Partea teoretică, un ciclotron, principiul de funcționare, acțiunea Ciclotronului principiului ciclotron izocronă,
Ciclotron, principiul de funcționare
Pentru o particulă încărcată poate intra într-o reacție nucleară, trebuie să ajungă la nucleul o distanță suficientă astfel încât probabilitatea de penetrare prin joncțiunea tunel a câștigat semnificativ. Prin urmare, o sarcină experimentală importantă a fost de a dezvolta metode pentru producerea de particule incarcate cu energii de mai multe milioane de electron-volți.
Inițial a căutat să se asigure că instalația a fost o scară de laborator, eventual, plasat pe bancă, și că nu este necesară pentru punerea sa în aplicare este prea scump. Cu toate acestea, atunci când unele dintre plantele care îndeplinesc aceste cerințe au fost inventate, sa constatat că prin creșterea dimensiunii și a puterii se poate extinde în mod semnificativ capacitățile experimentale. Instalarea mai eficientă a acestui tip este ciclotron, inițial construit de Lawrence ca un instrument de laborator mic, iar acum, în unele cazuri, este o tehnică de instalare descurajantă.
Principiul de funcționare Ciclotronului
Principiul de funcționare al ciclotronul extrem de simplu. Imaginati-o cutie de metal sub formă de tăietură plat cilindru gol în jumătate. Cutia este plasată într-un câmp magnetic transversal și pe cele două jumătăți ale potențialului său diferență relativ mică suprapuse (de aproximativ 10 - 100 kV) de la generatorul de înaltă frecvență. Să presupunem că, la un moment dat în secțiunea între cele două jumătăți, numite Dees, este un ion pozitiv. Dacă în acest moment dee stânga (fig. 2) este încărcat la potențialul maxim negativ, ionii vor fi atrase spre stânga și devine în interiorul Dee, unde câmpul electric este absent, dar există un câmp magnetic transversal (perpendicular pe planul desenului). Magnetic Ionul câmp descrie un semicerc. Timpul pe care el va trebui să facă bine
iar viteza determinată de starea
unde a - raza dee, m - masa ionului și e - încărcătura (exprimată în unități electrostatice). Combinarea (1.1) și (1.2), obținem
După ce a fost descris un semicerc, ion reintră în spațiul dintre Dees. În acest timp, potențialul dintre modificările de fază, dar frecvența generatorului este aleasă astfel încât jumătatea sa doar t egal. Din cauza acestui ion începe mișcarea sa în momentul în care Dee stânga a fost încărcat la potențialul maxim negativ înapoi în spațiul dintre Dees într-un moment în care Dee stânga percepe la un potențial maxim pozitiv, precum și dreptul - la un maxim negativ. Ca urmare, ionul va experimenta o nouă accelerare spre dreapta și va Dee continua drumul lor în interiorul acestuia la o viteză mai mare într-un cerc de rază mai mare. Deoarece, cu toate acestea, timpul de tratament ionic t conform formulei (1.3) nu depinde de raza, sincronismul timp stabilit deja stocate. Ca rezultat, trece prin spațiul dintre Dees, Ion va primi de fiecare dată mai mult și mai suplimentare impulsuri, și aceeași diferență de potențial este utilizat în mod repetat.
Să presupunem că diferența de potențial dintre Dees este egal cu V1. Evident, atunci când n echivalent turatii câștigurile de ioni de energie la potențialul de accelerare
deoarece fiecare rotație completă se trece de două ori spațiul dintre Dees și, prin urmare, primește două puls suplimentar.
