Релятивистские пучки заряженных частиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Релятивистские пучки заряженных частиц

Релятивистские эффекты

К релятивистским пучкам обычно относят пучки частиц, в которых проявляются релятивистские эффекты (например, возрастание массы частицы с увеличением скорости). Для электронов такие эффекты начинают сказываться при энергиях более 50 кэВ, а для ионов - при энергиях более 100 МэВ (поскольку масса иона на 3 порядка больше массы электрона). Устройства формирования подобных пучков называют ускорителями.

Для релятивистских частиц (т.е. частиц, скорость которых приближается к скорости света) законы движения описываются формулами релятивистской механики, базирующихся на постулатах теории относительности. Опуская выводы, приведем соотношение для релятивистского импульса:

,

где - релятивистский фактор,

m(v) - релятивистская масса,

m0 - масса покоя,

v - скорость.

Таким образом, масса частицы зависит от скорости следующим образом

Соотношение для релятивистской энергии частицы

W = m0c2г = m(v)c2.

При малых скоростях движения формулу (2.36) можно представить в виде ряда

W = m0c2 + m0v2/2 + …,

первый член которого является энергией покоя, а второй представляет собой классическое выражение для кинетической энергии частицы.

Связь между энергией и импульсом частицы

.

В постоянном электрическом поле напряженностью Е классическое выражение для скорости частицы с зарядом q

,

приобретает следующий вид

При большом времени разгона t скорость частицы стремится к скорости света с.

В магнитном поле с индукцией В релятивистские эффекты вызывают уменьшение ларморовской частоты вращения в соответствии с формулой

,

и увеличение ларморовского радиуса вращения

.

Последнее соотношение часто используется для определения импульса частицы по радиусу поворота в магнитном поле.

Ускорители заряженных частиц

Электростатический ускоритель

Наиболее распространенный способ ускорения заряженных частиц - ускорение в электростатическом поле. Установки, основанные на этом принципе, называют электростатическими ускорителями или ускорителями прямого действия. Приращение энергии частицы в потенциальном электрическом поле Д W определяется разностью потенциалов ДU, пройденной частицей за время движения

Д W = qДU

Бывают диодные и триодные электростатические ускорители.

В диодных ускорителях (рис. 1) длительность генерируемого импульса определяется временем действия ускоряющего напряжения высоковольтного генератора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - накал, 2 - катод, 3 - высоковольтный генератор, 4 - анод, 5 - пучок частиц

Рисунок 1 Схема диодного ускорителя

В триодном ускорителе (рис. 2) длительность импульса можно регулировать изменением потенциала на управляющем электроде (сетке)

Если пучок используют вне ускоряющего промежутка, в аноде делается отверстие, которое может быть закрыто фольгой из легкого металла (для сохранения вакуума в ускоряющем промежутке и уменьшения искажения ускоряющего поля). Нагрузкой высоковольтного генератора является пучок заряженных частиц. В стационарных и квазистационарных ускорителях (длительность генерации пучка значительно больше длительности переходных процессов и времени пролета частиц) пучок электронов эквивалентен омической нагрузке. В импульсных ускорителях существенно индуктивное сопротивление пучка.

ускоритель электрон релятивистский

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - накал, 2 - катод, 3 - высоковольтный генератор, 4 - анод, 5 - пучок частиц, 6 - устройство управления, 7 - сетка

Рисунок 2 Схема триодного ускорителя

Индукционные ускорители

Другим способом ускорения заряженных частиц является ускорение вихревым электрическим полем E, индуцируемым меняющимся во времени магнитным полем B.

Согласно закону электромагнитной индукции

,

где U - э.д.с. (напряжение) электромагнитной индукции;

S - площадь, охватываемая контуром L;

Ф - магнитный поток через площадь S.

