WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

«Лекция 11. Ускорители заряженных частиц Введение Субатомная физика отличается от всех других наук одной особенностью: в ней надо рассматривать проявление одновременно ...»

-- [ Страница 1 ] --

Лекция 11. Ускорители заряженных частиц

Введение

Субатомная физика отличается от всех других наук одной

особенностью: в ней надо рассматривать проявление одновременно трех

видов взаимодействия между физическими объектами, причем два вида

проявляются только в тех случаях, когда объекты расположены очень близко

друг к другу. В биологии, в химии, в атомной физике и физике твердого тела

почти полностью господствует дальнодействующее электромагнитное взаимодействие. Явлениями в окружающем нас мире управляют два типа дальнодействующих сил - гравитационные и электромагнитные. В субатомной физике происходит тонкая игра трех взаимодействий - адронного (т.е. - сильного или ядерного), электромагнитного и слабого, - причем адронное и слабое взаимодействия становятся пренебрежимо малыми на расстоянии порядка атомных размеров и больше. Адронное взаимодействие удерживает вместе нуклоны в ядрах; радиус действия адронных сил весьма мал, но величина их огромна. Слабые взаимодействия еще более короткодействующие.

Некоторые единицы измерений, используемые в ядерной физике, приведены в таблице.

Расстояние, Энергия, Масса, Ферми (фм) электронвольт m E / c (эВ/с2) (эВ) 1 фм=10-15 м 1 эВ=1.6*10-19 Дж 1 эВ/с2=1.78*10-36 кг Данное методическое указание содержит краткое описание некоторых важнейших средств физического эксперимента в субатомной физике, а именно, ускорителей заряженных частиц.

Принцип работы ускорителей Ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до нескольких сотен ГэВ. Интенсивность пучков достигает 1016 частиц в секунду, причем эти пучки можно сфокусировать на мишени площадью в несколько квадратных миллиметров. В качестве "первичных снарядов" чаще всего используются протоны и электроны (см.

Приложение).

Только с помощью ускорителей можно решать такие задачи, как получение новых частиц или новых состояний экспериментально уже открытых частиц, а также исследовать детально структуру субатомных объектов. В природе существует совсем немного стабильных частиц протон, электрон, нейтрино и фотон. В веществе нашей Земли имеется весьма ограниченный набор возможных атомных ядер, причем они практически всегда находятся в основных состояниях.

Чтобы выйти за узкие рамки тех объектов, которые попадают нам в руки на земле естественным путем, следует возбуждать новые состояния частиц и ядер искусственно. Для получения какого-либо нового такого состояния, обладающего массой М, необходимо, по меньшей мере, энергия E=mc2. Пока не найден еще предел значений масс частиц, находящихся в возбужденных новых состояниях, и неизвестно, существует ли он вообще.

Чтобы ответить на этот вопрос, требуется иметь более мощные ускорители высоких энергий. Высокие энергии нужны не только для получения новых состояний. Они необходимы также и для выяснения деталей уже открытых, субатомных объектов. Легко видеть, что энергия частиц, используемых для исследования все более мелких деталей ядер и частиц, должна возрастать.

Действительно, дебройлевская длина волны частицы с импульсом р равна h / P Часто используют приведенную дебройлевскую длину волны h / 2. Чтобы различить структурные детали объекта с / P, линейными размерами порядка d, должны использоваться длины волн, сравнимые с d или меньше d: d. Иначе говоря, требуются частицы с импульсом P. Чем меньше детали объектов, которые мы хотим рассмотреть, тем, следовательно, выше должны быть значения импульсов, а потому и энергий. В качестве примера возьмем объект размером порядка d=1 фм, а в качестве "инструмента" используем протон. В данном случае применимо (покажем это ниже) нерелятивистское приближение. Минимальная кинетическая энергия протона должна равняться P2 Екин.

2mp 2mp d Воспользуемся этим примером, чтобы показать, как рассчитывать Екин.

и другие подобные величины очень удобным способом. Представим по возможности все величины, входящие в формулу, в виде безразмерных отношений. Величина Екин. имеет размерность энергии. Такую же размерность имеет энергия покоя протонов mpc2=938 МэВ. Следовательно, мы можем написать безразмерное отношение 1 Eкин 2.

mp c2 2d mp c Величина в скобках - не что иное, как комптоновская длина волны протона p / mpc 0,21фм. Таким образом, для кинетической энергии протона непосредственно имеем Eкин / mp c2 (1/ 2) / d 0,02.

p Согласно этому результату, кинетическая энергия протонов, используемых для рассмотрения деталей с линейными размерами порядка фм, должна составлять около 20 МэВ. Поскольку эта кинетическая энергия во много раз меньше энергии покоя одного нуклона, то нерелятивистское приближение, которым мы пользовались, вполне оправдано. Природа не предоставляет нам интенсивные пучки протонов, с такой высокой энергией, и их приходится получать искусственно - на ускорителях. В космических лучах, правда, имеются частицы и с гораздо более высокими энергиями, но интенсивность пучков этих частиц столь мала, что с их помощью можно решать лишь весьма ограниченный круг задач.

