Циклотрон – Прискорювачі заряджених частинок

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.3. Прискорювачі заряджених частинок

Циклотрон

Резонансний лінійний прискорювач крім великих переваг має істотний недолік, який полягає в тому, що для великих енергій прискорюваних частинок він потребує великої кількості прискорювальних електродів. До того ж у технічному відношенні важко створити високий вакуум у трубках великої довжини. В 1931 р. Е. Лоуренс із співробітниками розробив перший циклічний резонансний прискорювач заряджених

частинок – циклотрон. Як і в лінійному прискорювачі, йони в циклотроні прискорюються за допомогою змінного електричного поля, проте характер їхнього руху тут інший – прискорювані частинки рухаються по викривленій траєкторії. При цьому вони багаторазово проходять тільки один прискорювальний проміжок між двома електродами (дуантами). Зміна характеру руху заряджених частинок досягається вміщенням камери циклотрона між полюсами електромагніту постійного струму.

В однорідному магнітному

полі, вектор магнітної індукції якого напрямлений перпендикулярно до площини руху зарядженої частинки, ця частинка зазнаватиме дії сили Лоренца. Сила Лоренца напрямлена завжди перпендикулярно до напряму швидкості частинки, виконує роль доцентрової сили і спричинює рух частинки по колу, радіус якого

 Циклотрон   Прискорювачі заряджених частинок

Де m – маса частинки; е – її заряд; υ – швидкість руху; В – індукція магнітного поля. Із формули (17.1) випливає, що радіус кола, по якому рухається заряджена частинка в однорідному магнітному полі, прямо пропорційний її швидкості. Оскільки заряджена частинка в циклотроні, прискорюючись, збільшує свою швидкість, то вона рухатиметься не по колу, а по спіралі. При цьому період обертання її в постійному магнітному полі не залежить від швидкості руху частинки:

 Циклотрон   Прискорювачі заряджених частинок

Це дало змогу використати для прискорення iонів у циклотроні високочастотне електричне поле.

Схему циклотрона зображено на рис. 17.6. Він складається з потужного електромагніта, між плоскими полюсами якого розміщено циліндричну камеру для прискорення iонів, джерела iонів і генератора високої частоти. В камері циклотрона підтримується вакуум 133 ∙ 10-5 Па. Джерелом iонів є дуговий розряд, що відбувається в особливій металевій коробці, розміщений у центрі камери. В неї під тиском близько 133 ∙ 10-3 Па подається водень, дейтерій або гелій, залежно від того, які саме iони прискорюються в циклотроні. Iони, що виникають під час дугового розряду, просочуються крізь капілярний отвір у коробці і попадають у камеру циклотрона біля її центра. Прискорення йонів здійснюється полем між двома електродами-дуантами, що мають форму порожнистого металевого циліндра, розрізаного по одному з діаметрів на дві частини (1, 2). Напруга до них підводиться від високовольтного лампового генератора. Всередині дуантів електричного поля немає і iони рухаються тільки під дією магнітного поля, яке, відхиляючи iони, забезпечує рух їх по дузі кола. Оскільки iони, проходячи проміжок між дуантами, кожний раз прискорюються електричним полем, що діє тут, то радіус дуг кіл, по яких вони рухаються всередині дуантів, при кожному півоберті дещо зростає. Щоб при цьому змінне електричне поле прискорювало, а не гальмувало рух iона, напруга на дуантах має змінюватися на протилежну в такт з півобертами iона по витках спіралі. Згідно з формулою (17.2) резонансна частота V змінної напруги, потрібна для здійснення синхронізації, визначається так:

 Циклотрон   Прискорювачі заряджених частинок

Отже, частота змінної напруги, прикладеної до дуантів при фіксованому значенні індукції магнітного поля, має бути пропорційною відношенню е / m.

 Циклотрон   Прискорювачі заряджених частинок

Рис. 17.6

Енергія, якої набуває iон під час прискорення, залежить від частоти обертання n і становить W = 2neU0, де е – заряд iона, a U0 – амплітудне значення напруги між дуантами. Здавалося б, збільшуючи ті, можна надавати зарядженим частинкам як завгодно великої енергії. Проте це не так, бо при великих швидкостях спостерігається так званий релятивістський ефект. При цьому збільшується період обертання частинки, і, отже, порушується резонанс з підведеною до дуантів змінною напругою. Отже, релятивістський ефект зумовлює граничну енергію, до якої прискорюються заряджені частинки в циклотроні.

Якщо амплітуда підведеної напруги U0 виражена в кіловольтах, то, як показують розрахунки, максимальна енергія в мегаелектронвольтах, яку можна надати iонам у циклотроні, становить

 Циклотрон   Прискорювачі заряджених частинок

Де А – маса iона, виражена в масах протона; Z – заряд iона, виражений у зарядах електрона. Так, при U0 =100 кВ циклотрон може прискорити протони до енергії не більше ніж 21 МеВ і α-частинки (А = 4, Z = 2) до енергії не більше ніж 60 МеВ.




Циклотрон – Прискорювачі заряджених частинок