щели; – скорость частицы, выраженная как доля от скорости света z; -это длина волны электромагнитного колебания (в полости); п-это любое целое число. Таким образом, ускоренный пучок состоит из цепочки сгустков (пучков) частиц, прошедших через ускоряющие щели с соответствующей фазой колебания электрического поля. При проектировании линейной U. конструкции важно выбрать соответствующую длину не только раскосных труб, но и ускоряющих щелей. Эти длины должны быть, с одной стороны, достаточно большими, чтобы выдержать значительные напряжения (сотни кВ, а иногда и мегавольты), а с другой стороны, достаточно малыми, чтобы фаза ВЧ-колебаний не изменялась слишком сильно во время прохождения частицы.

По мере увеличения скорости частиц ускорители Видероэ становятся неэффективными и уступают место ускорителям Альджареза. В них ходовые трубки подключены не к осциллятору, а одна за другой внутри длинного цилиндрического резонатора, в котором возбуждаются электромагнитные колебания. ВЧ-поле, распределенное как в цилиндрическом резонаторе вдали от летающих трубок, концентрируется в щели ускорителя на оси резонатора. Расположение элементов “щель ускорителя – расширительная трубка – щель ускорителя” и т.д. остается таким же, как в ускорителях Видероэ, но условие (1) принимает вид

Линейные резонансные У. работают эффективно, если в них вводятся достаточно быстрые частицы, предварительно ускоренные с помощью прямого или переменного частотного ЦОС. – v

Циклотроны-являются самыми простыми и исторически первыми циклотронными устройствами (рис. 5). В современном понимании циклотроны называют резонансными циклическими насосами. В современном понимании циклотронами называют резонансные циклотроны, которые работают при постоянной частоте ускоряющего ВЧ-поля и не изменяются во времени. В обычных циклотронах магнитное поле азимутально симметрично и почти не зависит от радиуса, а траектории ускоренных частиц выглядят как вращающиеся спирали. Обычные циклотроны используются для ускорения тяжелых нерелятивистских частиц – протонов и ионов. Вакуумная камера циклотронов ограничена цилиндрической внешней стенкой и двумя плоскими, горизонтально расположенными крышками. Электромагнитные полюса в обычных циклотронах создают в камере почти однородное (слегка убывающее к периферии) магнитное поле. Ускоряющий зазор образуется срезами двух полых полуцилиндрических электродов в камере, обращенных друг к другу, – дуантов. Дуанты соединены с полюсами высоковольтного генератора четвертьволновыми линиями.

Рисунок 5: Схема циклотронного устройства.

На частицу, движущуюся по окружности, действует центростремительная сила Лоренца равна центробежной силе где r – радиус кривизны траектории, с сайта-это заряд частицы. Таким образом, переходя на более удобные единицы, получаем

где rs-это произведение импульса частицы р до скорости света с – выражается в МэВ, индукция магнитного поля В измеряется в теслах, а r – в метрах.

Предельная энергия, достижимая с помощью обычных циклотронов, составляет около 20 МэВ для протонов, а частота ускоряющего поля (при В = 2 Tesla)- о. 30 МГц. При высоких энергиях ускоряемые частицы становятся рассинхронизированными с ускоряющим напряжением из-за необходимого уменьшения ускоряющего поля для обеспечения поперечной стабильности. В от центра к периферии и из-за релятивистских эффектов.

Обычные циклотроны обычно используются для производства изотопов и во всех других случаях, когда протоны (или ионы) с энергией до 20 МэВ (или

20 МэВ/нуклон). Если необходимы протоны с более высокими энергиями (до нескольких сотен МэВ), используются циклотроны с азимутальным изменением магнитного поля. Устойчивость поперечного движения в таких циклотронах достигается за счет отказа от азимутальной симметрии магнитного поля и выбора его конфигурации, что позволяет сохранить устойчивость движения даже при значениях магнитной индукции, возрастающих (в среднем) к периферии.

Процесс ускорения в циклотронах является непрерывным: в одно и то же время одни частицы только покидают ионный источник, другие находятся на полпути, а третьи завершают процесс ускорения. Типичные токи внутреннего пучка в циклотронах составляют около 1 мА, ток выходного пучка зависит от эффективности выброса и от термической стабильности выходных пленок; обычно он составляет несколько десятков мкА.

