Для изучения структуры атомного ядра и природы ядерных сил или для осуществления искусственных ядерных превращений нужно иметь частицы (электроны, протоны, дейтроны, ионы) достаточно большой энергии, которые могли бы быть «снарядами» для бомбардировки ядер. Поэтому с развитием ядерной физики возникла потребность в создании специальных установок, которые называются ускорителями заряженных частиц.
Во всех таких ускорителях энергия заряженных частиц возрастает вследствие воздействия на них электрического поля.
Линейный ускоритель
В этой установке заряженные частицы приводятся в ускоренное прямолинейное движение под действием высокого электрического напряжения, приложенного на концах или отдельных участках вакуумной трубки:
На одном конце трубки находится источник заряженных частиц - 1, на другом – мишень.
Промежуточные электроды - 2 – в виде пустотных цилиндров играют двойную роль: обеспечивают более равномерный спад потенциала вдоль трубки и этим предотвращают возникновение разрядов на ее концах; щели между электродами фокусируют ионы ближе к оси трубки, поскольку левую фокусирующую половину щели ионы проходят дольше, чем правую – де фокусирующую:
В ускорителе такого типа заряженные частицы проходят электрическое поле однократно. Поэтому поле должно быть очень сильным. Для этого применяются высоковольтные генераторы.
Нерезонансный линейный ускоритель
В нерезонансном линейном ускорителе используется электростатический генератор Ван де Граафа:
Генератор состоит из двух металлических сферических электродов диаметром до 10 м, закрепленных на высоких изоляционных (текстолитовых) колоннах; последние размещаются на тележках, благодаря чему расстояние между электродами можно изменять. Заряды к электродам передаются двумя бесконечными шелковыми или резиновыми лентами, а передаются им через остриеподобные коллекторы. Ленты заряжаются через выпрямитель от трансформатора на 10-20 кВ.
Благодаря введению дополнительного коллектора лента не только приносит некоторый положительный заряд, но и забирает из электрода такой же отрицательный заряд, поэтому заряд электрода растет быстрее.
Электростатические генераторы позволяют получать напряжение до 5 · 10 кВ, ограничение напряжения обусловлено пробивным потенциалом окружающего газа. Для улучшения изоляции и уменьшения размеров электродов иногда их размещают в камере, наполненной азотом, фреоном или элегазом (SF6) под давлением до 16 · 105 Па.
Резонансные линейные ускорители
В резонансных линейных ускорителях используется высокочастотное переменное напряжение, а движение частицы синхронизируется с изменениями напряжения:
В цилиндрической вакуумной трубке размещены трубчатые электроды 1, 2, 3, … различной длины. На них с помощью шин и подается переменное напряжение. Длины и размещение электродов подбираются так, чтобы направление электрического поля в щелях совпадало с направлением движения частицы. Противоположное направление поля в щелях должно приходиться на то время, когда частица движется внутри трубчатых электродов. Там поле отсутствует и частица движется по инерции.
Хотя линейные ускорители не могут сообщать частицам такие большие энергии, которые теперь используются в атомной физике, все же они остаются ценными вспомогательными установками при ядерных исследованиях. Эти установки позволяют получать однородные ускоренные частицы строго контролируемой энергии.
Не знаете, где заказать написание статьи по физике на заказ? Авторы Студворк к вашим услугам!
Комментарии