Для интенсивных пучков применяют линейный индукционный ускоритель (ЛИУ) (рис. 3), состоящий из большого количества одновитковых трансформаторов. Первичные обмотки трансформаторов соединены параллельно. Роль единственного витка вторичной обмотки играет пучок заряженных частиц, причем «вторичные обмотки» отдельных индукторов соединены последовательно. В качестве источника электронов для ЛИУ обычно используется ускоритель прямого действия, построенный по триодной схеме. Энергия, приобретаемая частицами в ЛИУ, равна сумме приращений энергии, полученных за счет каждого индуктора

,

где U - э.д.с. на участке контура, совпадающем с участком пучка частиц, проходящим через i - й трансформатор;

N - количество ступеней ускорения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - импульсный генератор, 2 - первичная обмотка, 3 - источник заряженных частиц, 4 - вакуумная труба, 5 -.тороидальный сердечник трансформатора, 6 - пучок частиц

Рисунок 3 Схема линейного индукционного ускорителя

Высокие значения Ui получают при быстром изменении индукции магнитного поля трансформаторов Вi , т.е. в режиме импульсов малой длительности и при достаточно протяженной области ускорения. Необходимую для большинства приложений монохроматичность пучка частиц в течение импульса обеспечивают постоянной скоростью изменения В (т.е. дВ/дt = const). Время ускорения определяется временем нарастания магнитного потока в сердечнике, затем в работе ускорителя следует пауза, необходимая для спадания магнитного потока.

Электронные пучки низкой интенсивности получают в бетатронах, где частицы совершают десятки тысяч оборотов по круговой орбите вокруг магнитного сердечника. Радиус орбиты заряженной частицы увеличивается с ростом ее скорости. По мере ускорения она в конце концов попадает в область устройства вывода пучка (сильное локальное отклоняющее поле) и покидает ускоритель.

В отличие от ускорителей прямого действия в индукционном ускорителе на ту же энергию потенциалы на элементах ускорителя могут быть значительно меньше, в связи с чем в ЛИУ достижима более высокая энергия частиц( сотни МэВ).

Высокочастотные ускорители

Вместо магнитного индуктора для возбуждения переменного электрического поля в секциях многоступенчатого ускорителя используют высокочастотное электрическое поле. Электромагнитные СВЧ - колебания возбуждаются в полостях определенной геометрии, причем составляющая напряженности электрического поля Е должна совпадать с направлением движения ускоряемых частиц (если ускоряемые частицы - электроны, направление вектора Е противоположно направлению движения). Поскольку направление вектора Е изменяется с частотой СВЧ - колебаний, ускорение частиц происходит только в течение половины периода колебаний. Для эффективного ускорения пучок электронов из источника 1 (рис. 4а ) «включается» в момент ускоряющей фазы СВЧ - поля в ускоряющем промежутке 1-й секции. Ввод СВЧ-энергии в последующие секции происходит с задержкой, соответствующей времени пролета пучка между секциями. Электронный пучок движется как бы на гребне электромагнитной волны, получая дополнительный импульс в каждой следующей секции. Конструкция высокочастотного ускорителя электронов представлена на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

а - схема высокочастотного ускорителя: 1 - источник электронов, 2 - ускорительная секция, 3 - пучок электронов; б - конструкция ускорительной секции: 1 - устройство ввода СВЧ - энергии, 2 - корпус секции, 3 - ускоряющий промежуток

Рисунок 4 - Высокочастотный ускоритель

Характеристики ускорителей

Наиболее высоким к.п.д. обладают ускорители прямого действия - от 65 % (ускорители непрерывного действия) до 95 % (импульсные). Для ЛИУ этот показатель составляет 20 - 50 %, для высокочастотных - меньше 10 %. Это определяет выбор типа ускорителя, особенно при больших мощностях генерируемых пучков.

Энергия ускоренных частиц колеблется от сотен тысяч эВ (ускорители прямого действия) до десятков ГэВ (высокочастотные ускорители и ЛИУ).

Ускорители ионов по конструкции аналогичны электронным ускорителям. Различие заключается в полярности напряжения (направлении вектора напряженности электрического поля), применении специфических источников ионов, особенностях движения ионов в электромагнитных полях (из-за разницы в массе электрона и конкретного иона).