Фазотроны. В фазотронах магнитное поле постоянно во времени и сохраняется его цилиндрическая симметрия. Магнитное поле уменьшается к периметру, частота частиц с повышенной энергией уменьшается, соответственно уменьшается частота ускоряющего поля. В этом случае нет ограничения на энергию ускоренных частиц, но интенсивность ускоренного пучка явно снижается (на несколько порядков). Изменение частоты ускоряющего поля приводит к разбиению процесса ускорения на циклы: новая порция частиц может быть введена в фазотрон только после завершения ускорения предыдущей порции и восстановления частоты до исходного значения. Обычный рабочий диапазон фазотронов составляет от нескольких сотен до тысячи МэВ. При дальнейшем увеличении энергии магниты становятся слишком большими, их масса и стоимость чрезмерно возрастают. В последнее время (1990-е годы) новые фазоротроны не строились. Для энергий до нескольких сотен МэВ используются циклотроны с азимутальным изменением магнитного поля, а для ускорений до высоких энергий – синхротроны.

Синхротроны Синхротроны используются для ускорения частиц всех типов, синхротроны для электронов и синхротроны для протонов и других ионов (старое название синхрофазотроны, см. А.В.). протонный синхротрон). Энергия, до которой ускоряются частицы в синхротронах, ограничена для электронов мощностью синхротронного излучения, а для протонов и ионов только размером и стоимостью Y.

В синхротронах орбита, по которой движутся частицы, остается постоянной во время ускорения. Движущее магнитное поле генерируется только вдоль узкой дорожки, закрывающей кольцевую вакуумную камеру, в которой движутся частицы. Как следует из (3), при условии W радиуса магнитная индукция должна возрастать пропорционально импульсу ускоренных частиц. Частота оборотов z (при постоянной длине орбиты) связана с угловым моментом формулой

где -это частота, с которой частица, движущаяся со скоростью света, обращается вокруг синхротрона. Частота ускоряющего поля может совпадать с частотой частицы или превышать ее во много раз (это называется частотой вращения). Таким образом, в электронных синхротронах (которые всегда имеют p>>mc ) частота ускоряющего поля постоянна, а индукция магнитного поля увеличивается. В протонных синхротронах индукция магнитного поля и частота ускоряющего напряжения увеличиваются в течение цикла ускорения.

Микротроны-циклический У. У. с постоянным магнитным полем и приращением энергии за оборот, равным энергии покоя электрона (0,511 МэВ). Если весь прирост энергии происходит за одно короткое время, то в фиксированном магнитном поле частицы переходят с одной круговой орбиты на другую. Все эти орбиты вступают в контакт друг с другом в месте расположения ускорителя. Энергия электронов в таких ускорителях достигает нескольких десятков МэВ.

Размеры ускорителей. Ускорительные комплексы .. Длина линейного ускорителя зависит от энергии ускоряемых частиц и скорости ускорения, а радиус кривизны орбиты кольцевых ускорителей зависит от энергии частиц и максимальной индукции движущего магнитного поля.

Современные линейные ускорители электронов имеют скорость ускорения 10-20 МэВ/м, а ускорители протонов – 2,5-5 МэВ/м. Увеличение скорости ускорения сталкивается с двумя основными трудностями: увеличение резистивных потерь в стенках полости и риск электрических сбоев. Для уменьшения резистивных потерь можно использовать сверхпроводящие резонаторы (первые такие резонаторы уже начали работать); во избежание сбоев распределение электрического поля в резонаторах тщательно сглаживается, избегая локальных неоднородностей. Возможно, что скорость ускорения в линейном протонном У. может быть увеличена во времени на порядок.

Размеры циклического U. связаны с индукцией движущего магнитного поля формулой (3). При ускорении униполярной частицы и среднем по кольцу значений Tl (что соответствует эта ф-ла дает (м). Поэтому U при энергии 1 ТэВ должна иметь окружность, равную

20 км. Такие ОК строятся под землей для защиты от радиации. Огромные размеры высокоэнергетических СЭ приводят к капитальным затратам в миллиарды долларов.

Приведенные выше оценки относятся к РН, содержащей железное ярмо. Увеличить B макс выше 1,8 Тесла невозможен из-за насыщения железом, но может быть достигнут путем перехода на сверхпроводящие магнитные системы. Первый такой СВ – Теватрон – уже работает в Лаборатории Ферми в США. Теватрон уже работает в Лаборатории Ферми в США. Магнит. При температуре 4 К поле в блоках, намотанных с сердечниками из NbTi в медной матрице, может быть увеличено до 5-5,5 Тесла, а при понижении температуры до 1,8 К или переходе на NbSn – до 8-10 Тесла. (сплав NbSn не используется в производстве ускорителей из-за своей хрупкости). Дальнейшее понижение температуры позволяет перейти к еще более высоким магнитным полям, но это экономически не привлекательно; размеры У. уменьшаются, но увеличивается количество дорогих и энергоемких криогенных устройств.

