Презентация на тему: "УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ"

• 1 слайд

  Электромагнетизм
  29.11.2023
  

• 2 слайд

  4.1. Классификация ускорителей
  4.2. Линейные ускорители
  4.3. Циклические ускорители
  Тема 4. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
  

• 3 слайд

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

• 4 слайд

  Любой ускоритель характеризуется:
  типом ускоряемых частиц,
  разбросом частиц по энергиям,
  интенсивностью пучка.
  Ускорители подразделяются на
  непрерывные (равномерный во времени пучок)
  импульсные (в них частицы ускоряются порциями – импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.
  

• 5 слайд

  По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на
  линейные,
  циклические
  индукционные.
  В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям,
  в циклических и индукционных траекториями частиц являются окружности или спирали.
  

• 6 слайд

  Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.
  
  

• 7 слайд

  4.2. Линейные ускорители
  1. Линейный ускоритель.
  Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа
  

• 8 слайд

  Высоковольтный генератор
  Ван-де-Граафа
  

• 9 слайд

  Заряженная частица проходит ускоряющее поле однократно:
  заряд q, проходя разность потенциалов приобретает кинетическую энергию
  
  
  Таким способом частицы ускоряются
  до ≈ 10 МэВ.
  Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов и пробоев.
  

• 10 слайд

  2. Линейный резонансный ускоритель.
  Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц.
  

• 11 слайд

  Таким образом частицы многократно проходят ускоряющий промежуток:
  протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектронвольт,
  электроны – до десятков гигаэлектронвольт.
  

• 12 слайд

• 13 слайд

  4.3. Циклические ускорители
  1. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов).
  

• 14 слайд

• 15 слайд

  Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов.
  К дуантам приложено переменное электрическое поле.
  Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
  

• 16 слайд

  Если заряженную частицу ввести в центр зазора (1) между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдет в дуант(3) и опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы.
  К моменту ее выхода из первого дуанта полярность напряжения изменяется, поэтому частица вновь ускоряется и, переходя во второй дуант, описывает там полуокружность уже большего радиуса (2) и т.д.
  

• 17 слайд

• 18 слайд

  Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнять 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.
  

• 19 слайд

  На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона (4).
  

• 20 слайд

  В циклотронах заряженная частица с зарядом q и массой m ускоряется до скоростей, при которых релятивистский эффект увеличения массы частицы практически не проявляется.
  

• 21 слайд

  Период обращения частицы
  
  
  
  
  Радиус траектории частицы
  

• 22 слайд

  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 (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается.
  Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов:
  при Е = 0,5 МэВ, масса возрастает до m = 2m0,
  при Е = 10 МэВ m = 28m0
  

• 23 слайд

  Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно осуществить, если применять предложенный:
  в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером и
  в 1945 г. американским физиком
  Э. Мак-Милланом
  принцип автофазировки.
  

• 24 слайд

  Идея принципа автофазировки заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют
  либо частоту ускоряющего электрического поля,
  либо индукцию магнитного поля,
  либо то и другое.
  Принцип автофазировки используется в
  фазотроне,
  синхротроне и
  синхрофазотроне.
  

• 25 слайд

  В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона.  На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 1. Первая работающая модель циклотрона Рис. 2. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона, который широко использовался
  в экспериментальных исследованиях
  ядерных реакций и искусственной радиоактивности
  
  

• 26 слайд

  2. Микротрон
  (электронный циклотрон) – циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения сохраняется за счёт изменения кратности ускорения .
  

• 27 слайд

  Частица вращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор.
  В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения.
  Причем, если частица с самого начала вошла в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения.
  

• 28 слайд

  В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной орбите, также будут ускоряться.
  
  

• 29 слайд

  Микротрон – ускоритель непрерывного действия,
  способен давать токи порядка 100 мА,
  максимальная достигнутая энергия порядка 30 МэB
  (Россия, Великобритания).
  

• 30 слайд

  Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.
  

• 31 слайд

  Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным.
  Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали;
  соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора.
  

• 32 слайд

  3. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, α-частиц),
  управляющее магнитное поле постоянно,
  частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом.
  

• 33 слайд

• 34 слайд

  Движение частиц 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.
  

• 35 слайд

  Фазотрон
  Энергии до 1 ГэВ
  

• 36 слайд

• 37 слайд

  4. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна.
  

• 38 слайд

  Схема строения синхротрона:
  1 – инжектор электронов;
  2 – поворотный магнит;
  3 – пучок электронов;
  4 – управляющий электромагнит;
  5 – вакуумная тороидальная камера;
  6 – ускоряющий промежуток.
  

