Ускорители заряженных частиц

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА ИРКУТСКА

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №80

Итоговый индивидуальный проект

«УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ»

Автор проекта: Гаврилов Иван Андреевич

ученик 9Д класса

Руководитель проекта: Ободенко Ольга Николаевна,

учитель физики

К защите допущен (не допущен)

«____» марта 2020 года,

____________________/Ободенко О.Н./

подпись руководителя

г. Иркутск

2020 год

Содержание:

Актуальность темы обусловлена тем, что ускоритель заряженных частиц - один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителя заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии - для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности - для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности - для стерилизации продуктов, в медицине - для лучевой терапии, для «бескровной хирургии» и в ряде др. отраслей.

Цель проекта: Исследование устройства ускорителей заряженных частиц.

С учетом поставленной цели необходимо решить ряд задач.

Задачи проекта:

изучить материал по теме

описать способ работы линейных ускорителей

описать способ работы циклических ускорителей

выводы по работе

Гипотеза:

ускорение частиц зависит только от действия электромагнитного поля.

Проблема:

большинство населения не знает об ускорителях заряженных частиц, не говоря уже, об их предназначении.

Назначение проекта:

предоставить информацию учащимся для более глубокого изучения раздела квантовой физики в программе школьного курса физики.

Введение

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, большой адронный коллайдер в ЦЕРН представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.

 Ускорители заряженных частиц - установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.

В основе работы ускорителя заложены взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полем. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличить её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз.

Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить.

В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные пучки). 

Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы, где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы, где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной, и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.

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.) Рис.1.

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители подразделяются на непрерывные (равномерный во времени пучок) и импульсные (в них частицы ускоряются порциями – импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.

По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных траекториями частиц являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

Рис. 1 Схема движущихся заряженных частиц

1.Линейные ускорители

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей - возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:

Ускоритель Ван де Граафа. Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.

Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта Уолтона, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя).

Трансформаторный ускоритель. Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.

Импульсный ускоритель. Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

Линейный индукционный ускоритель

Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферримагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

Конструкция, реализующая данную идею, выглядит следующим образом, на сердечник из феррита (индуктор) наматывается первичная обмотка, через которую пропускается переменный ток, в феррите возникает переменное магнитное поле, которое создает вихревое, пронизывающее плоскость сердечника (рис. 2).

Рис. 2 Схема линейного индукционного ускорения

Линейный резонансный ускоритель

Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектронвольт, электроны – до десятков гигаэлектронвольт. (рис. 3).

Рис. 3 Линейный резонансный ускоритель

2. Циклические ускорители

Циклотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов (3). К дуантам приложено переменное электрическое поле (5). Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов. Если заряженную частицу ввести в центр зазора (1) между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдет в дуант и опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы. К моменту ее выхода из первого дуанта полярность напряжения изменяется (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходя во второй дуант, описывает там полуокружность уже большего радиуса (2) и т.д. Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнять условие синхронизма (условие «резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны.

Циклотроны 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.

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907–1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом (1907–1991) принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое.

Рис. 4

Микротрон - 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 всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q.

Микротрон – ускоритель непрерывного действия, и способен давать токи порядка 100 мА, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (Россия, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов. Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили. (рис. 5)

Рис. 5 Микротрон

Фазотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение 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). (рис. 6)

Рис. 6 Фазотрон

Синхротрон - циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. На рис. 7 схематически изображен синхротрон: 1 - инжектор электронов; 2 - поворотный магнит; 3 - пучок электронов; 4 - управляющий электромагнит; 5 - вакуумная тороидальная камера; 6 - ускоряющий промежуток. Внешний вид Томского синхротрона на 1,5 ГэВ представлен на рисунке. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 5 - 10 ГэВ.

Рис. 7 Схематическое изображение синхротрона

Синхрофазотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона. Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. (рис. 8)

Рис. 8 Синхрофазотрона

Бетатрон - Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Благодаря 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.(рис. 9)

Рис 9. Бетатрон

Большой адронный коллайдер (БАК)

Коллайдер был назван большим из-за его основного кольца, длина которого составляет 26,659 километров. Адронным вследствие того, что в его недрах происходит ускорение адронов (частицы). А коллайдером из-за основного принципа действия устройства, которое основано на соударении пучков разноускоренных частиц.

Большой адронный коллайдер - это каскад ускорителей, в котором электрически заряженные элементарные частицы и ядра с помощью электромагнитного поля разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Пучки частиц движутся в противоположных направлениях по огромному кольцу длиной 26 с небольшим километров и затем сталкиваются друг с другом в лобовых столкновениях, при этом огромная кинетическая энергия столкновения приводит к образованию кварк-глюонной плазмы и рождению из нее огромного числа частиц. Он был построен для изучения физики элементарных частиц и высоких энергий, а так же для поиска новых, еще неизвестных науке частиц. Большой Адронный Коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. (рис. 10)

Рис 10. Большой адронный коллайдер

Заключение:

Изложенные выше ключевые физические идеи о способах возбуждения в плазме релятивистски сильных плазменных волн и их использовании для ускорения заряженных частиц позволили реализовать в первых экспериментах рекордно сильные электрические поля более чем на три порядка превышающие уровень, достижимый в вакуумных системах в радиодиапазоне. Эти результаты существенно усиливают интерес к исследованию ускорителей, использующих коллективные электрические поля в плазме и уже позволяют рассматривать конкретные проекты ускорителей.

Только дальнейшие исследования могут ответить на возникающие вопросы. В то же время полученные результаты уже сегодня позволяют построить компактные ускорители с умеренной энергией частиц (порядка 1 ГэВ), не требующие сложных и громоздких высоковольтных устройств. Подобные ускорители могут найти широкое применение в науке, медицине и промышленности, открывая подчас совершенно новые возможности, неосуществимые при использовании традиционных систем.

Поставленные задачи – были решены, путём ознакомления с материалом и принципом работы ускорителей.

Проблема решена путём возможности доступа к ознакомлению информацией как учащихся школы, так и неопределенного круга лиц.

Гипотеза частично подтверждена, т.к. в основе ускорителей лежит не только действие электрических и магнитных полей, как изначально предполагалось, но есть прямая зависимость от вида ускоряемых частиц, разброса частиц по энергиям и интенсивности пучка, а также от конструкции ускорителя.

Список литературы:

Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Госатомиздат, 1961.

Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.

Бабат Г. И. Ускорители. - [М.]: Мол. гвардия, 1957. - 80 с. - 50 000 экз.

Ратнер, Б. С. Ускорители заряженных частиц. -М.: Наука, 1966. - 151 с.

Комар, Е. Г. Ускорители заряженных частиц. - М.: Атомиздат, 1964. - 388 с.

Ливингстон, М. Стенли. Ускорители. Установки для получения заряженных частиц больших энергий. - М.: Изд-во иностр. лит., 1956. - 148 с.

Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.