Менее строго определены минимально допустимые значения В. В U. с железным ярмом B мин. должно быть не менее (6-10) . 10

3 Т, поскольку остаточные магнитные поля, которые обычно имеют неблагоприятное пространственное распределение, вносят слишком большой вклад в общую магнитную индукцию при более низких полях. Соотношение B max /.B мин, а значит и отношение импульсов индуцированных и инжектированных частиц в U. В сверхпроводящих магнитных системах этот диапазон оказывается еще меньше, поскольку вихревые токи в сверхпроводящих проводниках сильно влияют на пространственное распределение магнитной индукции при низких полях. Вышеуказанные ограничения являются одной из причин того, что все крупные ускорительные комплексы содержат несколько последовательно работающих U.-инжекторов, один или несколько промежуточных U.-бустеров, один или несколько промежуточных U.-инжекторов. бустеры И, наконец, основной СВ, доводящий заряженные частицы до пороговой энергии, и, возможно, накопительное кольцо. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН показана на рисунке 6.

Строительство и эксплуатация этого комплекса осуществляется и финансируется Альянсом европейских государств. Самая большая единица. Часть чар. Комплекс представляет собой накопительное кольцо LEP [Large Electron Positron (Collider)], которое ускоряет пучки электронов и позитронов до энергии 45 ГэВ. Он расположен в глубоком подземном туннеле и имеет окружность 27 км. В этом туннеле в 1990-х годах планируется построить сверхпроводящий Большой адронный коллайдер (БАК) для ускорения протонов и антипротонов до энергий 7 ТэВ, а позднее и ионов.

Рис. 6: Схематическое изображение ускорительного комплекса ЦЕРН ( Швейцария).

Ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron) будет использоваться для инжекции на БАК, из которого вылетают протоны с энергией около.

450 ГэВ. Окружность этого ускорителя составляет 6,9 км, и он расположен на глубине 40 м под землей. SPS получает тяжелые частицы от протонного синхротрона PS, который в свою очередь получает протоны и ионы от ускорителя Isolde и электроны и позитроны от ускорителя ERA.

В России наибольшее количество протонов (и ионов) PS. (70 ГэВ) работают в Протвинове, недалеко от Серпухова в Московской области. Началось строительство Центра ускорителей и хранилищ (ASSC) с окружностью 21 км. Он предназначен для ускорения протонов и антипротонов до энергии 3 ТэВ. Международный объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Московская область) имеет протонный синхротрон, который ускоряет протоны до 9 ГэВ, фазотрон и сверхпроводящий ускоритель ионов – нуклотрон, который ускоряет ионы до энергии 6 ГэВ/нуклон.

Протонный синхротрон в Институте теоретической и экспериментальной физики в Москве ускоряет протоны до энергии 9 ГэВ.

Фазовые колебания. Как уже упоминалось выше, в У. резонансе пучок ускоренных частиц спонтанно распадается на сгустки. Частицы центрального сгустка приближаются к ускоряющему слоту (в циклическом ЦОС) или к следующему ускоряющему слоту (в линейном ЦОС) в моменты времени, когда фаза ускоряющего радиочастотного напряжения имеет желаемое значение. Эти частицы называются ускоряющими частицами. В процессе ускорения оставшиеся частицы сгустка колеблются вокруг равновесной частицы, то опережая ее, то отставая от нее. Эти колебания называются фазовыми колебаниями. Они сопровождаются флуктуациями энергии и импульса ускоренных частиц по отношению к энергии и импульсу частицы, находящейся в равновесии.

Рассмотрим движение фазы в U-линии. Для простоты предположим, что ускоряющие щели настолько коротки, что частицы проходят через них почти мгновенно. Предположим, что частица подходит к зазору позже, чем равновесная частица. Для того чтобы он начал догонять, он должен получить больше энергии, проходя через разрыв. Напротив, частица, которая достигает зазора раньше, чем равновесная частица, должна получить меньше энергии.

На рис. 7 синусоидальная кривая показывает изменяющуюся во времени интенсивность Е ускоряющего радиочастотного поля изменяется со временем. Пунктирная линия показывает напряжение, которое должно существовать, когда частица переходит в состояние равновесия, чтобы она достигла следующего промежутка времени. В каждый период изменений Е есть две такие точки: С и D. Однако легко видеть, что это движение устойчиво только в точке C. Только в этой точке напряженность поля увеличивается в более поздние периоды и уменьшается в более ранние.

Рис. 7. Для обсуждения принципа автофазы.

Детальный анализ продольного движения частиц показывает, что для достаточной амплитуды ВЧ-колебаний всегда существует область устойчивого фазового движения – в данном случае область вокруг точки С. Это утверждение называется принципом принцип аутофазы ..

В циклических У. от энергии зависит не только скорость частиц, но и длина пути, который они проходят от предыдущего разрыва ускорения до следующего (если их несколько), а также окружность траектории. Введем коэффициент удлинения орбиты .

