В теоретичната част, а циклотрон, принципа на работа, действието на циклотрона принцип изохронна циклотрон,

Циклотрон, принципа на работа

Към заредена частица може да влезе в една ядрена реакция, тя трябва да достигне до ядрото на достатъчно разстояние, така че вероятността за проникване през кръстовището на тунела е натрупала значително количество. Затова важна експериментална задача е да се разработят методи за получаване на заредени частици с енергии на няколко милиона електрон волта.

Първоначално се стреми да гарантира, че инсталацията е лабораторен мащаб, вероятно поставени на пейката, както и че не е необходимо за изпълнението й е твърде скъпо. Въпреки това, когато някои от растенията, които отговарят на тези изисквания са били изобретени, беше установено, че чрез увеличаване на размера и силата може значително да разшири експериментални възможности. Най-ефективната инсталация от този тип е циклотрона, първоначално построен от Лорънс като малка лаборатория инструмент, а сега в някои случаи е трудна техническа инсталация.

Принципът на работа на циклотрона

Принципът на работа на циклотрона изключително проста. Представете си, метална кутия във формата на плосък кух цилиндър нарязани на половина. Кутията се поставя в напречна магнитно поле и на двете половини на своята насложени относително малка потенциална разлика (приблизително 10-100 кВ) от висока честота генератор. Да предположим, че в някакъв момент в участъка между двете половини, наречени Dees, е положителен йон. Ако в този момент Дий наляво (Фиг. 2) се зарежда до максималното отрицателен потенциал, йони ще бъдат привлечени в ляво и попадне в Дий, когато електрическото поле липсва, но има напречно магнитно поле (перпендикулярно на равнината на чертежа). магнитно поле йон описват полукръг. Време, че той ще трябва да се справят добре

и скоростта се определя от състоянието

където - радиус Дий, m - масата на йон и Е - заряда (изразена в електростатични единици). Комбинирането (1.1) и (1.2), получаваме

След като е описано полукръг, йон повторно влиза в пространството между Dees. През това време на потенциала между фазовите изменения, но честотата на генератора се подбира така, че половината просто равен му тон. Поради тази йонна започнал движението си по времето, когато лявата Дий за сметка на максимално отрицателно потенциал обратно в пространството между Dees в момент, когато лявата Дий се изисква най-много положителен потенциал, а в дясно - до максимум отрицателна. В резултат на това йона ще изпитате ново ускорение към дясното Дий и ще продължи пътя си вътре в нея на по-висока скорост в кръг от по-голям радиус. Тъй като обаче йон лечение време Т съгласно формула (1.3) не зависи от радиуса, синхрона време установен вече съхраняват. В резултат на това, преминавайки през пространството между Dees, йонен ще получи всеки път, когато все повече и повече допълнителни импулси, и също потенциална разлика се използва многократно.

Да приемем, че потенциалната разлика между Dees е равна на V1. Очевидно е, че когато N обороти йонни печалби енергия, еквивалентна на ускоряване на потенциала

тъй като всеки пълен оборот тя преминава два пъти разстоянието между Dees и затова получава две допълнителни импулси.

За провеждане йон ъгловата скорост на синхронизъм трябва да съответства на ъгловата честота на генератора, т.е. трябва да бъде равна 2rf където е - честота на линейния генератор. От (1.2) имаме

така че условието за синхронизация ще бъде в писмена форма

Така за даден вид на йони и генератор на честота за даден магнитен интензитет на полето трябва да се определя от състоянието (1.4), така че синхронизация се проведе. Например, за протони. и ако честота F изразена в megacycles, тогава

Следователно, например, на е = 10 област, необходима за фаза съвпадение, Н = 6.56 КОе. За скоростта на протони (1.2) чрез определяне R = 51,5 cm

