Слайд 14.1. Классификация ускорителей
4.2. Линейные ускорители
4.3. Циклические ускорители
Тема 4. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ
ЧАСТИЦ
Преподаватель физики:
Магомедов Абдул Маграмович
Слайд 2Тема 4. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Слайд 34.1. 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.).
Слайд 4 Любой ускоритель характеризуется:
типом ускоряемых частиц,
разбросом частиц по энергиям,
интенсивностью пучка.
Ускорители подразделяются на
непрерывные (равномерный во времени пучок)
импульсные (в них частицы ускоряются порциями – импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.
Слайд 5По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на
линейные,
циклические
индукционные.
В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям,
в циклических и индукционных траекториями частиц являются окружности или спирали.
Слайд 6Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.
Слайд 74.2. Линейные ускорители
1. Линейный ускоритель.
Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым,
например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа
Слайд 8Высоковольтный генератор
Ван-де-Граафа
Слайд 9Заряженная частица проходит ускоряющее поле однократно:
заряд q, проходя разность
потенциалов приобретает кинетическую энергию
Таким способом частицы ускоряются
до ≈ 10 МэВ.
Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов и пробоев.
Слайд 10 2. Линейный резонансный ускоритель.
Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем
сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц.
Слайд 11Таким образом частицы многократно проходят ускоряющий промежуток:
протоны ускоряются до энергий
порядка десятков мегаэлектронвольт,
электроны – до десятков гигаэлектронвольт.
Слайд 134.3. Циклические ускорители
1. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов,
ионов).
Слайд 15Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два
электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов.
К дуантам приложено переменное электрическое поле.
Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
Слайд 16Если заряженную частицу ввести в центр зазора (1) между дуантами, то
она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдет в дуант(3) и опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы.
К моменту ее выхода из первого дуанта полярность напряжения изменяется, поэтому частица вновь ускоряется и, переходя во второй дуант, описывает там полуокружность уже большего радиуса (2) и т.д.
Слайд 18Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнять условие синхронизма (условие
«резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны.
При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию.
Слайд 19 На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены
до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона (4).
Слайд 20В циклотронах заряженная частица с зарядом q и массой m ускоряется
до скоростей, при которых релятивистский эффект увеличения массы частицы практически не проявляется.
Слайд 21 Период обращения частицы
Радиус траектории частицы
Слайд 22Циклотроны 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.
Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов:
при Е = 0,5 МэВ, масса возрастает до m = 2m0,
при Е = 10 МэВ m = 28m0
Слайд 23Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно осуществить, если применять предложенный:
в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером и
в 1945 г. американским физиком
Э. Мак-Милланом
принцип автофазировки.
Слайд 24 Идея принципа автофазировки заключается в том, что для компенсации увеличения периода
вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют
либо частоту ускоряющего электрического поля,
либо индукцию магнитного поля,
либо то и другое.
Принцип автофазировки используется в
фазотроне,
синхротроне и
синхрофазотроне.
Слайд 25 В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан
и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.
Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона Рис. 2. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона, который широко использовался
в экспериментальных исследованиях
ядерных реакций и искусственной радиоактивности
Слайд 262. Микротрон
(электронный циклотрон) – 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 сохраняется за счёт изменения кратности ускорения .
Слайд 27Частица вращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий
резонатор.
В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения.
Причем, если частица с самого начала вошла в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения.
Слайд 28В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной
орбите, также будут ускоряться.
Слайд 29Микротрон – ускоритель непрерывного действия,
способен давать токи порядка 100
мА,
максимальная достигнутая энергия порядка 30 МэB
(Россия, Великобритания).
Слайд 30Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля,
а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.
Слайд 31Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным.
Такое
поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали;
соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора.
Слайд 323. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например,
протонов, ионов, α-частиц),
управляющее магнитное поле постоянно,
частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом.
Слайд 34Движение 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.
Слайд 374. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее
магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна.
Слайд 38 Схема строения синхротрона:
1 – инжектор электронов;
2
– поворотный магнит;
3 – пучок электронов;
4 – управляющий электромагнит;
5 – вакуумная тороидальная камера;
6 – ускоряющий промежуток.
Слайд 39
Электроны в разных синхротронах ускоряются
до энергий 1 –
10 ГэВ.
Слайд 40
Синхротронное излучение
конус синхротронного излучения
электрон
Слайд 41Синхротронное излучение
веер тормозного излучения
электрон
Слайд 45
Внешний вид Томского синхротрона «Сириус» на 1,5 ГэВ
Слайд 47Устройство протонного синхротрона
Слайд 51Plan of the Experimental Hall and Links to All Beamlines
Слайд 523.0 GeV Electron Storage ring Diamond
Harwell/Chilton Science Campus, UK.
Circumference
561.6 m; No. of cells 24 (6 fold symmetry)
Electron beam current 300 mA; Minimum beam lifetime10 hours; Emittance – horizontal 2.7 nm-rad; Emittance - vertical0.03 nm-rad; No. of Insertion Devices (IDs)Up to 22; Free straight lengths for IDs: 18x5 m, 6x8; gap10 mm; Building diameter235 m
Слайд 535. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов),
в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона.
Слайд 54Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются
во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным.
Слайд 55Между полюсами этого магнита расположена тороидальная вакуумная камера, в которую инжектирован
пучок протонов. Если смотреть на ускоритель сверху, то пучок протонов движется по часовой стрелке со скоростью V, близкой к скорости света c.
Слайд 56Рассмотрим действие лоренцевой силы и рассчитаем энергию протонного ускорителя, представляющего собой
кольцевой магнит диаметром 2 км.
Слайд 57Центростремительная сила равна:
где mr – релятивистская масса протона.