где L – окружность орбиты, р-это импульс частицы. Изменение времени, необходимого частице для перехода в состояние U, зависит от ее импульса и описывается законом f

где g – коэффициент Лоренца частицы, В линейном U. a = 0, и устойчивая точка является С. В циклическом U . точка C стабильна, и в точка D. Энергия, при которой эти точки меняются местами, соответствует соотношению

Энергия, при которой эти точки меняются местами, соответствует соотношению и называется энергией перехода. В этот момент фаза ускоряющего напряжения должна быть перенесена из одной “синхронной точки” в другую. При приближении к критической энергии частоты фазовых колебаний (в циклической У. их часто называют радиально-фазовыми колебаниями) уменьшаются и фазовые размеры сгустков быстро уменьшаются, а рассеяние импульса (и энергии) частиц увеличивается. При прохождении через критическую энергию влияние различных типов неустойчивости возрастает. В зависимости от характеристик конструкции УС – от значения a – критическая энергия может лежать внутри или вне диапазона рабочей энергии.

Проблема боковой устойчивости. Бетатронические вибрации.. В больших кольцах U. частицы при разгоне проходят расстояние, измеряемое сотнями тысяч или даже миллионами километров. В системах хранения таким образом работают несколько тысяч человек. на порядок больше, а в малых У. на несколько порядков меньше, но он всегда очень велик по сравнению с диаметром вакуумной камеры, поперечные размеры которой обычно не превышают двух десятков сантиметров. Столкновение частиц со стенками камеры приводит к их потере. Поэтому ускорение возможно только при тщательно рассчитанной и выполненной системе фокусировки.

При любом значении ускоряющей энергии частиц (в диапазоне устойчивости фазовых колебаний) кольцо U. имеет замкнутую (устойчивую) орбиту. Находясь в вакуумном контейнере U., частицы движутся в окрестности этой орбиты, создавая в ее окрестности Бетатронные осцилляции Частоты этих колебаний намного выше частот фазовых колебаний, поэтому в случае изучения бетатронных колебаний энергию ускоренных частиц и положение замкнутой орбиты можно считать постоянными.

По теоретическим причинам частоты этих колебаний намного выше, чем фазовые частоты. При рассмотрении бетатронных осцилляций обычно изучают области, которые ускоренные частицы занимают в “фазовых плоскостях” (r, p r )и (z, p z ), где r и z – горизонтальные и вертикальные координаты частицы (r = R – R 0 , где R-это радиус частицы R 0 – радиус равновесной траектории), и п р и p z – являются соответствующими компонентами его импульса. В неискаженном движении эти области имеют форму эллипса. Согласно Теорема Лиувиллязначения областей не изменяются во время движения. Во время ускорения частицы пересекают многочисленные неоднородности магнитного и электрического поля. В этом случае область, занимаемая лучом в фазовом пространстве, может иметь сложную форму, так что увеличивается значение эффективной площади – площадь описанного эллипса. В тщательно настроенном U. такого увеличения не происходит. В случае комбинации горизонтального и вертикального движений каждая из вышеуказанных областей не сохраняется, но объем, занимаемый балкой в четырехмерном пространстве (r, z, p r , p z ).

Практическое значение обычно имеет площадь, занимаемая лучом не в фазовых плоскостях, а в плоскостях (r, q r ), (z, q z ), где q r и q z -углы, образованные скоростями частиц с касательной к равновесной орбите. Эти области называются г р а ж д а н с к и м и излучателями (или р а д и о н а м и ) и в е р т и к а л ь н ы м и излучателями (или с и с т е м а м и ). излучатели радиус e r i e z . Переход от импульсов к углам задается f

где р-это продольная составляющая импульса, которая почти равна полному импульсу; р 0 = tc. Из теоремы Лиувилля следует, что интегралы движения являются pe r и pe z или, в зависимости от ситуации, bge r и bge z bge r или bge z, соответственно, которые называются em t e n e r m a n t s .

Из вышесказанного ясно, что при ускорении нормализованные излучатели остаются неизменными, а нормализованные излучатели e r и д z уменьшаются как 1/bg. Соответственно уменьшаются поперечные размеры балки.

Наиболее важной характеристикой любой трубки Рэлея является коэффициент поглощения, т.е. наибольшее излучение, которое данная трубка пропускает без потерь. Высокая интенсивность ускоряющего пучка может быть достигнута только при использовании пучка с достаточно большим межосевым расстоянием.

Для данного размера вакуумной камеры скачок ускорения пропорционален максимальному углу, который может образовать траектория частиц с равновесной орбитой, и поэтому обратно пропорционален длине волны бетатрона. Поэтому вертикальное и горизонтальное ускорения U пропорциональны числу колебаний бетатрона за оборот Q r и Q z, увеличение которого поэтому желательно. Желательно увеличить число колебаний бетатрона Q Q r и Q z близки друг к другу. Если оба значения меньше 1, фокусировка индуцируется. Если значение больше 1, то это будет накопление накопления.