• 39 слайд

  
  Электроны в разных синхротронах ускоряются
  до энергий 1 – 10 ГэВ.
  

• 40 слайд

  Синхротронное
  излучение
  конус
  синхротронного
  излучения
  электрон
  R
  V
  
  a
  2
  =
  а
  

• 41 слайд

  Синхротронное
  излучение
  веер
  тормозного
  излучения
  электрон
  

• 42 слайд

• 43 слайд

  Undulator radiation
  

• 44 слайд

• 45 слайд

  
  Внешний вид Томского синхротрона «Сириус» на 1,5 ГэВ
  

• 46 слайд

• 47 слайд

  Устройство протонного синхротрона
  

• 48 слайд

• 49 слайд

  Томск
  Дубна
  

• 50 слайд

• 51 слайд

  Plan of the Experimental Hall and Links to All Beamlines
  

• 52 слайд

  3.0 GeV Electron Storage ring Diamond
  Harwell/Chilton Science Campus, UK.
  Circumference 561.6 m; No. of cells 24 (6 fold symmetry)
  Electron beam current 300 mA; Minimum beam lifetime10 hours; Emittance – horizontal 2.7 nm-rad; Emittance - vertical0.03 nm-rad; No. of Insertion Devices (IDs)Up to 22; Free straight lengths for IDs: 18x5 m, 6x8; gap10 mm; Building diameter235 m  
  

• 53 слайд

  5. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона.
  

• 54 слайд

  Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным.
  

• 55 слайд

  Между полюсами этого магнита расположена тороидальная вакуумная камера, в которую инжектирован пучок протонов. Если смотреть на ускоритель сверху, то пучок протонов движется по часовой стрелке со скоростью V, близкой к скорости света c.
  

• 56 слайд

  Рассмотрим действие лоренцевой силы и рассчитаем энергию протонного ускорителя, представляющего собой кольцевой магнит диаметром 2 км.
  

• 57 слайд

  Центростремительная сила равна:
  
  
  где mr – релятивистская масса протона.
  
  Так как эта сила обусловлена действием магнитного поля, она равна силе Лоренца
  
  
  Тогда:
  

• 58 слайд

  Поскольку , то можно записать
  
  
  
  
  так можно рассчитать полную релятивистскую энергию протонов:
  

• 59 слайд

  Заметим при этом, что магнитное поле не увеличивает скорость или энергию частиц.
  Ускорение протонов осуществляется при каждом их обороте в кольце за счет электростатического поля, которое действует на коротком участке кольца.
  

• 60 слайд

  В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей.
  Масса частицы m зависит от ее скорости :
  
  
  
  
  
  где m0 – масса покоя частицы.
  

• 61 слайд

  Кинетическая энергия частицы K:
  
  
  
  где – полная энергия частицы
  
  – энергия покоя частицы.
  

• 62 слайд

  Импульс релятивистской частицы
  

• 63 слайд

  Период обращения релятивистской частицы
  

• 64 слайд

  Радиус окружности траектории релятивистской частицы
  

• 65 слайд

• 66 слайд

  6. Бетатрон – единственный циклический ускоритель электронов нерезонансного типа, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем.
  

• 67 слайд

  Электродвижущая сила индукции, создаваемая переменным магнитным полем, может существовать и в отсутствие проводников – в вакууме
  

• 68 слайд

  Кинетическая энергия K, передаваемая вихревым электрическим полем единичному положительному заряду, равна интегралу по замкнутому контуру L:
  Согласно закону Фарадея, этот интеграл равен изменению магнитного потока через замкнутый контур L.
  

• 69 слайд

  
  Таким образом, вихревое электрическое поле может действовать на сгусток электронов, двигающихся в магнитном поле, и ускорять их.
  

• 70 слайд

  Переменный центральный магнитный поток Вср создает в бетатроне вихревую ЭДС индукции, ускоряющую электроны:
  при каждом обходе контура энергия электронов увеличивается на величину
  .
  

• 71 слайд

  Циклический индукционный ускоритель электронов данного типа называется бетатроном.
  

• 72 слайд

  Удержание электронов на стационарной круговой орбите осуществляется управляющим магнитным полем , определенным образом, изменяющимся во времени.
  

• 73 слайд

  Бетатрон (рис. а) состоит из тороидальной вакуумной камеры (рис. в),
  помещающейся между полюсами электромагнита специальной формы (рис. б).
  Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой .
  
