Циклотрон. Масс-спектрограф

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(НИУ «БелГУ»)

МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ

МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ

ЦМК ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН

Реферат на тему:

«Циклотрон. Масс-спектрограф»

Ващенко Надежда

Белгород 2017

Содержание

Введение

1. Циклотрон. Принцип устройства

2. Модификации циклотрона

3. Применение циклотрона

4. Масс-спектрограф. Принцип устройства

5. Применение масс-спектрографа

Литература

Введение

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движущейся частицы, поэтому она не изменяет величину скорости, а изменяет только направление ее движения, т.е. вызывает центростремительное ускорение.

Искривляя траекторию движущейся заряженной частицы, она не совершает работы, т.е. кинетическая энергия движущейся в магнитном поле заряженной частицы остается постоянной. Зная силу Лоренца, можно рассчитать траекторию частиц и, следовательно, управлять потоком заряженных частиц. Это используется в различного рода ускорителях таких, как масс-спектрограф и циклотрон.

1. Циклотрон. Принцип устройства

Циклотромн -- резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

В зазор электромагнита помещают два металлических электрода. На эти электроды, названные дуантами из-за сходства их формы с заглавной латинской буквой "D", подается напряжение от генератора высокой частоты. Вблизи центра магнита в промежутке между дуантами располагается источник положительно заряженных ионов. Вся система из электродов и ионного источника помещается в вакуумную камеру, из которой воздух откачивается до давления 10-5мм рт. ст. Ион, вылетевший из источника в то время, когда электрод I имеет отрицательный потенциал, ускорится в промежутке между дуантами и попадает в полость дуанта. В ней ион опишет полуокружность постоянного радиуса, так как в полости дуанта поле отсутствует. Если частота генератора выбрана правильно, то к моменту выхода иона из полости I направление электрического поля изменится на обратное. Поэтому ион вновь ускорится и внутри полости дуанта II опишет окружность уже большего радиуса. Таким образом, двигаясь в резонансе с высокочастотным полем, ионы будут по спиралям разворачиваться к краю полюса магнита. Их энергия будет расти после каждого прохождения частицей ускоряющей щели между дуантами. Процесс ускорения будет продолжаться до тех пор, пока частицы не достигнут края полюсов магнита. На пути потока помещают мишень, попадая на которую ионы вызывают ядерную реакцию. Чаще пучок ускоренных частиц выводят из камеры посредством отклоняющего электрода. На этот электрод, расположенный у края камеры, подается высокий отрицательный потенциал. Под действием электрического поля пучок ускоренных ионов изменяет свою траекторию, выходит из камеры через окошко, закрытое тонкой фольгой, и попадает на мишень.

2. Модификации циклотрона

Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как для релятивистской частицы частота обращения начинает зависеть от энергии.

С нарушением условия синхронизма частицы приходят в ускоряющий зазор не в правильной фазе и перестают ускоряться. Таким образом, циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20--25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку, изохронный циклотрон. В изохронных циклотронах для сохранения неизменной частоты обращения создаётся неоднородное, нарастающее по радиусу магнитное поле. Другая модификация циклотрона -- синхроциклотрон (фазотрон), в котором частота ускоряющего электрического поля не остаётся постоянной, а уменьшается синхронно с частотой обращения частиц. Однако понятно, что в отличие от классического циклотрона, который может работать в непрерывном режиме, синхроциклотрон может ускорять пучок только импульсно. Наконец, самый дальний родственник циклотрона -- ускоритель FFAG. В таком ускорителе магнитное поле не имеет азимутальной симметрии, но в процессе ускорения пучка остаётся постоянным, а частота ускоряющего электрического поля -- варьируется.

3. Применение циклотрона

Циклотрон оказался наиболее удачным ускорителем по сравнению с ранее построенными установками. В различных странах мира работают десятки циклотронов, в которых получены пучки протонов, дейтронов и б-частиц огромной интенсивности (до 1016 частиц в секунду).

