УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

Ускоритель характеризуется типом частиц, энергией, сообщаемой частицам и интенсивностью пучка. Ускорители делятся на непрерывные и импульсные. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители бывают линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения прямые, а в циклических и индукционных — окружности.

1) Линейный ускоритель. Ускорение осуществляется электростатическим полем. Заряженная частица проходит поле однократно: заряд q, проходя разность потенциалов (j₂ - j₁), приобретает энергию

W = q.(j₂ - j₁) » до 10 Мэв. (11.12.)

2). Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляет­ся переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десят­ков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.

Рис 60. Движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона.

3). Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц. Между полюсами электромагнита находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, к которым приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле перпендикулярно плоскости поля электрического. Частица, попадая в зазор между электродами, ускоряется электрическим полем и отклоняется полем магнитным. Для ускорения частицы в циклотроне необходим синхронизм — период вращения частицы в магнитном поле и колебания напряженности электрического поля должны быть равны. При этом частица будет двигаться по спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию.

Когда энергия частиц и радиус орбиты будут максимальны, пучок частиц выводится из циклотрона.

Рис. 61. Схема циклотрона.

4. Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, a-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. 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).

5. Синхротрон — циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских элек­тронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одно­временно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.

7. Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором уско­рение осуществляется вихревым электрическим полем,, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бета­троне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхро­низации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W > 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20—50 МэВ.

Рис. 62. Схема масс-спектрометра.

ЭФФЕКТ ХОЛЛА.

При помещении металлической пластины с током плотностью j в магнитное поле В, перпендикулярное j, на электроны, являющиеся носителями зарядов, действует сила Лоренца, которая приводит к повышению концентрации этих носителей в направлении перпендикулярном как направлению движения электронов, так и направлению действия магнитного поля В. Возникает градиент концентрации носителей заряда и напряженности электрического поля, т.е. разность потенциалов. Когда напряженность Е поперечного электростатического поля достигнет такой величины, что его действие будет компенсировать силу Лоренца, установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении.

e.E_k = e.Dj/a = e.v.B (11.13.)

или

Dj = v.B.a, (11.14.)

где а - ширина проводника, Dj - поперечная или холловская разность потенциалов. С учетом того, что сила тока

I = j.S = n.e.v.S, (11.15.)

где S - площадь поперечного сечения проводника толщиной d, n - концентрация носителей заряда (электронов), v - средняя скорость упорядоченного движения носителей, получим:

Dj = [I/(n.e.a.d)].B.a = (1/e.n).(I.B./d) = (R.I.B)/d, (11.16.)

т.е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции В, силе тока I и обратно пропорциональна толщине проводника d. В этой формуле

R = 1/(e.n) – (11.17.)

называется постоянной Холла для данного вещества.

Рис. 63.

По измеренному значе­нию постоянной Холла можно: 1) определить концентрацию носителей тока в провод­нике (при известных характере проводимости и заряда носителей); 2) судить о природе проводимости полупроводников, так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда е носителей тока. Эффект Холла поэтому — наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках. Он применяется также для умножения постоянных токов в анало­говых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчики Холла) и т. д.

 

ЦИРКУЛЯЦИЯ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВАКУУМЕ.

Циркуляцией вектора В по контуру L называется интеграл ò B.dl, где dl - вектор элементарной длины направленный вдоль обхода контура,

B_L = B.cosa - составляющая вектора В в направлении касательной к контуру, a - угол между векторами В и dl. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме ( теорема о циркуляции вектора В ): циркуляция вектора В по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной m₀ на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром: ò B.dl = m₀SI_i. (11.18. )

Каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром. Положительным считается ток, направление которого связано с направлением обхода по контуру правилом правого винта. Для замкнутого контура в виде окружности радиуса r в каждой точке этого контура вектор В одинаков по модулю и направлен по касательной к окружности. Следовательно, циркуляция вектора В равна

ò B.dl = ò B_l.dl = B.2pr = m₀.I, (11.19.)

откуда B = (m₀I)/(2pr). (11.20.)

Из теоремы о циркуляции вектора В получили выражение для магнитной индукции поля прямого тока. Из сравнения теорем о циркуляции векторов Е и В видно, что циркуляция вектора Е электростатического поля всегда равна нулю, т.е. электростатическое поле является потенциальным. Циркуляция вектора В не равна нулю и такое поле является вихревым.

Рис. 64. Циркуляция вектора В.

Рис 65. Магнитная «бутылка». Заряженные частицы не выходят за пределы «бутылки». Магнитное поле «бутылки» может быть создано с помощью двух круглых катушек с током.

ЛЕКЦИЯ № 12.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Описание движения микрочастиц. Принципы дополнительности и причинности
2. Центр масс системы частиц. Движение центра масс