Еквивалентно ускоряване потенциал находка, комбиниране с (1.2), съотношението

област циклотрон лъч протон

Общата схема на циклотрона е показано на фиг. 3. На нея са показани две спирална траектория на йоните уловени в пространството между Dees в различни фази на променливото напрежение на Dees. Ако йон започва своето движение в момента, когато напрежението е с максимална стойност, след като придобива скорост н революции, което отговаря на потенциала ускоряване

Ако фазови напрежения в момент, когато пространството между Dees йонни пропуска, така че, например ,,

йона ще изпитат половината ускорението. Но тъй като от (1,3) време зависи от обрат и Н, фаза съвпадение на последователни множество ускорения ще настъпи за този йон. Разликата се състои само в това, че такъв йон като преминават между Dees ще изпитате половината ускорението, и по този начин да увеличите енергията определя от радиуса на R, той ще трябва да се направи съответно по-голям брой завои. Радиусите на последователни винтови сегменти са с използване на (1,5), където от лявата страна следва да бъде заместен за V:

По този начин се увеличава радиус пропорционално на n1 / 2

Ясно е, че спираловидно от центъра към периферията, тя се простира в йонни Dees дългия път. Това е много важно, че йонна траектория, ако е възможно, да лежи в плоскостта на медианната между Dees кориците като йон ще получи по друг начин, в крайна сметка, на една от кориците и не достигне отклонението от потенциалния БВП. Това допринася за опазването на орбита самолет двойно фокусиране, електростатични и магнитни, която се проявява при циклотрон. Фиг. 4а показва разпределението на еквипотенциални повърхности в региона между Dees, където йон се ускорява. Вижда се, че йон път ортогонална на еквипотенциални повърхности, така че йоните трябва да бъдат насочени в равнината на симетрия: на електростатично поле действа като електрически цилиндрична леща. Останалата част от пътя, както се вижда от чертежа, електростатичното поле действа разфокусиране фокус. Въпреки това, опазване допринася за йонен сноп магнитен фокусиране, което обяснява появата 4В. В краищата на магнитното поле на магнита се подлага на природен разсейване: магнитното поле не е напълно хомогенен и неговите силови линии не са перпендикулярни на равнината на симетрия, но са вдлъбната към центъра на областта. Ако си представим йони се движат под прав ъгъл спрямо равнината на чертежа е равнината на симетрия, то е лесно да се види, че е сила пропорционална и насочена към равнината на симетрия и е обозначен със стрелките в чертежа.

Фиг.4 електрически и магнитни фокусиране циклотрон: а) на напречното сечение до регион Dees йон ускорение, показва електростатичен фокусиране; б) фокусиране действие на магнитното поле на циклотрона

Очевидно е, че нетният ефект от двете области на действие ще бъде благоприятно за опазването на лъча, при условие, че комбинираният ефект от фокусиране и разфокусиране на напречното сечение на лъч дава амплитудата на трептенията на по-малко от половината от вътрешната височина на Дийс. Експериментално изследване на разпределение йон в лъча във вертикалната равнина, показва, че съответства на теоретични изчисления: за големи радиуси на напречното сечение на сноп става по-малък; това се пресова около симетрия равнина.

Източникът на йони е малка дъга изгаряне в центъра на циклотрона в конична кухина, заобиколени от метални стени. Сърцето удари дъга между катода и стената на кухината, служи като анод. Тъй като е необходимо искрене газ под налягане от порядъка на мм Hg. Чл. на изтичане на газ в кухината през тесен отвор, представляващи челното съпротивление и нови йони проникват през капиляра в камерата за циклотрон, откъдето газ се евакуира мощни бързодействащи помпи. Благодарение на тази система в циклотрон камера се поддържа ниско налягане от порядъка на мм Hg. Чл. докато вътре в кухина, където дъгата изгаряния необходимо за поддържане на налягане е приблизително 100 пъти по-висока.