С помощью циклотронов получают также потоки быстрых нейтронов. Конечно, нейтроны нельзя ускорить электрическим полем, поскольку они не обладают электрическим зарядом. Пучки быстрых нейтронов возникают как результат ядерной реакции на мишени циклотрона. Для этого мишень делают из элемента, на котором описанная ранее реакция с испусканием нейтронов имеет большую вероятность (например, из бериллия).

Существует и другой способ получения быстрых нейтронов, открытый несколько позже. Этот способ основан на совершенно ином типе ядерных реакций. Если пучок быстрых дейтронов направить на мишень, то с большой вероятностью происходит следующий удивительный процесс.

Проходя мимо ядра, дейтрон (состоящий из протона и нейтрона) "задевает" за ядро протоном. "Содранный" протон при этом остается в ядре, а нейтрон дейтрона продолжает двигаться в направлении первоначального пучка дейтронов с энергией, примерно равной половине энергии дейтрона.

В последние годы в циклотронах стали ускорять и многозарядные ионы, например, кислорода и азота.

Наибольшее применение циклотроны находят при исследовании свойств ядер; с их помощью удалось наблюдать многие новые ядерные реакции почти на всех элементах периодической системы элементов. Эти опыты позволили физикам значительно продвинуться в понимании закономерностей, существующих в мире атомных ядер.

Важным применением циклотрона является получение на нем радиоактивных изотопов. До постройки атомных реакторов лишь циклотрон позволял приготовлять эти изотопы в сколько-нибудь значительном количестве. циклотрон спектрограф протонная терапия

Простота конструкции циклотрона, а также возможность ускорения протонов до энергий порядка 100МэВ, открывают широкие возможности применения их в медицине. Новое направление получило название протонная терапия (надо сказать, что циклотроны не единственный тип ускорителей для протонной терапии). Основной задачей протонной терапии является поражение опухолевых клеток при минимальном повреждении нормальных тканей. Пучки заряженных частиц имеют существенно лучшее дозное распределение в пространстве по сравнению с другими излучениями. Эти преимущества особенно проявляются при облучении мишени сложной пространственной конфигурации и имеют решающее значение при облучении вблизи жизненно важных органов человека. Для проникновения протонного пучка на глубину до 5см необходима энергия МэВ, при энергии до 190МэВ можно облучить практически все опухоли с максимальной глубиной локализации до 24см. Важной характеристикой ускорительного комплекса является возможность регулирования величины энергии и сканирования пучка ускоренных частиц для формирования трехмерных дозных полей заданной формы. Требуемое дозное поле можно формировать как регулировкой параметров пучка в ускорителе, так и системой внешних рассеивателей и замедлителей. В настоящее время энергия циклотронов для протонной терапии достигает 250МэВ Циклотрон в PSI (до 590МэВ)

4. Масс-спектрограф. Принцип устройства

Заряд частицы равен одному или нескольким элементарным зарядам. Если он известен, то может быть вычислена масса частицы. Этот принцип лежит в основе действия прибора, называемого масс-спектрографом и служащего для измерения масс мельчайших заряженных частиц -- ионов и электронов. Прибор представляет собой откачанный до высокой степени разрежения сосуд, помещенный в магнитное поле, линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа. Заряженные частицы испускаются источником 1. Простейшим источником является электрический разряд в газе. Разряд сопровождается интенсивной ионизацией газа. При положительной разности потенциалов между диафрагмой 2 и щелью источника из разряда будут «отсасываться» электроны и отрицательные ионы, при отрицательной разности потенциалов -- положительные ионы. Заполняя источник различными газами или парами, можно получить ионы различных элементов.

Частицы, прошедшие через щель 3, попадают в магнитное поле с теми скоростями, которые им сообщает ускоряющая их разность потенциалов. Все частицы с данным отношением q/m приобретают равные скорости и будут в магнитном поле описывать окружности одного и того же радиуса. После отклонения на 180° пучок частиц попадает на фотопластинку; в месте попадания пучка после проявления пластинки обнаружится темная полоска. Расстояние АВ (рис. 351) равно удвоенному радиусу r окружности, по которой двигалась частица. Величина r зависит от скорости частицы. Для нахождения скорости мы используем то обстоятельство, что частица влетает в магнитное поле с кинетической энергией Wк=mv2/2, полученной за счет работы электрического поля, равной qU. Таким образом,

W=1/2 mv²=qU

Схема масс-спектрографа: 1 -- источник ионов (газоразрядная трубка), 2 -- диафрагма со щелью 3, 4 -- фотопластинка, U -- напряжение, ускоряющее ионы

m=qr²B²/2U

Подставляя в эту формулу известные значения q, В, U и полученный измерением радиус r, можем вычислить массу частиц, попавших в точку В пластинки.

