on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 46 гостей.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

50.5 Циклотрон.

 Постоянство частоты вращения частиц в магнитном поле используется в циклотроне одном из типов ускорителей заряженных частиц − ионов.
 Принципиальная схема ускорителя показана на рис. 491.


рис. 491

 Основная часть циклотрона − большой электромагнит 1 диаметром в несколько метров и весом в десятки и сотни тонн, между полюсами которого (верхняя часть электромагнита, второй его полюс, на рисунке не показана) находится вакуумная камера. Индукция магнитного поля, создаваемого в камере составляет 1 − 2 Тл. В вакуумной камере расположены ускоряющие электроды (дуанты) 2. Источник частиц 3 впрыскивает ионы внутрь камеры вблизи ее центра. Под действием постоянного магнитного поля ионы движутся по дугам окружностей. В зазоре электродов создается высокочастотное электрическое поле, частота которого в два раза превышает частоту вращения ионов, которая определяется формулой (4). Ускоряющая разность потенциалов между электродами обычно составляет несколько десятков киловольт. Благодаря этому полю ионы, каждый раз проходя область в зазоре электродов-дуантов, ускоряются, поэтому радиус их орбиты возрастает (см. формулу (2)), а период вращения остается постоянным1. Достигая периферийной области, ускоренные ионы выводятся из ускорителя и направляются на мишень и регистрирующие устройства.
 Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как при высоких скоростях начинает проявляться релятивистская зависимость периода обращения от скорости частиц. С ростом скорости этот период возрастает, и поэтому при каждом очередном попадании в ускоряющий зазор частицы начинают всё больше опаздывать, пока не оказываются в нём тогда, когда существующее в зазоре поле будет их тормозить. Поэтому для получения частиц высоких энергий используют другие, более сложные ускорители, например, электронные синхрофазотроны.
 Ускорители циклотроны были разработаны и построены в 30-х годах ХХ века и сыграли (и продолжают играть) большую роль в развитии ядерной физики. Не смотря на простоту основных принципов работы ускорителя, циклотрон является очень сложным инженерным сооружением, включающим (помимо описанных элементов) источники питания (электромагнитов, источников частиц, ускоряющей системы, системы регистрации и д.р.), вакуумную систему, блоки управления и регистрации и т.д.
 Первая модель циклотрона впервые была построена в 1930 году американскими физиками Э. Лоуренсом и С. Ливингстоном. Диаметр циклотрона составил 25 сантиметров; энергии частиц в их экспериментах доходили до 1 МэВ.
В 1931 году этими же учёными была создана научная установка размером 69 см. Эта установка активно использовалась в экспериментах по исследованию ядерных реакций и искусственной радиоактивности. На фото − С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона

Фото с сайта nuclphys.sinp.msu.ru


1Как было отмечено, при приближении скорости частиц к скорости света период вращения возрастает. Этот фактор ограничивает максимальную энергию ускоряемых частиц. В более совершенных ускорителях учитывается это изменение периода посредством изменения индукции магнитного поля или изменения частоты электрического поля.