Все целые и полуцелые значения Q r и Q z запрещены. С целым числом Q частицы возвращаются к элементам магнетрона в той же фазе бетатронного колебания, влияния ошибок поля суммируются и возникает резонансная раскачка колебания (естественный резонанс). Вблизи целочисленных значений существуют запрещенные области частот, где рост колебаний, хотя и ограниченный по величине, оказывается неприемлемо большим, например, превышающим размеры вакуумной камеры.

Полуцелые значения Q r и Q z запрещены из-за образования п а р а м е т р о в – резонансных колебаний, возникающих из-за неоднородности градиента магнитного поля. В некоторых У., особенно в накопителях, также возникают резонансы более высокого порядка.

В циклическом усилении резонансы более высокого порядка влияют на фокусировку частиц. Для фокусировки частиц используются поперечные магнитные поля. В однородном опорном поле существует только горизонтальная фокусировка и нет вертикальной фокусировки (Q z =0)Этот результат легко понять, заметив, что при движении частиц в однородном (вертикальном) магнитном поле (B r = 0, B z = const) силы Лоренца не имеют компоненты z, и частицы сохраняют свою начальную осевую скорость. Силы, необходимые для аксиальной фокусировки, возникают только при наличии радиальной составляющей магнитного поля.

Конфигурация магнитного поля зависит от формы полюсных наконечников. На рис. 8 (a) и 8(б) показывают вершины полюсов во вращательной форме (вокруг оси z). На рис. 8 (а) показывает плоские столбы, создающие однородное вертикальное поле, эти поля не создают осевого фокуса. На рис. 8 (б)показывает картину поля, возникающего между полюсами, создавая зазор, простирающийся к периферии. В этом случае сила Лоренца приобретает фокусирующую (возвращающуюся в центральную плоскость) осевую составляющую. Однако появление осевой фокусировки сопровождается ослаблением радиальной фокусировки: частицы, отклоненные к периферии, возвращаются на равновесную траекторию медленнее, поскольку попадают в более слабое поле.

Рис. 8. а-магнитные силы в однородном поле; б-магнитные силы в поле, уменьшающиеся к периферии.

Проблема фокусировки также важна в линейных пучках, хотя она не так критична, как в кольцевых пучках: длина пути частиц в линейных пучках коротка, и ускоренные частицы не возвращаются к уже пройденным возмущениям поля.

В циклических бустерах, магнитная система которых обладает азимутальной симметрией, f

Одновременная радиальная и осевая стабильность и осевой Бетатронные осцилляции в этом случае возможны только при со слабой фокусировкой (см. напр. сравнение радиальных и аксиальных бетатронных осцилляций). Фокусировка частиц в ускорителе ).При сильной фокусировке области, которые фокусируются по z и те, которые размываются по r rНаиболее сильные области фокусировки, z и дефокусировки r чередуются с областями горизонтальной фокусировки и вертикальной дефокусировки. В последующих разделах, при соответствующем выборе градиентов магнитного поля и геометрии магнита, система в целом фокусируется, и обе результирующие бетатронные частоты могут значительно превышать единицу.

В У. с сильной фокусировкой используются квадрупольные магниты или электрические магниты. (при низких энергиях ускоренных частиц) поле. На рис. 9 (а) показана линза с квадрупольным магнитом, дающая фокусировку в вертикальном направлении (вдоль оси z) и дефокусировку по радиусу r магнитное поле. Вакуумная камера размещается вдоль оси линзы, между ее полюсами (не показаны). Положительно заряженные частицы “летят” в сторону читателя. Точки и стрелки указывают на четыре такие частицы и действующие на них силы Лоренца. В случае радиальной фокусировки (и фокусировки в z z) линзы магнитного полюса N и S полюса поменялись местами. В круговом U. магниты, создающие движущее магнитное поле, размещаются между линзами. Они генерируют однородное магнитное поле, направленное вдоль оси z. В некоторых зарядных устройствах используются магниты с комбинированными функциями. Их магнитное поле содержит как дипольные (движущее поле), так и квадрупольные компоненты (рис. 9, б).

Рекс. 9. а-квадрупольная магнитная линза; б-магнитный блок с комбинированными функциями.

Для поперечной фокусировки в U. линейной можно попытаться использовать электромагнитную волну, ускоряющую частицы. Однако для обычных волн E-для поперечных колебаний точки, соответствующие стабильному движению фазы, оказываются неустойчивыми и наоборот. Чтобы обойти эту трудность, можно применить переменную знака фазовой фокусировки (точки С и D на рис. 7 последовательно сменяют друг друга) или отталкиваться от азимутальной симметрии электрического поля в резонаторе (квадрупольная ВЧ фокусировка). Чаще, однако, для поперечной фокусировки используются квадрупольные поля, создаваемые специальными магнитными линзами. С 1980-х годов для изготовления таких линз начали использовать стержневые магниты (сплав SmCo).