Если в пучке, испускаемом источником, содержатся частицы с различными отношениями заряда к массе, на фотопластинке получится несколько параллельных полосок. Самая близкая к щели полоска вызвана частицами, которые движутся по окружности наименьшего радиуса. Эти частицы обладают наибольшим отношением заряда к массе. Если заряды всех частиц в пучке одинаковы, то ближайшая к щели полоска соответствует частицам наименьшей массы.

По аналогии с оптикой изображение, полученное на фотопластинке, называют спектром. Оптический спектрограф дает спектр длин волн светового пучка, т. е. распределение спектральных линий по длинам волн. Масс-спектрограф дает спектр масс пучка частиц, т. е. распределение частиц по массам (точнее, по отношениям q/m).

В опыте по измерению массы электрона с помощью масс-спектрографа на фотопластинке обнаруживается только одна полоска. Так как заряд каждого электрона равен одному элементарному заряду, мы приходим к заключению, что все электроны обладают одинаковой массой.

5. Применение масс-спектрографа

Масс-спектрограф может быть применен как для исследовательских целей, так и для контроля производства при различных методах получения бензина, содержащего углеводороды до С включительно.

Несомненно весьма интересным и обещающим является применение масс-спектрографа для определения малых количеств примесей в графите и многих других материалах. При применении стабильных изотопов их обнаружение и количественное определение обычно проводят при помощи масс-спектрографа и лишь в редких случаях (например, при работе с тяжелым водородом) путем определения удельного веса продуктов сожжения. Если же органическое соединение содержит радиоактивные изотопы, то определение легко удается провести путем измерения радиоактивности соответствующего вещества (например, при помощи счетчика Гейгера -- Мюллера).

В последующие годы велись интенсивные работы по установлению изотопного состава элементов с помощью масс-спектрографа. Однако для определения относительного содержания изотопов необходимо было повысить точность измерений, что и было достигнуто применением в качестве регистратора электрометрической лампы, соединенной с гальванометром.

Для определения газообразующих примесей в арсениде галлия рекомендованы метод вакуум-плавления для определения кислорода и водорода , а также масс-спектрометрический метод с применением масс-спектрографа с искровым ионным источником. В последнем методе определяют углерод, азот, кислород, а также литий, магний, серу и кремний.

В настоящей главе описываются подобные методы, которые можно назвать физическими методами газового анализа. Сюда относятся, в частности, различные оптические методы, а также анализ газа с помощью масс-спектрографа. Следует, однако, заметить, что выделение этих физических методов в отдельную группу имеет, конечно, условный характер, поскольку и здесь приходится в ряде случаев сочетать эти физические методы с применением тех или иных химических реагентов.

Идея применения масс-спектрографа для целей газового анализа (в частности, для анализа углеводородных газов) была выдвинута после изобретения этого прибора, примененного первоначально для разделения и определения изотопов.

Однако сложность и дороговизна масс-спектрографа ограничивают его применение в газовом анализе. Следует также учесть что многие разработанные в последнее время у нас в Союзе приборы для микроанализа газа по своей относительной чувствительности а тем более по простоте превосходят масс-спектрограф. Эти приборы требуют при анализе большего количества газа, однако для большинства практических задач получение образцов газа объемом 0,2--1,0 л и даже больше обычно не представляет затруднений.

Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется для определения наличия допинга в крови спортсменов.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: аналитическая химия, биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия.

Литература

· https://ru.wikipedia.org

· http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/ciclotron.htm

· http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st007.shtml

· http://chem21.info/info/1608949/

· http://www.physel.ru/2-mainmenu-73/mainmenu-74/708-s-198--.html

Размещено на Allbest.ru