Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
ряда используется отклонение заряженных частиц в магнитном поле. Экспериментально определяются скорость частицы V (обычно скорость частицы создается электрическим полем с заданной разностью потенциалов) и радиус г траектории частицы в магнитном поле:
M = yv т г В '
2°. Для определения удельного заряда и массы положительных ионов одновременно действуют на частицы магнитным и электрическим полями. Приборы, предназначенные для точных измерений относительных атомных масс изотопов химических элементов, называют масс-спектрографами и масс-спектрометрами.
IV.7.3. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
467
3°. Спектром масс (массовым спектром) частиц называют совокупность значений их масс. В масс-спектрографе Астона (рис. IV.7.4) все частицы с одинаковым
удельным зарядом 2- отклоняются во взаимно перпен-т
дикулярных электрическом поле конденсатора С и маг-
нитном поле катушки M так, что независимо от их скорости они фокусируются в одной точке. На фотопластинке получается ряд узких параллельных линий Of1, &2, ••¦)» соответствующих различным значениям
S-(Yi) »(?) 1.
т WmJgl KmJg1 J
3. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
1°. Устройства для получения заряженных частиц с весьма большой кинетической энергией называют ускорителями. Методы ускорения делятся на три группы: прямой, индукционный и резонансный. По форме траекторий движения частиц ускорители делятся на линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических они являются окружностями или спиралями.
2°. В прямых линейных ускорителях частица однократно проходит электрическое поле с большой разностью потенциалов, созданное электростатическими генераторами, например генератором Ван-де-Граафа.
3°. Единственным циклическим ускорителем индукционного типа является бетатрон, используемый для ускорения электронов до энергий порядка IO2 МэВ. В бетатроне использовано возникновение в ускорительной камере вихревого электрического йоля под влия-
468 IV.7. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖ. ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТР. И МАГН ПОЛЯХ
нием переменного магнитного поля электромагнита. Траекториями электронов являются окружности, совпадающие с линиями напряженности вихревого электрического поля. При многократном движении электрона по устойчивой круговой орбите электрон приобретает большую энергию.
Напряженность вихревого электрического поля в бетатроне равна
2 df
где Bcp — среднее значение в момент времени t магнитной индукции в пределах круга радиуса г, г — расстояние от оси поля до рассматриваемой точки (радиус круговой орбиты электрона в бетатроне). Условие стабильности орбиты электрона в бетатроне:
где В — мгновенное значение магнитной индукции на орбите.
Условия устойчивости орбиты электрона в бетатроне:
а) аксиальная фокусировка, т. е. расположение орбиты в одной плоскости, достигается за счет специальной формы полюсных наконечников электромагнита, обеспечивающей постепенное ослабление магнитного поля по мере удаления от его оси;
б) радиальная фокусировка, т. е. возвращение на стабильную орбиту электронов, случайно сошедших с нее, достигается за счет того, что магнитная индукция поля электромагнита убывает от оси к периферии медленнее, чем і , где г •— расстояние от рассматриваемой
г
точки поля до оси.
4°. В резонансных циклических ускорителях, применяемых для ускорения протонов, дейтронов и других частиц, ускоряемая частица многократно проходит через переменное электрическое поле по замкнутой траектории, каждый раз увеличивая свою энергию. Для управления движением частиц и периодического возвращения их в область ускоряющего электрического поля применяется сильное магнитное поле. Прохождение частицей определенных точек переменного электрического поля происходит приблизительно в одной и той же его фазе («в резонансе»).
IV.7.3. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
469
5°. Простейшим резонансным ускорителем является циклотрон. Переменное ускоряющее электрическое поле создается в щели между двумя половинами цилиндрической коробки (дуантами) M и N (рис. IV. 7.5). Частица ускоряется каждый раз, когда она, описав под действием магнитного поля полуокружность в дуанте, входит в зазор между M и N. Для непрерывного ускорения частицы необходимо выполнение условия резонанса (синхронизма): T0 = Т, где T0 — период колебаний электрического поля, T — период обращения частицы. При скоростях V частицы, соизмеримых со скоростью света в вакууме, с увеличением v период T возрастает и условие синхронизма нарушается.
Рис. IV.7.5
6°. Принцип автофазировки в циклических ускорителях релятивистских частиц заключается в. том, что всякое отклонение периода T от резонансного значения T0 приводит к такому изменению прироста энергии частицы при каждом ускорении, что T колеблется около T0, оставаясь в среднем равным ему:
T ~ T = — w
0 ~в w в'іф?’
где W — полная энергия частицы, с — скорость света в вакууме, у-фактор Лоренца.
7°. В фазотроне ускорение осуществляется при В — const медленным увеличением T0. Из принципа автофазировки следует, что при этом растет энергия частиц вследствие релятивистского возрастания массы со скоростью.