Механика и теория относительности - Матвеев А.Н.
ISBN 5-329-007242-9
Скачать (прямая ссылка):
сыграл очень важную роль в физике. Однако эти энергии недостаточны для
исследования многих физических явлений, когда требуются частицы с
энергиями в сотни миллионов, миллиарды и десятки миллиардов
электронвольт. Другим существенным недостатком радиоактивных элементов
является малая интенсивность их потоков, в результате чего редкие
события, которые бывают часто наиболее важными, очень трудно обнаружить,
поскольку для их воспроизведения надо затратить очень много времени.
Другим важным естественным источником частиц высокой энергии являются
космические лучи. В них встречаются частицы с чрезвычайно большими
энергиями, вплоть до 1017-1018 эВ и даже до 1020 эВ. Получить в
искусственных условиях такие энергии не представляется возможным ни
сейчас, ни в недалеком будущем. В космических лучах присутствуют также
частицы и меньших энергий. Однако интенсивность этих частиц очень мала и,
чтобы наблюдать явления, происходящие с малой вероятностью, приходится
ждать очень долгое время. Например, давно было установлено, что при
определенных условиях должно произойти рождение пары частиц протон -
антипротон. Однако наблюдать этот процесс в космических лучах не удалось.
Это удалось лишь в ускорителях, разгоняющих частицы до достаточно больших
энергий.
В ускорителях заряженных частиц используются главным образом два метода
ускорения - резонансный и индукционный.
Резонансный метод ускорения. Магнитное поле изменяет лишь направление
скорости заряженной частицы, но не абсолютное значение этой скорости, т.
е. энергию частицы. Поэтому магнитное поле можно использовать только для
управления ее траекторией, а не для сообщений ей энергии. Энергия частицы
может быть изменена лишь электрическим полем. Частица с зарядом е, равным
заряду электрона, проходя разность потенциалов Z7, приобретает (или будет
приобретать) энергию eU. Практически можно создать разность потенциалов в
несколько сотен тысяч вольт, а в специальных устройствах, называемых
электростатическими генераторами, - в несколько миллионов вольт.
Следовательно, таким путем частицы могут приобрести энергию лишь в
несколько
41. Ускорители заряженных частиц
255
миллионов электронвольт. Задача состоит в том, чтобы с помощью небольшой
разности потенциалов сообщить частицам энергию, во много раз большую той,
которую она получает при однократном прохождении этой разности
потенциалов. Естественным решением этой задачи является идея
многократного ускорения частицы одной и той же разностью потенциалов.
Пусть имеется последовательность трубок (1-4), к которым подключены
поочередно различные полюсы генератора переменного напряжения, в
результате чего соседние трубки оказываются всегда заряженными
разноименно (рис. 91). Внутри трубки, как известно, электрическое поле
отсутствует, так что частица движется там без действия внешних сил. Между
трубками имеется электрическое поле, которое может либо ускорить, либо
замедлить частицу в зависимости от знака заряда и направления поля между
ними. Пространство между трубками называется ускоряющим промежутком.
Пусть положительно заряженная частица входит в ускоряющий промежуток /
между первой и второй трубками, когда знаки потенциалов трубок совпадают
с указанными па рис. 91. При прохождении этого промежутка частица получит
прирост энергии eU, где U - разность потенциалов между трубками. Затем
частица входит внутрь второй трубки, где на нее никакие силы не
действуют, и энергия ее при этом не изменяется. Пройдя трубку 2, частица
попадает в ускоряющий промежуток II. Если к этому времени потенциалы
трубок не изменятся, то поле между трубками 2 и 3 будет тормозить
I
Одна и та те небольшая разность потенциалов, пройденная заря-тенной
частицей много раз, позволяет получить большое увеличение энергии
частицы.
Объясните принцип резонансного ускорения.
В чем состоит индукционный метод ускорения!
+ +
L0-
- п + + щ-
91.
Принцип резонансного ускорения заряженных частиц
Напряжение на трубках изменяется таким образом, что частица, попадая в
лростраиство между ними, всегда оказывается в ускоряющем электрическом
поле
256
Глава 8. ДВИЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
частицу и, пройдя этот промежуток, она потеряет энергию eU, т. е., попав
внутрь трубки 3, будет иметь ту же энергию, которую она имела, проходя
трубку 1. Таким образом, никакого ускорения частица не приобрела. Чтобы
не произошло торможения частицы в промежутке II, надо к моменту выхода
частицы из трубки 2 изменить потенциалы всех трубок на обратные. Тогда в
этом промежутке частица снова окажется в ускоряющем поле и после его
прохождения получит новую порцию энергии eU. Поэтому, для того чтобы
заряженная частица проходила все промежутки между трубками в ускоряющем
поле, необходимо за время пролета частицы через трубку ее потенциал, а
следовательно, и потенциалы соседних трубок изменить на обратные. Для
этого необходимо, чтобы за время пролета трубки в генераторе напряжения