Самый простой способ получения пучков частиц с высокой энергией ускорение их в электрическом поле. Сила, действующая на частицу с зарядом q в электрическом поле E, определяется формулой F qE. В простейшем ускорителе имеется две сетки с наложенной на них разностью потенциалов V, расположенные на расстоянии d. Средняя напряженность поля равна E V / d, а приобретаемая частицей энергия =Fd=qV. Обе сетки должны быть расположены в вакууме, чтобы избежать потерь энергии.



Поэтому на рисунке обозначен вакуумный насос. Кроме того, указан источник ионов - он создает заряженные частицы. Указанные элементы источник ионов, ускоряющее устройство, вакуумный насос - составные части любого ускорителя. Можно ли получить с помощью простейшего ускорителя пучки частиц, с энергией 20 МэВ? Это очень сложная техническая задача.

Уже при напряжениях в несколько киловольт может произойти пробой.

Чтобы превысить 100 кэВ, нужны специальные технические схемы для решения этой проблемы. Благодаря упорной работе многих изобретателей, были созданы электростатические генераторы, способные давать ускоренные частицы, с энергиями порядка 10 МэВ. Большей энергии частиц с помощью электростатического генератора достичь не удалось. Потребовалась новая идея: как ускорять частицы? И она возникла. Это многократное воздействие данной разностью потенциалов на одну и ту же ускоряемую частицу. И в дальнейшем всякий раз, когда казалось, что уже достигнута максимальная энергия ускорения частиц, каждая из "непреодолимых" трудностей устранялась путем нового, остроумного решения.

Ускорители заряженных частиц можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов.

По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в которых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности (или спирали).

По характеру ускоряющего поля ускорители делят на резонансные ускорители, в которых ускорение производится переменным высокочастотным электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в которых направление поля за время ускорения не изменяется.

Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в которых электрическое ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в которых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.

По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в которых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в которых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки Резонансные циклические ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего — «ведущего» — магнитного поля и ускоряющего электрического поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения.

Рассмотрим основные типы ускорителей.

Электростатический генератор Ван де Граафа В период становления ядерной физики (1919 – 1932 г.г.) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредственного ускорения заряженных частиц. В году американским физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 году английские физики Дж.

Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали так называемый каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 году на этих установках впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, - расщепление ядра лития протонами.

Трудно получить достаточно высокое напряжение, непосредственно используя трансформатор и выпрямители. В генераторе Ван-де-Граафа трудность эта обойдена транспортировкой заряда Q к проводящему полому кондуктору С, получающаяся разность потенциалов оказывается равной V=q/C и именно она используется для ускорения ионов. Основные элементы генератора показаны на Рис. 1.

Рис. 1. Схема генератора Ван-де-Граафа: 1 — ленточный транспортер зарядов; 2 — устройство для нанесения и съема зарядов; 3 — шкивы транспортера; 4 — Положительные заряды наносятся на ленту из изоляционного материала с помощью зарядного устройства, работающего при напряжении 20-30 кв. Лена приводится в движение мотором и заряды переносятся кондуктору, и снимаются там рядом коронирующих игл и поступают непосредственно на его поверхность. Положительные ионы - протоны, дейтроны, и т. п. - подаются специальным источником ионов и ускоряются в вакуумной трубке. Пучок частиц, выходящих из этой трубки, обычно направляется на мишень при помощи отклоняющего магнита. Если вся система работает при обычном атмосферном давлении, то может быть достигнуто напряжение порядка нескольких МэВ, до наступления "пробоя", который разрядит кондуктор. Если система находится в резервуаре, наполненном инертным газом, например, азотом, под давлением 15 атм, то можно получить напряжение вплоть до 12 МэВ. Максимальное напряжение можно увеличить вдвое, используя так называемый тандемный ускоритель Ван-де-Граафа. Здесь кондуктор расположен посередине длинного резервуара высокого давления. На одном конце резервуара находится источник отрицательных ионов, например, ионы Н. Эти ионы ускоряются электростатическим полем в направлении кондуктора, где они "обдираются", то есть, каждый из них лишается пары электронов, при прохождении сквозь фольгу или канал, содержащий газ. Полученные положительные ионы теперь летят в направлении мишени и снова набирают энергию. Таким образом, полная энергия удваивается по сравнению с одноступенчатым ускорителем. Ускорители Ван-де-Граафа зарекомендовали себя надежными экспериментальными установками для исследования структуры атомных ядер. Однако их максимально достигаемая энергия не превышает 30-40 МэВ для протонов. Такие ускорители нельзя применять при исследовании структуры и взаимодействий элементарных частиц.

Чтобы достичь очень высоких энергий, частицу необходимо подвергнуть многократному ускорению. Наиболее простой по замыслу системой для этого является линейный ускоритель, схематически изображенный на Рис. 2.