  
  
  
  
  
  а б в
  

• 74 слайд

  Переменное магнитное поле выполняет две функции:
  во-первых, создает вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны внутри тороида;
  во-вторых, удерживает электроны на орбите (силовые линии располагаются так, чтобы пучок электронов находился в состоянии устойчивого равновесия в центре тора).
  

• 75 слайд

  За время порядка 10-3c электроны успевают сделать до 106 оборотов и приобрести энергию до 500 МэВ
  (сотни МэВ в разных ускорителях).
  При такой энергии скорость электронов близка к скорости света ( ).
  

• 76 слайд

  Кроме того, сам же пучок электронов в данном случае выполняет роль вторичной обмотки трансформатора.
  

• 77 слайд

  В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет электроны от стационарной орбиты и направляет их на специальную мишень, расположенную внутри камеры.
  

• 78 слайд

  Попадая на мишень, электроны тормозятся в ней и испускают жесткие γ-лучи или рентген, которые используются в ядерных исследованиях при неразрушающих методах контроля, в медицине и т.д.
  

• 79 слайд

  Идея бетатрона запатентована в 1922 г.
  Дж. Слепяном.
  В 1928 г. Р. Видероэ сформулировал условие существования равновесной орбиты – орбиты постоянного радиуса «условие 2:1».
  Первый действующий бетатрон был создан в 1940 г. Д. Керстом.
  

• 80 слайд

  Первый действующий бетатрон Д. Керста.
  

• 81 слайд

  В СССР первые бетатроны были разработаны и созданы учеными Томского политехнического института профессорами :
  А.А. Воробьевым,
  Л.М. Ананьевым,
  В.И. Горбуновым,
  В.А. Москалевым,
  Б.Н. Родимовым.
  

• 82 слайд

  В последующие годы в институте интроскопии (НИИН при ТПУ) под руководством профессора
  В.Л. Чахлова, успешно разрабатываются и изготавливаются малогабаритные переносные бетатроны (МИБ), применяемые в медицине, дефектоскопии и других прикладных и научных исследованиях.
  
  
  МИБ
  1 -10 МэВ
  

• 83 слайд

  Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования бетатроны нашли особо широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергии 20  50 МэВ.
  
  Используется непосредственно сам электронный пучок или тормозное γ-излучение, энергия которого может плавно изменяться.
  

• 84 слайд

  Создание бетатронов на более высокие энергии сопряжено с необходимостью использования электромагнитов слишком большого размера и веса (магнитное поле приходится создавать не только на орбите, но и внутри неё).
  

• 85 слайд

  7. Большой адронный коллайдер (БАК).
  

• 86 слайд

  В 2000 году физики из ЦЕРНа (европейский центр ядерных исследований), работающие на 27-километровом кольцевом Большом электрон-позитронном коллайдере LEP (Large Electron Positron Collider), обнародовали фотографии превращений элементарных частиц, которые вроде бы свидетельствовали о реальности хиггсовского бозона, однако последующие эксперименты доказали преждевременность этого вывода.
  

• 87 слайд

  В то время считалось, что масса этой частицы не превышает 96 Гэв, что лежало в пределах возможностей церновского коллайдера.
  В то же время теоретические расчеты показывают, что даже небольшое увеличение массы t -кварка должно весьма значительно повышать массу хиггсовского бозона.
  

• 88 слайд

  Теперь этот кварк «потяжелел» с 175 до 178 Гэв
  Теоретически вычисленная масса бозона Хиггса оказывается не меньше 117 Гэв, но может составлять и 251 Гэв.
  Это означает, что бозон Хиггса невозможно получить ни на одном ныне действующем ускорителе, так что выводы европейских физиков и в самом деле приходится признать ошибочными.
  

• 89 слайд

  Сейчас ЦЕРН строит самый мощный ускоритель, LHC (Large Hadron Collider) – Большой адронный коллайдер (БАК)
  Диаметр кольца ускорителя 20 км.
  Его энергии должно хватить и для долгожданной поимки хиггсовского бозона.
  Новый суперускоритель ЦЕРНа будет запущен в 2007 году, так что ждать осталось уже недолго.
  

• 90 слайд

• 91 слайд

  Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.
  
  Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.
  
  

• 92 слайд

• 93 слайд

  Большой андронный коллайдер
  

• 94 слайд

• 95 слайд

• 96 слайд

• 97 слайд

• 98 слайд

• 99 слайд

  Лекция окончена!
  

Краткое описание документа:

•Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т.д.).Любой ускоритель характеризуется:•типом ускоряемых частиц, •разбросом частиц по энергиям, •интенсивностью пучка. Ускорители подразделяются на • непрерывные (равномерный во времени пучок) • импульсные (в них частицы ускоряются порциями – импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.