Ускорители заряженных частиц

Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетических заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т.д.).

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, энергией, сообщаемой частицам, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители делятся на непрерывные (их них выходит равномерный по времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают 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 частиц:

1. Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа. Заряженная частица проходит поле однократно: заряд , проходя разность потенциалов , приобретает энергию . Таким способом частицы ускоряются до 10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т.д.

2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергией порядка десятков мегаэлектрон-вольт, электроны – до десятков гигаэлектрон-вольт.

3. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитными полями, войдя в дуант 1, опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы. К моменту ее выхода из дуанта 1 полярность напряжения изменится (при соответствующем подборе напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходя в дуант 2, описывает там уже полуокружность большего радиуса и т.д.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие “резонанса”) – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.

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, и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при МэВ ).

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять метод, предложенный в 1944 г. Векслером и в 1945 г. американским физиком Мак-Милланом 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 магнитных полей, либо и то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

4. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменятся с периодом. Движение частицы 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).

5. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5-10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т.е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтоб радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.

7. Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20-50 МэВ.

Закон Био-Савара-Лапласа

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током , элемент которого создает в некоторой точке А индукцию , записывается в виде:

,

где - вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током, - радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в точку А поля, - модуль радиус-вектора . Направление может быть найдено по правилу правого винта.

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности.

Расчет характеристик магнитного поля по приведенным формулам в общем случае сложен. Однако если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля.

Эффект Холла

Эффект Холла – это возникновение в металле (или полупроводнике) с током плотностью , помещенном в магнитное поле , электрического поля в направлении, перпендикулярном и .

Поместим металлическую пластинку с током плотностью в магнитное поле , перпендикулярное . Электроны испытывают действие силы Лоренца. Т.о., у одного края пластинки возникнет избыток электронов, у другого – их недостаток. В результате этого между краями пластинки возникнет дополнительное поперечное электрическое поле, направленное снизу вверх. Пусть - ширина пластинки, тогда

, или ,

где - поперечная (холловская) разность потенциалов.

Учитывая, что сила тока , получим

,

т.е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции , силе тока и обратно пропорциональна толщине пластинки . В формуле - постоянная Холла, зависящая от вещества. По измеренному значению постоянной Холла можно 1). Определить концентрацию носителей тока в проводнике (при известных характере проводимости и заряде носителей); 2). Судить о природе проводимости полупроводников, так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда носителей тока. Эффект Холла поэтому – наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках. Он применяется также для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчик Холла) и т.д.