Промышленная резка бетона: rezkabetona.su
На главную  История 

Как устроены ускорители заряженных частиц

Первым ускорителем стал циклотрон. Он был построен ещё в 1930 г. Э. Лоуренсом в США. Так как физический мир устроен по единым законам, все ускорители 1-го типа, где бы они ни были созданы, похожи друг на друга, как близнецы. У циклотрона есть один большой полый электромагнит, в котором частички ускоряются по спиральной орбите. В настоящее время новейших циклотронов уже не строят, но до сих пор их употребляют для опытов с ускорением до сравнимо скромных энергий — 20 МэВ. Достичь более больших энергий помощью циклотронов не удалось, потому что появились и технические, и физические трудности .

 

частности, с увеличением энергии частиц начинает проявлять себя предсказанное A. Эйнштейном увеличение массы с ростом скорости: «тяжёлая» частичка испытывает наименьшее ускорение. В циклотронах это неизбежно приводило к уменьшению частоты обращения сгустков частиц, ускоряемых по кольцевой орбите. В 1944 г. независимо друг от друга русский физик B. И. Векслер и южноамериканский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть метода заключается в последующем: если определённым образом подобрать поля, частички будут всё время автоматом попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 г. американские учёные Э. Курант, М. Ливингстон и X. Снайдер предложили так называемую твёрдую фокусировку, которая придавливает частицы к оси движения. При помощи этих открытий удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высочайшие энергии. Энергия ныне работающих ускорителей добивается 10-ов и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Самый мощный находится в США. Он именуется «Тэватрон», так как в его кольце (длина более б км) помощью сверхпроводящих магнитов протоны получают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ = 1000 ГэВ). Наикрупнейший российский ускоритель У-70, построенный в Институте физики больших энергий (Столичная область, город Протвино), работает с 1967 г. и ускоряет в 1,5-километровом кольце на «обыденных» электромагнитах протоны до энергии 76 ГэВ (четвёртый показатель в мире). Здесь же сооружён подземный кольцевой тоннель длиной 21 км для нового ускорителя, который начнёт действовать уже в XXI в. Чтоб достичь ещё более высочайшей энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с материалом исследуемого физического объекта, можно разогнать «мишень» навстречу «снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в особых ускорителях — коллайдерах. Естественно, плотность частиц во встречных пучках не столь велика, как в материале неподвижной «мишени», потому для её роста используют так называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями» вбрасывают частички из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами, компенсирующими частицам утрату энергии. Конкретно с коллайдерами учёные связывают дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира — в США, Стране восходящего солнца, ФРГ, также в Европейском центре ядерных исследований, базирующемся в Швейцарии.

 

Простой (и в то же время довольно непростой) ускоритель электронов есть почти в каждом доме. Это телек, точнее, его основная деталь — телевизионная трубка, или кинескоп. Катод кинескопа при нагревании до высочайшей температуры испускает электроны — элементарные частички с отрицательным зарядом. Электронный поток попадает в электрическое поле высочайшего напряжения (около 20 тыс. вольт), которое его ускоряет. Энергия заряженных частиц измеряется в единицах, кратных энергии, приобретаемой электроном при прохождении разности потенциалов поля в 1 В, — электрон-вольтах (эВ). В телевизионной трубке он ускоряется до энергии 20 килоэлектронвольт (1 кэВ = 1000 эВ). Этой энергии хватает, чтоб электрон, попав в люминофор на экране телека, заставил его светиться. Но для решения исследовательских задач энергии не хватит: ведь даже в опытах Резерфорда альфа-частицы имели в сотни раз огромную энергию — от 2 до 8 мегаэлектронвольт (1 МэВ = 1 000 000 эВ). Следовательно, нужно или поставить один за иным много «кинескопов», чтобы в каждом из их частички получали дополнительную энергию, или вынудить пучок частиц проходить один и тот же ускоряющий участок многократно. В первом случае мы получим так называемый линейный ускоритель, а во втором — кольцевой, или повторяющийся. Для заслуги высоких энергий употребляют кольцевые ускорители, ибо еще дешевле организовать кольцевую траекторию пучка, чем «нанизывать» по прямой однотипные участки, собранные из обычной, но довольно сложной и дорогой аппаратуры. Но там, где высокие энергии не необходимы (к примеру, в установках для медицины), предпочтительнее линейные ускорители. Современный ускоритель — это, вообще говоря, труба, из которой выкачан воздух. В неё «вбрасывают» частички из вспомогательного ускорителя малой энергии. На трубу, свёрнутую в кольцо, «надеты» ускоряющие блоки (системы электродов, которые создают электрическое поле, ускоряющее частички) и электромагниты (они заворачивают частички, заставляя их двигаться по кольцу). Но частички 1-го знака имеют тенденцию «расталкиваться». Создать абсолютно безвоздушное место в трубе нереально, поэтому частички рассеиваются на оставшихся молекулах воздуха. Их фокусируют, т. е. «придавливают» к оси движения, с помощью так называемых магнитных линз. Когда частицы наберут подходящую скорость, врубается поворотный электромагнит. Он отклоняет их в канал, ведущий к объекту исследования (это, правило, атомы выбранного для опыта вещества или внутриатомные частички). Существует и иная система классификации ускорителей — по типу ускоряющего электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счёт высокой разности потенциалов меж электродами ускоряющего места, которое действует всё время, пока частицы пролетают меж электродами. В индукционных ускорителях «работает» вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент находятся частички. И, наконец, в резонансных ускорителях используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «ансамбля» частиц. Когда молвят о современных ускорителях частиц на высочайшие энергии, имеют в виду в основном кольцевые резонансные ускорители. В зависимости от особенностей режимов ускорения различают несколько типов. Если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени, ускоритель именуется циклотроном; если магнитное поле нарастает в течение цикла ускорения — перед нами синхротрон; а если этом меняется и частота ускоряющего поля — мы имеем дело с синхрофазотроном. В протонных ускорителях на совсем высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются по круговой орбите с неизменной частотой; ускорители для протонов больших энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных размещены в США, Швейцарии и Рф.



Стекло и керамика. Разработка в космосе. Метеорологическая ракета. Палеолит. олдувайская эра.

На главную  История 





0.0112
 
Яндекс.Метрика