Прискорювачі заряджених частинок

В наукових дослідженнях з атомної і ядерної фізики та фізики елементарних частинок, у хімії, біофізиці, геофізиці, а також у ряді прикладних галузей (дефектоскопія, променева терапія тощо) застосовують заряджені частинки великих енергій (). Для досягнення таких енергій заряджені мікрочастинки (електрони, протони, ядра, іони) розганяють в електричних полях до швидкостей, близьких до світлових. Сучасні складні й потужні установки, які призначені для одержання частинок великих енергій за допомогою прискорення їх в електричних полях, називають прискорювачами. З типами за принципом роботи сучасних прискорювачів можна ознайомитись за посібником [5].

Найбільш сучасні прискорювачі протонів та інших позитивно заряджених частинок побудовані за циклічним типом, принцип дії яких розглянемо на прикладі циклотрона, вперше побудованого американським фізиком Е. Лоуренсом у 1931 р.

Циклотрон складається з двох металевих дуантів і (рис. 1.25), які являють собою дві половини невисокої тонкостінної циліндричної коробки, розділені вузькою щілиною. Дуанти вміщені в плоску замкнену камеру , яка розміщена між двома полюсами сильного електромагніту. Магнітне поле напрямлене перпендикулярно до площини рисунка. Дуанти за допомогою електродів і з’єднані з полюсами електричного генератора, який створює в щілині між ними змінне електричне поле. Вмістимо в точку позитивний іон у той момент, коли електричне поле між дуантами максимальне і напрямлене знизу вгору. Під дією електричного поля іон почне рівноприскорено переміщуватись в площині рисунка знизу вгору. Як тільки він увійде в дуант , прискорююча дія еле-

Рис. 1.25 ктричного поля припиняється. Це пов’язано з тим, що металеві стінки дуанта майже повністю екранують його внутрішню порожнину від електричного поля в зазорі. Всередині дуанта іон під дією магнітного поля опише півколо, радіус якого можна визначити за формулою (1.40). До того часу, коли іон, рухаючись в дуанті , підходитиме до зазора між дуантами, напрямок електричного поля зміниться на протилежний початковому і поле знову прискорюватиме рух іона. Потім в середині ду- анта іон опише півколо, але вже дещо більшого радіуса, що відповідає більшій швидкості. До моменту вильоту іона в зазор електричне поле знову змінить свій напрямок і прискорюватиме рух іона. Внаслідок багаторазового прискорення іона електричним полем його кінетична енергія може стати дуже великою. Для зменшення ймовірності гальмування внаслідок зіткнення з молекулами повітря в камері створюють високий вакуум.

Цей процес безперервного прискорення іонів можливий лише за умови,

що рух іона і зміна електричного поля в зазорі відбуватимуться строго синхронно. Інакше іон при проходженні через зазор буде то прискорюватися, то сповільнюватися. Отже, для нормальної роботи циклотрона необхідно, щоб період коливань електричного поля збігався з періодом обертання іона . За формулою (1.41) період обертання . У циклотроні магнітне поле постійне, а напруженість електричного поля змінюється з часом за гармонічним знаком () із сталим періодом. При малих швидкостях руху (), тобто для іона, кінетична енергія якого невелика, маса практично постійна і дорівнює масі в спокої. Тому період обертання іона в циклотроні сталий. Умову синхронності легко здійснити відповідним добором або індукції магнітного поля.

При зростанні швидкості іона до величин, сумірних з швидкістю світла, його маса змінюється за формулою . Період обертання зростає і не дорівнює . Отже, умова синхронності виконується лише до деякої граничної кінетичної енергії іона. За даними [3] значення цієї енергії можна оцінити за формулою

,

де і - заряд і маса частинки в спокої, - швидкість світла, - амплітуда напруги між дуантами. Так, при для протона , для електрона .

При підвищених кінетичних енергіях заряджених мікрочастинок синхронність забезпечується зміною в часі як індукції магнітного поля, так і прискорювальної частоти . Такий прискорювач називають синхрофазотроном (див.[5]).