И накрая, помислете за важния въпрос на максималната енергия на йоните в циклотрон. Тъй като от (1,5) е еквивалентна на ускоряване потенциал е пропорционална на квадрата на радиуса на периферната част на орбитата, изглежда, че чрез увеличаване на радиуса на полюсите на магнит, е възможно да се увеличи съответно и енергия, излъчвана от йон циклотрон. Все пак, това увеличение е с ограничение, за чието съществуване следва от следните съображения. Поради релативистично тегло спрямо съотношение скорост. като се започне с достатъчно висока скорост, тя престава да бъде константа (при 100 MeV протони маса има 10,5% по-голяма от почивка маса) и с по-нататъшно увеличение в увеличаване на скоростта. Ако е така, в условията на нерелативистичните област синхронизация (1.4) е изпълнено, то ще бъдат разбити в прехода към релативистичната достояние. Визуално това може да се обясни както следва: повишаване на теглото се дължи на релативистично йон ще изостане фазата на фазовото напрежение на генератора. В крайна сметка разликата може да достигне такъв мащаб, че йона ще падне в пространството между Dees в моменти, когато напрежението не го ускори, но спирачката. Според (1.4) съвпадение може да се поддържа чрез нееднакво магнитното поле Н, а именно - увеличаване към периферията. Въпреки това, той ще бъде нарушено разпределение пространствено поле, което създава фокусиране.

Изоставащите фазово напрежение фаза на йон може да бъде намалена чрез увеличаване на ускоряване на потенциалната разлика между Dees. тъй като е очевидно, че по-високата потенциална разлика, толкова повече енергия има време да наберете йонна преди фаза отношения напълно разстроен.

Теоретичните изчисления показват, че максималната енергия е

при което - напрежението в киловолта между Dees, А - масово число на йон (или равни на единство за протон), Z - йон заряд и - началната фаза. По този начин, тя се увеличава. възможно да се увеличи енергията на йонен сноп излизане циклотрона. Все пак, това подобрение е практическа граница, определена изтичане. Освен това, чрез увеличаване на силата генератор увеличава значително.

изохронна циклотрон

Зависимостта на периода на революцията от частиците на тяхната енергия води до факта, че значително увеличаване на максималната енергия в циклотрон води до използването на много високо напрежение. Този път е в задънена улица, защото от най-големите технически трудности. Ето защо, един от начините за увеличаване на енергията е да се намери на промяната на циклотрона, в който периодът на обръщение на частиците не зависи от неговата енергия. Ако за допълнително изискване за постоянна честота, докато ускоряващо напрежение, на azimuthally симетричен магнитното поле трябва да се увеличи с радиуса на закона

Методът за получаване на изохронна циклотрон състои в отхвърлянето на азимута симетрията на магнитното поле. Полетата се използват, чрез увеличаване на радиуса.

За качествен анализ представени циклотрон, където повърхността на полюса на магнит не е плоска, но варира синусоидално по азимут (Фигура 5). Разликата между полюсите време на преминаването на определен кръг с радиус периодично става по-голяма или по-малка. Съответно, на магнитното поле също варира по азимут, силната областта се наричат ​​гърбици и областта на слабо - депресии. Електропроводи са преразпределени по азимут, така че издатината се обърна към центъра на долините. В средната равнина има само вертикална магнитно поле компонент, но по-горе и по-долу също така се появява азимута компонент В и която променя знак в прехода през нула Z координати.

Фиг.5 профила на полюсните части и магнитните силови линии в изохронна циклотрона

MGC-20 циклотрон

MHz-20 - компактен изохронна циклотрон с полюс диаметър от 103 см, предназначени за ускоряване на водородните йони (протони и деутерони) и хелий (хелий-3 и хелий-4) в границите от 5 Z2 / A 20 Z2 / A MeV, където Z - зареждане и - масовото число на ускорените йони. магнитно поле структура trohsektornaya "слабо". Въздушни пропуски на електромагнита в "хълма" и "долината" са съответно 72 mm и 120 mm. Изохронна зависимост Средната магнитно поле по радиуса за всеки режим ускорение се образува като се използва четири концентрични намотки с автономно захранване.