Эффекты, связанные с интенсивностью .. Помимо резонансов, возникающих в результате взаимодействия пучка с внешними полями, при высоких интенсивностях пучка возникают различные неустойчивости из-за взаимодействия частиц пучка друг с другом, с элементами вакуумной камеры и ускорительной системы, а также в U. с контр-балками – от взаимодействия балок друг с другом. Простейшим из этих эффектов является кулоновский сдвиг частоты бетатронных колебаний. Электрическое поле пучка отталкивает внешние частицы к периферии и не действует на центральную частицу сгустка. В результате частоты колебаний бетатронных частиц в пучке начинают отличаться от частоты колебаний центра тяжести пучка. Если эта разница превышает расстояние между ближайшими запрещенными значениями Qто при любом значении U. часть луча неизбежно теряется. Электростатическое отталкивание частиц также влияет на фазовые колебания пучка (в частности, приводит к эффекту “отрицательной массы”).

Пучок ускоренных частиц взаимодействует со своим электростатическим изображением в вакуумной камере и с объектами, размещенными в ней (полости ускорительных станций, датчики измерительных приборов, детали и входы вакуумной системы и т.д.) Сила, действующая на каждую частицу, пропорциональна сдвигу пучка в камере относительно равновесной траектории и его линейной плотности. В результате этого взаимодействия возникают электромагниты. поля, действующие на позднее летящие частицы (“эффект H o l o w – x w o c t “) и на сами частицы, которые вызвали появление полей после возвращения этих частиц в возбужденную область. Это взаимодействие вызывает ряд эффектов, приводящих к потере устойчивости пучка. Помимо уже упомянутого эффекта “головы и хвоста”, могут иметь место п е р е с е ч е н и е (взаимодействие с электрическим изображением пучка, движущегося вдоль камеры, которое имеет фазовую задержку из-за конечной проводимости стенок камеры), микроволновая нестабильность (взаимодействие с объектами, которые могут быть возбуждены на высоких частотах) и другие.

Ускорители поперечных пучков (коллайдеры). При генерации новых частиц в процессе столкновения выделяемая энергия должна быть равна или больше энергии покоя зарождающихся частиц, т.е. сотни МэВ, а иногда и многие десятки ГэВ. При таких больших выбросах энергии не только хим. нуклоны в диске, но и нуклоны в ядре, так что столкновение происходит с одиночными нуклонами или даже с одиночными кварками, образующими нуклон. Так называемый кумулятивные процессыкоторые можно рассматривать как одно столкновение ускоренной частицы с двумя или более нуклонами, представляют научный интерес, но при высоких энергиях наблюдаются очень редко.

Как было сказано выше, столкновения частиц в коллайдерах могут использовать всю энергию, полученную при ускорении, тогда как при столкновении быстрого протона с нуклоном неподвижной мишени используется только часть этой энергии. Таким образом, для создания J/мезон y энергия протона должна быть в 3,7 раза больше энергии покоя J/y-мезона, а для генерации Z 0 -бозона энергия должна быть в 50 раз больше. Поэтому генерация тяжелых частиц на стационарных мишенях катастрофически нерентабельна, и необходимо переходить на коллайдеры. В коллайдерах частицы могут двигаться относительно друг друга либо в одном кольце (частицы и античастицы), либо в двух перекрывающихся кольцах.

Техника обращения с накопительными кольцами, в которых движутся пучки античастиц, очень сложна. Количество ядерных реакций, происходящих в единицу времени, в тысячи раз меньше, чем для стационарных целей, из-за экстремального разбавления пучков. Обычно производительность коллайдера характеризуется следующим образом светимость Яркость, которая представляет собой число, на которое необходимо умножить эффективное сечение исследуемой реакции, чтобы получить количество таких реакций в единицу времени. Светимость пропорциональна произведению интенсивностей сталкивающихся пучков и обратно пропорциональна площади поперечного сечения пучков (если они равны). Поэтому сталкивающиеся пучки должны содержать много частиц и занимать небольшие объемы в фазовом пространстве. Фазовое объемное охлаждение пучков электронов и позитронов под действием синхротронного излучения обсуждалось выше. В то же время фазовый объем протонных пучков уменьшается с ускорением, так как только 1т.е. совершенно недостаточно. А объем, занимаемый пучками антипротонов, оказывается очень большим уже в момент их создания и не сильно уменьшается, поскольку антипротоны создаются при высоких энергиях (порядка нескольких ГэВ). Поэтому пучки антипротонов должны быть до столкновения накоплены и охлаждены, то есть сжаты в фазовом пространстве.