Pentru a efectua ion viteza de sincronism unghiulară trebuie să corespundă cu frecvența unghiulară a generatorului, adică trebuie să fie egal 2rf unde f - frecvența oscilatorului liniar. De la (1.2) avem
astfel încât starea de sincronism va fi scris sub forma
Astfel, pentru un anumit tip de ioni și un generator de frecvență pentru o intensitate a câmpului magnetic dat trebuie să fie determinată de condiția (1.4), astfel încât sincronizarea a avut loc. De exemplu, pentru protoni. iar dacă frecvența f exprimată în megacycles, atunci
Astfel, de exemplu, la f = 10 câmp necesar pentru potrivirea fazei, H = 6,56 kOe. Pentru a găsi viteza de protoni (1.2) prin setarea R = 51,5 cm
Echivalent accelerare potențial descoperire, care combină cu (1,2), raportul
câmp fascicul de protoni ciclotron
Schema generală a ciclotron este prezentată în Fig. 3. Pe ea sunt prezentate două traiectorie în spirală a ionilor prinse în spațiul dintre Dees la diferite faze ale tensiunii alternative pe Dees. În cazul în care ionul efectuează o mișcare în momentul în care tensiunea are o valoare maximă, după ce dobândește viteza n rotații, ceea ce corespunde potențialului de accelerare
Dacă tensiunile de fază la un moment în spațiul dintre rateaza Dees de ioni, astfel încât, de exemplu ,,
ionul va experimenta o jumătate accelerație. Dar, din moment de (1.3) timp depinde de o poftă de mâncare și H, potrivirea fazei multiple accelerări consecutive va avea loc pentru acest ion. Diferența constă doar în faptul că o astfel de ioni prin trecerea între Dees vor experimenta jumătate accelerația, și, astfel, pentru a maximiza energia determinată de raza R, el va trebui să facă un număr corespunzător mai mare de spire. Razele segmentelor elicoidale succesive se utilizează (1,5), în cazul în care în partea stângă ar trebui să fie înlocuit de V:
Astfel, crește raza proporțional cu n1 / 2
In mod clar, în spirală de la centru spre periferie, se extinde în ioni Dees drum lung. Este foarte important ca traiectoria de ioni, dacă este posibil, situată în planul median dintre capacele Dees ca ion ar primi în caz contrar, în cele din urmă, pe unul dintre capacele și nu au ajuns la output gap-ului. Acest lucru contribuie la orbita conservarea plan dublu de focalizare, electrostatice și magnetice, care are loc într-un ciclotron. Fig. 4a prezintă distribuția suprafețelor echipotențiale în regiunea dintre Dees, în care ionul este accelerată. Se vede că calea ion ortogonale pe suprafețele echipotențiale, astfel încât ionii trebuie să se concentreze pe planul de simetrie: acționează în câmp electrostatic ca o lentilă cilindrică electric. Restul căii, așa cum se vede din desen, câmpul electrostatic acționează defocalizare focalizare. Cu toate acestea, contribuie la conservarea fasciculului de ioni focalizare magnetic, ceea ce explică aspectul fig.4b. La marginile câmpului magnetic al magnetului lui trece printr-o imprastiere naturală: câmpul magnetic nu este complet omogenă și liniile câmpului nu sunt perpendiculare pe planul de simetrie, dar sunt concave spre centrul terenului. Dacă ne imaginăm un ion se deplasează perpendicular pe planul desenului este planul de simetrie, atunci este ușor de văzut, este o forță proporțională și îndreptată spre planul de simetrie, și este indicată prin săgeți în desen.
Fig.4 electrice si magnetice ciclotron focalizare: a) secțiunea transversală în apropierea regiunii de accelerare Dees de ioni, arătând electrostatic focalizare; acțiunea b) concentrarea câmpului magnetic al ciclotronului
Evident, efectul net al ambelor domenii de acțiune va fi favorabil pentru păstrarea fasciculului, cu condiția ca efectul combinat al concentrandu-se și defocalizarea secțiunii transversale fază dă amplitudinea oscilațiilor mai mică decât jumătate din înălțimea internă a Dees. Studiul experimental al distribuției de ioni în fasciculul în plan vertical arătat că acesta corespunde calculelor teoretice: pentru raze mari a secțiunii transversale fasciculului devine mai mică; este comprimată în jurul planului de simetrie.
Sursa de ioni este mic arc de ardere la centrul Ciclotronului în interiorul cavității conic, înconjurat de pereți metalici. Heart-pounding arc între catod și peretele cavității, servind drept anod. Deoarece formarea unui arc electric este presiunea gazului necesară de ordinul mm Hg. Art. scurgerile de gaz în cavitatea printr-un orificiu îngust, reprezentând glisa și emergente ionii pătrunde prin capilare în camera ciclotron, de unde gazul este evacuat potenți pompe cu acțiune rapidă. Datorită unui astfel de sistem într-o cameră ciclotron este menținută o presiune scăzută de ordinul mm Hg. Art. în timp ce în interiorul cavității în care arde arcul necesar pentru a menține presiunea este de aproximativ 100 de ori mai mare.