Конкретные конструкции ускорителей определяются необходимой энергией частиц, конфигурацией и параметрами пучка.

Применение ускорителей

Наиболее раннее и важнейшее применение ускорителей электронов - использование их в качестве генераторов тормозного излучения, возбуждаемого на мишени, бомбардируемой ускоренными электронами. В зависимости от энергии падающих электронов получают рентгеновское излучение разной длины волны.

Диапазон применения рентгеновского излучения настолько широк, что его изучением занимается целое направление в науке - физика рентгеновских лучей.

Рентгеновское излучение, проходя через вещество, поглощается по экспоненциальному закону

где I(x), I0 - интенсивность излучения на глубине х и на поверхности образца, соответственно;

µ - коэффициент линейного ослабления, зависящий от энергии квантов излучения и вида вещества.

Такая зависимость справедлива для монохроматического излучения и геометрии «узкого луча». В реальных условиях накладываются эффекты за счет спектрального состава излучения, деформация спектра по мере прохождения, вклад рассеянных квантов излучения, образования вторичных электронов и вторичного излучения. Прогресс в исследованиях этой области физики привёл к чрезвычайно разнообразным применениям рентгеновских приборов. Одно из важнейших применений - метод неразрушающего контроля материалов. Его используют в промышленности для обнаружения дефектов в литых и сварных изделиях, анализа деформаций в недоступных визуальному осмотру элементах сборных конструкций. Рентгеновские трубки с энергией 100 кэВ используют для дефектоскопии пластмасс, лёгких металлов, стали толщиной до 150 мм. Рентгеновское излучение с энергией до 10 МэВ позволяет «просветить» до 600 мм стальных конструкций. В качестве регистраторов излучения используют фотографию, а также ионизационные датчики, рентгеновские катоды с внешним фотоэффектом электронно-оптических преобразователей, матрицы которых формируют видимое изображение на экране дисплея.

Особое место принадлежит рентгенографии в исследовании быстрых нестационарных процессов (взрыв, соударение тел, динамическая деформация узлов машин и т.д.). Скорость перемещения объектов достигает десятков километров за секунду, время протекания процесса - менее 10-6 с. В таких случаях применимы импульсные источники, возбуждаемые импульсными электронными ускорителями.

Рентгенография используется в медицине для диагностики заболеваний и стерилизации оборудования, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве (уничтожение вредителей, инициирование химических и биологических реакций).

Интенсивный поток электронов используют для радиационной и тепловой обработки материалов.

Характер воздействия потока частиц на вещество мишени в общем случае зависит от энергетики пучка. При интенсивности менее 100 Вт/см2 и времени экспозиции менее 0,1 с нагрев материала незначителен и основным является радиационное воздействие. Это воздействие выражается в ионизации и перестройке молекул вещества, а в случае пучка ионов, кроме указанных изменений, происходит внедрение ионов на различную глубину. Такая операция приводит к изменению химического состава и кристаллической решетки материала, и называется ионным легированием. Варьируя энергию пучка, время воздействия, распределение плотности тока пучка по поверхности мишени, можно менять глубину, концентрацию и профиль распределения примеси в толще материала. Электронный пучок с энергией 80…150 кэВ используется для экспонирования электронорезиста (технология электронолитографии), причем, в отличие от традиционного процесса фотолитографии, размер элементов может быть уменьшен до 10-9 м и менее ( по мере увеличения энергии электронов). Это связано с очень малой длиной волны электрона, по сравнению со световой.

Электронные пучки малой мощности с энергией 0,3…15 МэВ широко используют в промышленных органических технологиях[15]:

- в процессе синтеза полиэтилена (изменение структуры с существенным улучшением потребительских свойств);

- производство термопластичных полимеров;

- отверждение покрытий (инициирование химической реакции);

- сополимеризация различных материалов;

- модифицирование тканей (повышение химической и биологической стойкости, прочности, устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды).

Электронные пучки используют для стерилизации медицинского оборудования, обеззараживания сточных вод, дезинсекции зерна и т.д.