Существует два способа охлаждения пучков тяжелых частиц (протонов, антипротонов, ионов) – электронный и стохастический. Охлаждение электронов происходит путем взаимодействия охлажденных пучков с пучком “холодных” электронов, летящих в некоторой общей области вместе с охлажденными частицами и имеющих одинаковую среднюю скорость. (Температура луча – это средняя энергия его частиц, измеренная в системе координат, движущейся вместе с лучом).

Причина этого в том, что число одновременно охлаждаемых частиц не очень велико. Если только одна частица находится внутри устройства измерения луча, ее отклонение может быть измерено датчиком и затем исправлено корректором. Однако, если несколько частиц находятся внутри измерительного устройства, датчик реагирует на положение их электрических центров тяжести, и колебания не корректируются, а подавляются (при N частицы в устройстве корректируются на одну, а не N параметры). Стохастическое охлаждение происходит постепенно и требует большого количества оборотов.

Обратите внимание, что электронное охлаждение более эффективно при низких энергиях пучка, а стохастическое охлаждение – при не очень высоких числах частиц.

Перспективы развития ускорителей. Среди крупных проектов ускорителей, находящихся в стадии разработки, строительства или уже работающих, можно назвать следующие.

Россия (Троицко, Московская область) завершает строительство “мезонной фабрики” с энергией 600 МэВ и средним током 70 мкА. В 1993 году он уже производил пучок с энергией 430 МэВ. Для производства изотопов используется протонный пучок с энергией 160 МэВ и средним током 100 мкА. В настоящее время в Протвино ведется строительство ускорителя и хранилища (УХХ), предназначенного для ускорения протонов до энергии 3 ТэВ. UNK расположен в подземном туннеле, окружность которого составляет 21 км. Ожидаемая интенсивность частиц за импульс 5 . 10 12 .

В Германии (Гамбург) запущен противопучковый ускоритель (HERA) для изучения взаимодействий протонов (820 ГэВ) с электронами и позитронами (30 ГэВ). Предсказанная светимость

2 . 10 31 см-2. с -1 . Протонный синхротрон содержит сверхпроводящие магниты, а электронный синхротрон – обычные магниты (чтобы не увеличивать потери синхротронного излучения). В оснащении и эксплуатации этой машины участвуют около 37 научно-исследовательских институтов из разных стран.

Германия также разрабатывает линейный коллайдер DESY с энергией частиц 250 x 250 ГэВ (первый вариант) или 500 x 500 ГэВ (второй вариант). В ЦЕРНе (Швейцария) в электрон-позитронном туннеле U. (LEP) начинается строительство коллайдера тяжелых частиц LHC (Large Hadron Collider). Он сможет изучать столкновения между протонами (2х7 ТэВ), протонами и электронами, протонами и ионами (включая свинец, 1148 ТэВ).

Тяжелые ионы могут быть ускорены в ядро-лотроне (Дубна, Россия). Начиная с 1977 года, на протонном синхротроне в Дубне различные ионы ускорялись до углерода (4,2 ГэВ/нуклон, а с 1992 года – до 6 ГэВ/нуклон).

AT Y. “Сатурн” в Сакле, Франция, ускорял ионы вплоть до аргона (до 1,15 ГэВ/нуклон). Ускоритель SPS в ЦЕРНе ускоряет ионы кислорода и серы до 200 ГэВ/нуклон.

В США был разработан самый большой сверхпроводящий суперконденсатор (ССК) с мощностью 2 x 20 ТэВ. Строительство этого ускорителя было отложено.

Международный комитет по науке и технике (ICS) участвовал в разработке SSC. Accelerators рассматривает еще более крупные проекты, которые потребуют совместных усилий развитых стран. Конкретный проект для такого U. еще не определен. Все текущие и предстоящие проекты основаны на известных, проверенных принципах. Новые методы ускорения, описанные выше, могут, если будут доказаны, полностью изменить эти планы.

Использование ускорителей. Помимо научных ускорителей, они имеют и практическое применение. Таким образом, линейные ускорители используются для создания генераторов нейтронов, которые могут быть использованы для производства детекторов нейтронов. нейтронные генераторы для радиационных испытаний материалов, а также активно обсуждаются электронно-ядерные методы производства ядерного топлива и ускорения низкозарядных тяжелых ионов для управляемого инерциального термоядерного синтеза. В Лома Линда (США) завершается строительство специализированного комплекса с протонным синхротроном для радиотерапии. Аналогичный проект рассматривается в России.