În cele din urmă, ia în considerare întrebarea importantă din energia maximă a ionilor într-un ciclotron. Deoarece de (1.5) este echivalent cu potențialul de accelerare este proporțională cu pătratul razei părții periferice a orbitei, se pare că, prin creșterea razei poli magnetici, este posibil să crească în mod corespunzător, iar energia care provine de la ciclotron ion. Cu toate acestea, această creștere are o limită, a cărei existență rezultă din următoarele considerente. Greutatea relativistic Datorită raportului dintre viteză. începând cu o viteză suficient de mare, ea încetează să mai fie constantă (la 100 MeV masă proton are 10,5% mai mare decât masa sa de repaus) și cu o creștere suplimentară în viteza crește. Dacă este așa, în starea de sincronizare regiunea nonrelativista (1.4) este satisfăcută, va fi rupt în tranziția la domeniul relativist. Vizual acest lucru poate fi explicat după cum urmează: creșterea în greutate datorită ionului relativistă va rămâne în faza a tensiunii de fază a generatorului. În cele din urmă diferența poate ajunge la o asemenea magnitudine încât ionul va cădea în spațiul dintre Dees la momente când tensiunea nu-l accelerează, dar frâna. Conform (1.4) de potrivire ar putea fi susținută de non-uniform câmp magnetic H, și anume - creșterea spre periferie. Cu toate acestea, ar fi încălcate distribuția spațială câmp, care creează focalizare.
Lagging fază tensiune de fază a ionului poate fi redusă prin creșterea diferenței de potențial de accelerare între Dees. deoarece este evident că mai mare diferența de potențial mai multă energie are timp pentru a apela ion înainte de relații de fază complet supărat.
Calculele teoretice arată că energia maximă este
în care - tensiunea în kilovolți între Dees A - număr de masă a ionului (sau egal cu unitatea de proton), Z - taxa de ioni și - faza inițială. Astfel, este în creștere. posibil să se mărească energia fasciculului de ioni care iese din ciclotron. Cu toate acestea, această îmbunătățire este o limită practică determinată de scurgere. Mai mult decât atât, prin creșterea puterii generatorului crește foarte mult.
ciclotron izocron
Dependența perioadei de revoluție a particulelor de pe energia lor conduce la faptul că o creștere semnificativă a energiei maxime într-un ciclotron conduce la utilizarea unor tensiuni foarte mari. Această cale este o fundătură din cauza marilor dificultăți tehnice. Prin urmare, o modalitate de a crește energia este de a găsi modificarea Ciclotronului în care perioada de circulație a particulelor nu depinde de energia sa. În cazul în care cerința suplimentară de frecvență constantă, în timp ce tensiune de accelerare, câmpul magnetic azimutal simetric ar trebui să crească cu raza legii
Metoda de producere a ciclotron izocrone constă în respingerea simetria azimutala a câmpului magnetic. Câmpurile sunt folosite, prin creșterea razei.
Pentru analiza calitativă a reprezentat ciclotron, în care suprafața de poli magnetici nu sunt plate, dar variază în azimut sinuos (Figura 5). Diferența dintre polii în timpul trecerii unui cerc fix de raza devine periodic mai mare sau mai mică. Prin urmare, câmpul magnetic variază, de asemenea, în azimut, câmpul puternic sunt numite cocoașe și câmpul slab - depresiuni. Liniile electrice sunt redistribuite în azimut, astfel încât convexitate este îndreptată spre centrul văi. În planul median există doar o componentă de câmp magnetic vertical, dar deasupra și dedesubt apare și azimutal componenta B și care se schimbă semnul în tranziția prin z coordonate de zero.
profile Fig.5 a pieselor polare și câmpul magnetic linii în ciclotron izocrone
MGC-20 ciclotron
MHz-20 - ciclotron izocrone compact, cu un diametru pol de 103 cm, proiectat pentru a accelera ionii de hidrogen (protoni si deutronilor) si heliu (heliu-3 și heliu-4), în intervalul de la 5 Z2 / A până la 20 Z2 / A MeV, unde Z - taxa și - numărul de masă de ioni accelerate. magnetic structura câmpului trohsektornaya, "slab". golurile de aer ale electromagnetului în „deal“ și „vale“ sunt, respectiv, 72 mm și 120 mm. Izocronă în funcție de câmp magnetic mediu de-a lungul razei pentru orice mod de accelerație este realizată utilizând patru bobine concentrice cu o sursă de alimentare independentă.