Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Ускорители




Первые исследования ядер проводились с помощью радиоактивных излучений из естественных элементов. Однако число типов частиц в естественных радиоактивных излучениях весьма ограничено. Их энергия невысока и меняется в ограниченных пределах. Число частиц в пучке, то есть его интенсивность также в большинстве случаев оказывается достаточно низкой. Поэтому физики стали искать способы, позволяющие увеличивать энергию и интенсивность пучков частиц, используемых в исследованиях.

Такие устройства для исследования свойств ядер получили название ускорителей[9]. Они позволяют искусственным образом, используя различные физические законы, увеличивать энергию заряженных частиц. В них ускоряются электроны, протоны, ядра дейтерия (d или ), а также ядра более тяжелых элементов вплоть до урана.

Первые ускорители были построены в конце двадцатых - начале тридцатых годов[10]. Первые схемы ускорителей основывались на использовании законов электростатики – рост энергии частицы достигается путем увеличения постоянного электрического поля, которое осуществляет ускорение. В этом случае энергия W заряженной частицы с зарядом q составляет:

W=qU (14.4.1)

где U - разность потенциалов между высоковольтными электродами ускорителя:

U=Ed, (14.4.2)

E – величина постоянного электрического поля, d - расстояние между электродами.

На пальцах, ускорение под действием постоянного электрического поля происходит как в конденсаторе, когда электрон летит от одной пластины конденсатора к другой.

На этих законах физики работают ускорители, получившие название высоковольтных. К ним относятся высоковольтные трансформаторы, каскадные ускорители, электростатический генератор Ван-де-Граафа. Отличаются они способом получения высокого напряжения и тем, какое напряжение используется между электродами – постоянное или переменное. Общая схема таких ускорителей представлена на рис. 14.9.

Однако процесс увеличения напряжения имеет пределы – между электродами возникает пробой. При очень высоких электрических полях диэлектрик становится проводником электричества. Поэтому высоковольтные ускорители имеют энергию не более нескольких мегаэлектронвольт (МэВ).[11]

Высоковольтные ускорители в медицине широко использовались в лучевой терапии в значительной части двадцатого столетия. Они и в настоящее время используются в ядерной медицине для получения радиоактивных изотопов, которые применяются в диагностике во многих областях медицины, например, в онкологии, кардиологии. Большое количество таких ускорителей работает в различных отраслях промышленности.

Следующий виток развития ускорительной техники связан с созданием резонансных ускорителей[12]. Смысл их заключался в том, чтобы частицы периодически подталкивать электрическим полем. К таким ускорителям относятся линейные резонансные ускорители и кольцевые ускорители, примером которых является циклотрон.

Рис. 14.9. Общая схема высоковольтного ускорителя.

 

Линейные резонансные ускорители[13] наиболее распространённый тип линейных ускорителей, особенно на большие энергии. Они отличаются от высоковольтных ускорителей тем, что конечная энергия частицы много больше приложенного напряжения, умноженного на заряд (по формуле (14.4.1)). В линейных резонансных ускорителях частица многократно проходит ускоряющие промежутки. Однако все эти промежутки располагаются последовательно на разных участках ускорителя (рис.14.9). Как видно на рис.14.10 заряженные частицы ускоряются (подталкиваются электрическим полем) в промежутках между трубками, которые называют трубками дрейфа. Электрическое поле, используемое в резонансных ускорителях, в отличие от высоковольтных ускорителей всегда переменное. Поэтому в то время, когда электрическое поле направлено в сторону, противоположную направлению движения частицы, они «прячутся» внутрь трубок дрейфа, которые экранируют частицы от действия электрического поля. Чем быстрее движутся частицы, тем длиннее эти трубки. Сколько в ускорителе ускоряющих промежутков, столько раз увеличивается энергия заряженной частицы.

Циклотрон – представляет другой вариант резонансных ускорителей. Его можно представить в виде консервной банки, сделанной не из металла, которую разрезали пополам и поместили в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости поверхности банки или плоскости орбиты частицы (рис.14.11). Заряженная частица (протон или ядра более тяжелых атомов) ускоряется в промежутках между двумя половинами «банки», которые называют дуантами. Поскольку на каждом обороте она дважды проходит через этот ускоряющий промежуток, ее энергия возрастает, и траектория имеет форму раскручивающейся спирали.

На циклотронах протоны и другие тяжелые частицы ускоряют до энергии от единиц до нескольких десятков МэВ.

Проблема дальнейшего повышения энергии ускоренных частиц была связана с созданием модификаций циклотрона - изохронных циклотронов и фазотронов[14]. На этих ускорителях энергию частиц удалось повысить до энергии порядка 1 ГэВ. Поскольку траектория частицы представляет собой раскручивающуюся спираль, для того, чтобы вся траектория располагалась в магнитном поле, магнит ускорителя должен быть сплошным. Это приводит к увеличению веса магнита, а, следовательно, и стоимости установки. В фазотронах высокая энергия протонов достигается тем, что уменьшается частота ускоряющего электрического поля. Это позволяет сохранять заряженные частицы в фазе с ускоряющим электрическим полем. В изохронных циклотронах магнитное поле растет с радиусом. Этот способ также позволяет дольше сохранить частицы в фазе с ускоряющим электрическим полем.

Для дальнейшего увеличения энергии ускоренных частиц стали вместо сплошного магнита использовать кольцевую «магнитную дорожку» постоянного радиуса – магнитное поле действует не по всей площади орбиты, а лишь вдоль узкого кольца, где проходит траектория ускоряемой частицы. В этом случае с ростом энергии частица движется по траектории вдоль магнитной дорожки. Величина достигаемой энергии пропорциональна ее длине а, следовательно, и вес магнита пропорционален радиусу орбиты ускорителя. Такая форма магнита позволяет размещать ускоритель в узком кольцевом туннеле.

 

Рис.14.10. Схемы линейного ускорителя.

 

На такой идее работают ускорители - синхротроны. На них ускоряют электроны[15] и тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы). На рис.14.9 представлен общий вид синхротрона. Самые крупные современные ускорители – это в основном синхротроны. Орбита этого ускорителя имеет постоянный радиус, а магнитное поле вдоль «магнитной дорожки» возрастает. Магнитное поле в нем также используется для удержания частиц на орбите – их фокусировки.

Самый крупный в нашей стране синхротрон работает под городом Серпухов. На нем получают энергию протонов 70 ГэВ[16].

Именно такие ускорители построены в самом крупном международном ускорительном центре - ЦЕРНе (Швейцария). Хорошо известный по средствам массовой информации большой адронный коллайдер (БАК) позволяет достигнуть фантастическую энергию летящих друг навстречу другу протонов – 7 ТэВ. Этой энергии, как полагают ученые, будет достаточно, например, для обнаружения новых частиц – хиггсовских бозонов, которые отвечают за возникновение массы частиц.

Ускорители широко используются в промышленности, сельском хозяйстве, экологии и медицине. Всего в мире работают десятки тысяч ускорителей[17]. Причем в научных исследованиях применятся лишь несколько процентов ускорителей – немного более 1200. Ежегодно в мире строится около тысячи новых ускорителей.

В медицине работает около 12000 ускорителей – примерно треть всех действующих ускорителей. Из них примерно 1000 циклотронов и 11000 линейных и других типов ускорителей. Они работают как в диагностике, так и в лучевой терапии онкологических заболеваний. На рис.14.11 приводится общий вид медицинского ускорителя электронов.




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 570; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.01 сек.