Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
470 IV.7. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТР. И МАГН. ПОЛЯХ
В электронном синхротроне при неизменном периоде T0 ускоряющего электрического поля индукция магнитного поля В медленно возрастает так, что величина В/у и период T остаются постоянными. Энергия ускоряемых релятивистских электронов увеличивается с ростом В: W — const ¦ В.
В протонном с.инхротроне (синхрофазотроне), предназначенном для ускорения протонов и других тяжелых заряженных частиц (ионов), одновременно и согласованно увеличиваются и магнитная индукция и частота U0 так, что равновесная орбита ускоряемой частицы — окружность.
8°. С помощью современных ускорителей экспериментально исследуются проблемы физики высоких энергий, изучающей структуру элементарных частиц и законы их взаимодействий на очень малых пространственно-временных интервалах (расстояния ~ 10 18 м, времена порядка и меньше ядерного времени). Большое значение имеют эксперименты по обнаружению новых частиц, в особенности фундаментальных, которые могли бы служить основой для всех других частиц. Необходимое для ускорения частиц увеличение радиусов их орбит приводит к увеличению размеров ускорителей и их веса, а также усложняет фокусировку, необходимую для устойчивого движения частиц в вакуумной камере ускорителя. Сильная (жесткая) фокусировка позволяет снизить вес и размеры ускорителей. Она достигается специальной конструкцией электромагнитов и особым режимом магнитного поля.
В ускорителях на встречных пучках используется столкновение двух движущихся навстречу друг другу частиц высоких энергий. Энергия реакции Wp зависит от соотношения импульсов сталкивающихся частиц. Она максимальна и равна сумме энергий частиц, если импульсы частиц равны по модулю и противоположны по направлению (P1 = -р2), так что в ультрарелятивист-ском случае Wp =» 2ргс. В случае реакции на неподвижной мишени (р2 — 0) энергия реакции во много раз меньше при том же значении энергии налетающей частицы 1.
В коллективном методе пучок электронов падает на поток протонов и за счет кулоновского взаимодейст-
IV.7.4. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
471
вия увлекает за собой протоны до тех пор, пока ve > vp, где Ve — скорость электронов, Vp — скорость протонов. Когда ve = vp, энергия протонов оказывается в ~ 1840 раз больше энергии электронов. В этом методе ускоряющее действие электрического поля определяется не только внешним ИСТОЧНИКОМ, HO и числом ускоряемых частиц.
4. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
1°. Электронная оптика изучает свойства заряженных частиц (электронов, протонов), взаимодействующих с электрическими и магнитными полями. В геометрической электронной оптике пренебрегают волновыми свойствами частиц. Заряженные частицы в ней представляют как материальные точки, а их движение в полях описывается совокупностью траекторий.
Законы геометрической электронной оптики нарушаются в тех областях пучков заряженных частиц, где их плотность существенно меняется в пределах линейных размеров
I__ h _ h
P 2 л л/2 те(р
где h — постоянная Планка, си т — заряд и масса частиц, <р — потенциал электростатического поля, р — импульс частицы. Этим участкам соответствуют границы пучков и места их схождения (например, в главном фокусе, в точках изображения, создаваемого электронно-оптическими системами), где наблюдаются дифракционные явления, связанные с волновыми свойствами пучков частиц.
2е. На электронную оптику могут быть перенесены все основные законы обычной (световой) оптики. Аналогия обычной и электронной оптики основывается на том, что поле, в котором движется пучок электронов (или других заряженных частиц), можно уподобить оптически неоднородной среде, а траектории электронов — световым лучам в этой среде (оптико-механическая аналогия).
472 IV.7 ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖ. ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТР. И МАГН ПОЛЯХ
В электронной оптике в основном применяют аксиально симметричные поля (аналогично аксиально симметричным оптическим системам).
3°. Для движения электрона в электростатическом поле в нерелятивистском случае (скорость электрона
V с, где с — скорость света в вакууме) электроннооптический показатель преломления «среды» равен
п = С-ч/ф,
где ф — потенциал в рассматриваемой точке поля, отсчитываемый от потенциала той точки, в которой скорость электрона равна нулю, С — постоянная.
Закон преломления на границе раздела двух «сред» (закон Cnennuyca) в этом случае имеет вид
Sin І _ Jv2
Іь7
где і и г — углы «падения» и «преломления» электронного луча на некоторой поверхности, разделяющей области поля с потенциалами фх и ф2. Это соотношение применяют для приближенного нахождения траекторий электронов; при этом задаются рядом эквипотенциальных поверхностей («поверхностей раздела») и рассматривают электронные траектории как отрезки прямых («лучи»). Более точное построение траекторий электронов производится с учетом их кривизны:
I I dtp
р 2<p dz ’
где — — изменение потенциала электростатического dz
поля в направлении нормали к траектории.
В релятивистском случае электронно-оптический показатель преломления для электростатического поля имеет