Так как эта сила
обусловлена действием магнитного поля, она равна силе Лоренца
Тогда:
можно записать
так можно рассчитать полную релятивистскую энергию протонов:
Слайд 59Заметим при этом, что магнитное поле не увеличивает скорость или энергию
частиц.
Ускорение протонов осуществляется при каждом их обороте в кольце за счет электростатического поля, которое действует на коротком участке кольца.
Слайд 60В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей.
Масса
частицы m зависит от ее скорости :
где m0 – масса покоя частицы.
Слайд 61Кинетическая энергия частицы K:
где
– полная энергия частицы
– энергия покоя частицы.
Слайд 63Период обращения релятивистской частицы
Слайд 64Радиус окружности траектории релятивистской частицы
Слайд 666. Бетатрон – единственный циклический ускоритель электронов нерезонансного типа, в котором
ускорение осуществляется вихревым электрическим полем.
Слайд 67Электродвижущая сила индукции, создаваемая переменным магнитным полем, может существовать и в
отсутствие проводников – в вакууме
Слайд 68Кинетическая энергия K, передаваемая вихревым электрическим полем единичному положительному заряду, равна
интегралу по замкнутому контуру L:
Согласно закону Фарадея, этот интеграл равен изменению магнитного потока через замкнутый контур L.
Слайд 69
Таким образом, вихревое электрическое поле может действовать на сгусток электронов, двигающихся
в магнитном поле, и ускорять их.
Слайд 70 Переменный центральный магнитный поток Вср создает в бетатроне вихревую
ЭДС индукции, ускоряющую электроны:
при каждом обходе контура энергия электронов увеличивается на величину
.
Слайд 71Циклический индукционный ускоритель электронов данного типа называется бетатроном.
Слайд 72Удержание электронов на стационарной круговой орбите осуществляется управляющим магнитным полем
, определенным образом, изменяющимся во времени.
Слайд 73Бетатрон (рис. а) состоит из тороидальной вакуумной камеры (рис. в),
помещающейся
между полюсами электромагнита специальной формы (рис. б).
Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой .
а б в
Слайд 74Переменное магнитное поле выполняет две функции:
во-первых, создает вихревое электрическое поле,
ускоряющее электроны внутри тороида;
во-вторых, удерживает электроны на орбите (силовые линии располагаются так, чтобы пучок электронов находился в состоянии устойчивого равновесия в центре тора).
Слайд 75За время порядка 10-3c электроны успевают сделать до 106 оборотов и
приобрести энергию до 500 МэВ
(сотни МэВ в разных ускорителях).
При такой энергии скорость электронов близка к скорости света ( ).
Слайд 76Кроме того, сам же пучок электронов в данном случае выполняет роль
вторичной обмотки трансформатора.
Слайд 77В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет электроны
от стационарной орбиты и направляет их на специальную мишень, расположенную внутри камеры.
Слайд 78Попадая на мишень, электроны тормозятся в ней и испускают жесткие γ-лучи
или рентген, которые используются в ядерных исследованиях при неразрушающих методах контроля, в медицине и т.д.
Слайд 79Идея бетатрона запатентована в 1922 г.
Дж. Слепяном.
В 1928 г.
Р. Видероэ сформулировал условие существования равновесной орбиты – орбиты постоянного радиуса «условие 2:1».
Первый действующий бетатрон был создан в 1940 г. Д. Керстом.
Слайд 80 Первый действующий бетатрон Д. Керста.
Слайд 81 В СССР первые бетатроны были разработаны и созданы учеными
Томского политехнического института профессорами :
А.А. Воробьевым,
Л.М. Ананьевым,
В.И. Горбуновым,
В.А. Москалевым,
Б.Н. Родимовым.
Слайд 82 В последующие годы в институте интроскопии (НИИН при ТПУ)
под руководством профессора
В.Л. Чахлова, успешно разрабатываются и изготавливаются малогабаритные переносные бетатроны (МИБ), применяемые в медицине, дефектоскопии и других прикладных и научных исследованиях.
МИБ
1 -10 МэВ
Слайд 83Благодаря 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.
Слайд 84 Создание бетатронов на более высокие энергии сопряжено с необходимостью использования электромагнитов
слишком большого размера и веса (магнитное поле приходится создавать не только на орбите, но и внутри неё).
Слайд 857. Большой адронный коллайдер (БАК).
Слайд 86В 2000 году физики из ЦЕРНа (европейский центр ядерных исследований), работающие
на 27-километровом кольцевом Большом электрон-позитронном коллайдере LEP (Large Electron Positron Collider), обнародовали фотографии превращений элементарных частиц, которые вроде бы свидетельствовали о реальности хиггсовского бозона, однако последующие эксперименты доказали преждевременность этого вывода.
Слайд 87В то время считалось, что масса этой частицы не превышает 96
Гэв, что лежало в пределах возможностей церновского коллайдера.
В то же время теоретические расчеты показывают, что даже небольшое увеличение массы t -кварка должно весьма значительно повышать массу хиггсовского бозона.
Слайд 88Теперь этот кварк «потяжелел» с 175 до 178 Гэв
Теоретически вычисленная
масса бозона Хиггса оказывается не меньше 117 Гэв, но может составлять и 251 Гэв.
Это означает, что бозон Хиггса невозможно получить ни на одном ныне действующем ускорителе, так что выводы европейских физиков и в самом деле приходится признать ошибочными.
Слайд 89Сейчас ЦЕРН строит самый мощный ускоритель, LHC (Large Hadron Collider) –
Большой адронный коллайдер (БАК)
Диаметр кольца ускорителя 20 км.
Его энергии должно хватить и для долгожданной поимки хиггсовского бозона.
Новый суперускоритель ЦЕРНа будет запущен в 2007 году, так что ждать осталось уже недолго.
Слайд 91
Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу
Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.
Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.