Лит: Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. А.. В., Линейные ускорители, Москва, 1969; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, перевод с французского, Москва, 1970; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, Москва, 1975; Линейные ускорители ионов, под ред. Б. П. Мурина, т. 1-2, М., 1978; Бахрушин Ю. А. и др. П., Анацкий А. И., Линейные индукционные ускорители, М., 1978; Лебедев А. Н., Шальнов А. Н., Шальнов А. Н., Основы физики и техники ускорителей, т. 1, вып. 2. В. A. Москалев, “Бетатроны”, Москва, 1981; I. М. Капчинский, “Теория линейных резонансных ускорителей”, Москва, 1982. Л. Л. Голдин.

Электрические заряды могут двигаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводниками. проводники. Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I типа), водные растворы солей и кислот – напр. электролиты (проводники типа II), а также раскаленные газы и другие вещества. Человеческое тело также является проводником. Проводники обладают высокой проводимостью, т.е. хорошо проводят электричество.

Проводники и диэлектрики

Электрические заряды могут перемещаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно протекать, называются проводниками. проводники. Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I типа), водные растворы солей и кислот электролиты (проводники типа II), а также раскаленные газы и другие вещества. Человеческое тело также является проводником. Проводники обладают высокой проводимостью, т.е. хорошо проводят электричество.

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками. диэлектрики диэлектрик (от греческого dia и electric). Эти вещества также называются изоляторы. Электропроводность диэлектриков очень низкая по сравнению с электропроводностью металлов. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шелк, газы при комнатной температуре и другие вещества.

Деление на проводники и изоляторы условно, поскольку проводимость зависит от различных факторов, включая температуру. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при высокой влажности.

Проводники и диэлектрики играют огромную роль в современных приложениях электричества.

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектрики Диэлектрик (от греческого dia – через и электрический). Эти вещества также называются изоляторы. Электропроводность диэлектриков очень низкая по сравнению с электропроводностью металлов. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шелк, газы при комнатной температуре и другие вещества.

Проводники и диэлектрики

Электрические заряды могут перемещаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводники. Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I типа), водные растворы солей и кислот электролиты (проводники типа II), а также раскаленные газы и другие вещества. Человеческое тело также является проводником. Проводники обладают высокой проводимостью, т.е. хорошо проводят электричество.

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками. Диэлектрики Диэлектрик (от греческого dia и electric). Эти вещества также называются изоляторы. Электропроводность диэлектриков очень низкая по сравнению с электропроводностью металлов. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шелк, газы при комнатной температуре и другие вещества.

Деление на проводники и изоляторы условно, поскольку проводимость зависит от различных факторов, включая температуру. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при высокой влажности.

Проводники и диэлектрики играют огромную роль в современных приложениях электричества.

3) Электрические и магнитные поля увеличивают энергию заряженной частицы

Что такое заряженные частицы

Какова траектория заряженной частицы, влетающей в магнитное поле циклотрона? Объясните ответ.

Для получения высоких энергий заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) используются специальные устройства – ускорители заряженных частиц. Ускорители основаны на взаимодействии заряженных частиц с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле может действовать непосредственно на частицу, т.е. увеличивать ее энергию. Магнитное поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и определяет траекторию, по которой движутся частицы.

Ускорители заряженных частиц можно классифицировать различными способами. В зависимости от типа ускоряемых частиц различают ускорители электронов, ускорители протонов и ускорители ионов. В зависимости от характера траекторий частиц различают линейные ускорители, в которых пучок частиц проходит через ускоряющие щели один раз и траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, кругам или спиралям), многократно проходя через ускоряющие щели.

На рисунке 1 схематически показан циклотрон – циклический протонный (или ионный) ускоритель. Частицы из источника ионов 1 непрерывно вводятся в вакуумную камеру и ускоряются электрическим полем, создаваемым электродами 3. Магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка, вызывает отклонение заряженной частицы от прямолинейного движения.

Каждый раз, когда заряженная частица проходит через зазор между электродами, она получает новую порцию энергии и еще больше ускоряется. Траектория ускоряющейся частицы в постоянном магнитном поле становится расширяющейся спиралью.

Циклотрон – первый из циклических ускорителей. Впервые он был разработан и построен в 1931 году. На сегодняшний день циклотроны обычно используются для ускорения тяжелых частиц до относительно низких энергий.

Выделение D19 № 1610

1) электрические и магнитные поля служат для изменения направления движения заряженной частицы

2) электрическое поле увеличивает энергию заряженной частицы, а магнитное поле изменяет направление движения заряженной частицы

3) электрические и магнитные поля увеличивают энергию заряженной частицы

4) электрическое поле служит для изменения направления движения заряженной частицы, а магнитное поле – для увеличения ее энергии

Ускоритель основан на взаимодействии заряженных частиц с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле может непосредственно действовать на частицу, т.е. увеличивать ее энергию. Но магнитное поле, создающее силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и определяет траекторию, по которой движется частица.

Читайте далее:
Сохранить статью?