Использование интенсивных пучков электронов для сварки и плавки металлов (тепловая обработка) известно с 40-х годов прошлого века. Энергия пучка - от 30 до 175 кэВ, мишень помещается в вакууме, удельная мощность - до 107 Вт/см2. Преимущества электронно-лучевой сварки - высокое качество, малая область прогрева и зоны деформации. Электронно-лучевую плавку применяют для рафинирования (очистки) металлов, получения слитков тугоплавких и химически активных металлов, плавку керамических материалов. Мощность сварочных установок - до 100 кВт, плавильных - до 1 МВт.

Используются электронные пучки и для закалки поверхностного слоя металла, причем, в отличие от лазерного нагрева, однородность обработки значительно выше.

Электронные пучки используют для резки, размерной обработки, для наплавления порошковых покрытий и т.д.

Электронные и ионные пучки традиционно используются в ядерной физике, как инструмент воздействия на атомное ядро и элементарные частицы. Высокая энергия заряженных частиц ( десятки ГэВ) является инструментом, выявляющим строение ядра, элементарных частиц, и даже их внутреннюю структуру. Релятивистские интенсивные электронные пучки (РИЭП) используют для исследования теплофизических и электрофизических свойств вещества при экстремальных температурах и давлениях. С помощью мощных РИЭП можно исследовать ударные волны и фазовые переходы в твердом теле, динамику состояния вещества при импульсном изменении его термодинамических параметров. В экспериментах такого рода используется удельная мощность до 1013 Вт/см2, время воздействия 10-7 с.

Одним из наиболее важных приложений являются работы по управляемому термоядерному синтезу (УТС) [15]. Идея быстрого сжатия дейтерий-тритиевой мишени с целью нагрева её до десятков миллионов градусов и выполнения известного критерия Лоусона n·ф ? 1014 с/см3 (произведение концентрации полученной плазмы на время её жизни) требует экстремальных характеристик пучков заряженных частиц. Необходима энергия заряженных частиц 1…5 МэВ, суммарная энергия пучка 1…10 МДж, длительность 10-8…10-7 с, мощность 1015 Вт. Эта идея реализуется путем параллельного включения многих ускорителей. Проблемой является транспортировка и концентрация пучков на мишени, повышение эффективности поглощения энергии пучка мишенью. Крупнейшая в Евразии установка «Ангара 5-1» (г. Троицк, Подмосковье), используемая в российской программе УТС, состоит из 48 модулей и имеет следующие параметры: энергия частиц - 2 МэВ, ток пучка - 40 МА, длительность импульса - 90 нс.

Широкое применение электронные пучки нашли в области генерирования мощного СВЧ-излучения, при коллективном ускорении ионов, электроионизационном возбуждении газовых лазеров. Типичные параметры импульсного электроионизационного СО2 - лазера: энергия электронов - 100…300 кэВ, напряжение на электродах разрядного промежутка 150…250 кВ, удельный энергосъем - 1 Дж/(м3Па), к.п.д. лазера - 25 %, длина волны излучения 10,6 мкм.

Литература

1. Беликов Б.С. Решение задач по физике. М.: Высш. школа, 2007. - 256 с.

2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. М.: Наука, 2008. - 464 с.

3. Геворкян Р.Г. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.: Высш. школа, 2007. - 598 с.

4. Детлаф А.А., Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.: Высш. школа, 2008 - 608 с,

5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике 2-е изд. перераб. М.: Наука, 2007.-416с.

6. Кикоин И.К., Китайгородский А.И. Введение в физику. М.: Наука, 2008. - 685 с.

7. Рыбаков Г.И. Сборник задач по общей физике. М.: Высш. школа, 2009.-159с.

8. Рымкевич П.А. Учебник для инж.- эконом. спец. ВУЗов. М.: Высш. школа, 2007. - 552 с.

9. Савельев И.В. Сборник вопросов и задач 2-е изд. перераб. М.: Наука, 2007.-288с.

Размещено на Allbest.ru