Pages:     || 2 | 3 | 4 |
 



Похожие работы:

«Эксклюзив: глава из нашумевшей книги Ноа Сент-Джона о силе аффирмаций-вопросов Ноа Сент-Джон - доктор философии, основатель и главный исполнительный директор  SuccessClinic.com, международной компании, обучающей тому, как добиться успеха, ведущий канала  WealthyFunTV. Он является автором книг Разрешение на успех и Небольшая, но великая книга об афформациях, которые были переведены на четыре языка. До того как стать популярным во всем мире спикером и автором, Ноа работал официантом,...»

«Институт прикладной физики РАН по проблеме Физическая акустика Экспериментально выявлена корреляция между типами симметрии и направлением главных осей тензоров упругости и магнитной восприимчивости образцов некристаллических метаморфических и осадочных горных пород. Наличие такой корреляции позволяет предположить наличие одного и того же источника возникновения анизотропии магнитных и акустических характеристик – текстуры горной породы. Для образцов поликристаллических горных пород в отсутствии...»

«Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Республиканский конкурс научных работ студентов высших учебных заведений Республики Беларусь Научная секция № 14 Познание продолжается! СВЕРХЛЕГИРОВАННЫЕ МАТРИЦЫ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Зубаревич Ольга Ивановна, магистрант Позняк Александр Анатольевич, доцент кафедры химии, кандидат физико-математических наук, доцент Минск, 2008 Реферат АНОДИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ, АНОДНЫЙ ОКСИД, ЛЕГИРОВАНИЕ,...»

«Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 010701 Физика. Москва Издательство МЦНМО 2007 год УДК 53 (023) ББК 22.3я721+74.262.22 Г83 Учебное издание Григорьев Ю. М., Муравьёв В. М., Потапов В. Ф. Г83 Олимпиадные задачи по физике. Международная олимпиада Туймаада : Под ред. Селюка Б. В. М.: МЦНМО, 2007. 160 с.: ил. ISBN 978–5–94057–256–5. Олимпиада Туймаада была организована в...»

«МЫСЛИ ВСЛУХ НАУЧНЫЙ РОМАН на основе Нейтронной теории Мироздания, Нейтронной физики и Нейтронной химии ВЕРСИЯ – 2 Донецк 2003 АННОТАЦИЯ Автор задался целью изложить в популярной форме новое понимание устройства Солнечной Системы, физических и химических процессов в ней. Предложено к рассмотрению решение Общей теории поля и его приложения к практическим задачам. Рекомендуется в первую очередь теоретикам физикам, ученым, инженерам, любознательным студентам и думающим читателям. 2 Оглавление I...»

«КОЛЕБАНИЯ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПРОГНОЗЫ ПОГОДЫ Под редакцией д-ра геогр. наук Ю. Б. Х Р А Б Р О В А № ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛЕНИНГРАД 1967 ^ • О Т W I 2 • ЛЯЪ 1 УДК 551.509.329 В монографии приведены результаты оригинальных исследований по циркуляции атмосферы в различных физико-географических районах, а также обобщены имеющиеся по этому вопросу данные советских и зарубежных исследователей. Особое внимание уделено взаимодействию циркуляции тропических и...»

«ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО, ТЕРАГЕРЦОВОГО И ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАМИ, МЕТАМАТЕРИАЛАМИ И БИООБЪЕКТАМИ Посвящается 100-летию со дня рождения первого заведующего кафедрой физики твердого тела, профессора, доктора физико-математических наук Зинаиды Ивановны Кирьяшкиной Материалы Всероссийской научной школы-семинара Под редакцией профессора Д.А. Усанова Саратов Издательство Саратовский источник 2014 УДК 537.5 ББК 32.85+22.3 Взаимодействие...»

«КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ТЕРРИТОРИЙ Материалы XV Всероссийского форума молодых ученых с международным участием в рамках III Евразийского экономического форума молодежи Диалог цивилизаций – „ПУТЬ НАВСТРЕЧУ“ (Екатеринбург, 1718 мая 2012 г.) Часть 9 Направления 17. Математические и инструментальные методы экономики 18. Механические системы. Аналитическая химия, физика 21. Проблемы региональной и муниципальной экономики Екатеринбург Издательство Уральского государственного экономического университета...»

«РАБОЧАЯ ПРОГРАММА на 2013-2014 учебный год по физике 8 класс количество часов: 68 всего 2 в неделю 4 Кол-во контрольных работ 14 Кол-во лабораторных работ Рабочая программа составлена на основе Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономияклассы 7-11, Москва, Дрофа, 2010г. Авторы программы:Е.М.Гутник, А.В.Перышкин. Учебник: А.В.Перышкин Физика 8 класс, Дрофа, 2009г. Учитель: Коренева Р.Ф. Иркутск 2013 год Пояснительная записка Данная рабочая программа ориентирована на...»

«ПРОГРАММА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН № 13 ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ ОТЧЕТ за 2013 г. Москва 2013 г. Утверждаю Президент Российской академии наук академик В.Е. Фортов 2013 г. Комплексная Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 13 ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ ОТЧЕТ за 2013 г. Координаторы Программы: Директор ИЛФ СО РАН академик _ С.Н. Багаев Научный руководитель ИПФ РАН академик А.В. Гапонов-Грехов ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЕКТОВ ПО...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.