Ускорител на частици

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Ускорител на частици е устройство, което използва електрични и/или магнитни полета за ускоряването на електрически заредени частици и йони до много високи скорости. Съвременните ускорители са много скъпи съоръжения, изискващи ресурси, които не са по силите на никоя държава самостоятелно. Затова се строят с колективните усилия на няколко държави.

Изглед към научния център Фермилаб (Fermilab), САЩ. Теватрон-ът (пръстенът на заден план) и пръстенът-инжектор.

Принципът на работа на ускорителя е основан на взаимодействието на заредени частици с електричното и магнитното полета. Електричното поле способно извършва директна работа над частицата, като увеличава нейната енергия. Магнитното поле, създавайки Лоренцова сила, само отклонява частицата, без да изменя енергията ѝ, и задава орбитата, по която се движат частиците.

Ускорителите могат да бъдат разделени на две големи групи. Това са линейни ускорители, където снопът от частици преминава еднократно през ускоряващи го участъци, и циклични ускорители, в които сноповете се движат по затворени криви (например окръжности), преминавайки ускоряващите участъци многократно. Ускорителите могат да бъдат класифицирани и по предназначение: колайдери, източници на неутрони, бустери, източници на синхротронно излъчване, апаратури за медицинска терапия, промишлени ускорители.

Конструкции на ускорителите[редактиране | edit source]

Високоволтов ускорител (ускорител с директно действие)[редактиране | edit source]

Ускорител на заредени частици (електрони), в който ускорението се дължи на електрично поле, което е неизменно или слабо се променя в течение на цялото време за ускоряване на частиците. Негово важно предимство пред другите типове ускорители е възможността да се получи еднаква енергия на всички частици, или поне с много малък диапазон на вариране. Този тип ускорители се характеризира с висок КПД (до 95%) и дава възможност за постигане на голяма мощност (500 KeV и повече) което е важно за промишлени цели.

Електростатичен ускорител[редактиране | edit source]

С най-проста конструкция, линеен ускорител. Частиците се ускоряват под въздействието на постоянно електрично поле и се движат праволинейно във вакуумна камера, по чиято дължина са разположени ускоряващите електроди.


Разновидности:

  • Ускорител на Ван де Грааф Ускоряващото напрежение се създава от генератор на Ван де Грааф, чийто принцип на действие използва механическо пренасяне на заряди с диелектрична лента. Максималните електрически напрежения от ~20 MV определят максимална енергия на частиците от ~20 MeV.
  • Каскаден ускорител Ускоряващото напрежение се създава от каскаден генератор, който създава постоянно ускоряващо високо напрежение от ~5 MV, като преобразува ниско променливо напрежение по схемата на диоден умножител.

Линейните ускорители на електрони с невисоки енергии често се използват като съставна част на най-различни електровакуумни прибори (електронно-лъчева тръба, кинескоп, рентгенова тръба и др.).

Циклотрон[редактиране | edit source]

Устройство на циклотрона от заявката за патент на Ърнест Лорънс. Магнитното поле е насочено перпендикулярно на равнината на рисунката.

Идеята на циклотрона е проста. Между два кухи електрода с полукръгла форма (наречени дуанти) се прилага променливо електрическо напрежение. Дуантите са разположени между полюсите на електромагнит, който създава постоянно магнитно поле. Частицата, въртейки се по окръжност в магнитното поле, се ускорява при всеки оборот от електрическото поле, приложено към процепа между дуантите. За да се получи това, е необходимо честотата на изменение на полярността на напрежението на дуантите да е равна на кръговата честота на частицата. С други думи, циклотронът е един резонансен ускорител. Ясно е, че с увеличението на енергията на всеки оборот, радиусът на траекторията на частиците ще се увеличава, докато тя не напусне пределите на дуантите.

Циклотронът е първият цикличен ускорител. За първи път е разработен и построен през 1931 г. от Ърнест Лорънс, за което е удостоен с Нобелова награда за физика за 1939 г. И до днес циклотроните се прилагат за ускорение на тежки частици до сравнително неголеми енергии - до 50 MeV/нуклон.

Бетатрон[редактиране | edit source]

Друго название: индукционен ускорител. Цикличен ускорител, в който ускорението на частиците се осъществява от вихрово електрично поле, индуцирано от изменението на магнитния поток, обхващан от орбитата на снопа частици. Тъй като за създаването на вихрово електрично поле е необходимо да се изменя магнитното поле на сърцевината, а магнитните полета в несвърхпроводящите машини обикновено са ограничени от ефекта на насищане на желязото към ~20 килогауса, максимално достижимата енергия при бетатрона е ограничена отгоре. Бетатроните се използват предимно за ускорение на електрони до енергии 10—100 MeV (максимумът на достигната в бетатрон енергия е 300 MeV).

Първият надеждно работещ бетатрон е построен от Доналд Кърст през 19401941 г. в САЩ.

Микротрон[редактиране | edit source]

Микротронът е ускорител с променлива кратност. Резонансен цикличен ускорител с постоянни като при циклотрона водещо магнитно поле и честота на ускоряващото напрежение. Идеята на микротрона е нарастването на времето за един оборот на частицата, получаващо се за сметка на ускорението, да се направи кратно на периода на трептене на ускоряващото напрежение.

Фазотрон (синхроциклотрон)[редактиране | edit source]

Принципната разлика на синхроциклотрона от циклотрона е, че честотата на електричното поле се изменя в процеса на ускорения. Това позволява да се увеличи максималната енергия на ускоряваните йони. Енергията на частиците във фазотрона достига до 600—700 MeV.

Синхрофазотрон[редактиране | edit source]

Цикличен ускорител с постоянна дължина на орбитата и с изменящи се честота на ускоряващото електрично поле и големина на удържащото магнитно поле. Другото му название е протонен синхротрон.

Синхротрон[редактиране | edit source]

Цикличен ускорител с постоянна дължина на орбитата и постоянна честота на ускоряващото електрично поле, но с изменящо се магнитно поле.

Лазер със свободни електрони[редактиране | edit source]

Специализиран източник на кохерентно рентгеново излъчване.

Линеен ускорител[редактиране | edit source]

Нарича се също „ли́нак“ (съкращение от LINear ACcelerator). Ускорител, в който частиците прелитат еднократно. Линейните ускорители се използват най-често за първично ускорение на частици, получени от електронна пушка или от йонен източник. Идеята за линеен колайдера за висока енергия не е нова. Основно предимство на линак-а е възможността да се получават ултра-малки емитанси и отсъствието на загуби на енергия, които растат пропорционално на четвъртата степен (!) на енергията на частиците.

Кола́йдер[редактиране | edit source]

Колайдерът е ускорител на насрещни снопове частици. Това са чисто експериментални съоръжения, чиято цел е да се изучат процесите, протичащи при сблъсъка на частици с високи енергии. Големият адронен ускорител в CERN, както и Теватрон във Фермилаб са колайдери.

Приложение[редактиране | edit source]


Външни препратки[редактиране | edit source]


Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Ускоритель заряженных частиц“ в Уикипедия на руски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите.