ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

СТРУКТУРА УМК

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

 

1. Программа курса – представлена в основной образовательной программе ВПО по направлению подготовки.

     

2.  Учебник, учебное пособие, конспект лекций

Помимо конспектов лекций используются учебные пособия:

1. А.А. Коломенский. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. М.: Изд. МГУ, 1980.

2. А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. ТТ. 1-3. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. В.В. Андреев, А.А. Балмашнов, В.И. Корольков, О.Т. Лоза, В.П. Милантьев. Физическая электроника и ее современные приложения. М.: Изд. РУДН, 2008, с.185.

Дополнительная литература

1. Б.С. Ишханов, Э.И. Кэбин. Физика ядра и частиц. М.: Изд. МГУ, 2000.

2. Петросьянц А.М., Логунов А.А.  Физика высоких энергий и ускорители заряженных частиц. – М.: Наука, 1973.

3. Пашков П.Т. Физика пучка в кольцевых ускорителях. – М.: Физматлит, 2006. 264 с.

 

3. Фонды оценочных средств:

 

Автофазировка (фазовая устойчивость) - явление устойчивости движения частиц в продольном (вдоль орбиты) направлении в резонансных ускорителях, обусловленное зависимостью промежутка времени между последующими ускорениями от полной энергии частицы.

Беватро́н —ускоритель, слабофокусирующий протонный синхротрон на энергию 6 ГэВ, работавший в национальной лаборатории им. Лоуренса (LBNL) в период 1954-1971 годы для проведения экспериментов в области физики высоких энергий и элементарных частиц, а в 1971-2009 годы в качестве бустера тяжёлых ионов для линейного ускорителя SuperHILAC.

Бетатро́н — циклический  ускоритель электронов с постоянной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля.

Бетатронные колебания - колебания заряженных частиц в циклических ускорителях относительно мгновенных или равновесных орбит.

Большой адро́нный колла́йдер (БАК) —ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений.

Бустер — вспомогательное устройство для увеличения силы и скорости действия основного механизма (агрегата).

Вигглер - магнит, создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное магнитное поле.

Волновод – передающая линия, выполненная в виде полой металлической трубы, или канал в неоднородной среде, вдоль которого могут распространяться направленные волны

Высоково́льтный ускори́тель заря́женных части́ц (ускоритель прямого действия) — класс устройств для получения заряженных частиц высоких энергий.

Высокочастотная структура Альвареца ионных линейных ускорителей - полый цилиндрический резонатор (с диаметром около 1 м), нагруженный последовательно расположенными дрейфовыми трубками

Генератор Ван-де-Граафа – высоковольтный линейный ускоритель

Генератор Кокрофта-Уолтона, или умножитель - первый генератор, использованный в системе подачи энергии в ускорителе частиц, предназначенный для проведения эксперимента по искусственному расщеплению атомных ядер

Гиротрон – электровакуумный СВЧ прибор, работа которого основана на взаимодействии электромагнитных волн в резонаторе или в волноводе с потоком электронов, вращающихся с циклотронной частотой в постоянном магнитном поле. Используется в качестве источника мощного электромагнитного излучения (напр., в установках для нагрева плазмы), в основном в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн

Гистерезис – неоднозначная зависимость физический величины, характеризующей состояние тела, от физической величины, характеризующей внешние условия

Группирователи - устройства, которые преобразуют непрерывный пучок частиц в последовательность сгустков, при этом среднее значение тока сохраняется

Групповая скорость – скорость движения группы, или цуга волн, образующих в каждый момент времени волновой пакет

Детекторы частиц – приборы и устройства для регистрации микрочастиц, а также рентгеновских и гамма-квантов

Диафрагмированные волноводы - металлическая труба, в которой последовательно располагаются металлические диски с центральными отверстиями (диафрагмами)

Дисперсия волн – зависимость фазовой скорости волны от ее частоты

Дисперсионное уравнение – определяет возможность распространения волн лишь при определенной зависимости частоты от волнового числа

Длина волны – пространственный период волны λ, связанный с волновым числом: λ=2π/k

Дуант — один из двух ускоряющих D-подобных электродов, находящихся в циклотроне.

Знакопеременная фокусировка - метод обеспечения устойчивости фазового движения в линейном ускорителе, при котором ускоряющие промежутки расположены вдоль ускорителя так, что частицы попадают поочерёдно то в устойчивую, то в неустойчивую равновесную фазу.

Импульс (импульсный сигнал) – изменение какой-либо физической величины (напряжение, смещение и т.п.) в течение конечного (малого) промежутка времени

Индукционный ускоритель – ускоритель заряженных частиц, в котором прирост энергии частиц происходит за счёт эдс индукции, создаваемой переменным. магнитным потоком.

Инжекция - ввод пучка заряженных частиц в ускоритель для дальнейшего ускорения или накопления частиц. 

Инжектор - источник ускоряемых заряженных частиц (небольшой линейный ускоритель

Квадруполь – электрически нейтральная система зарядов, которую можно рассматривать как совокупность двух диполей с равными по величине, но противоположными по знаку дипольными моментами, расположенных на некотором расстоянии друг от друга

Квадрупольные линзы – электростатические и магнитные электронные линзы, поля которых имеют две плоскости симметрии, а векторы напряженностей полей в области движения заряженных частиц почти перпендикулярны к их скорости

Квадрупольный конденсатор – система четырех электродов в виде стержней, расположенных симметрично относительно центральной оси и параллельно ей

Коаксиальная линия - соосная система двух цилиндрических проводников: внешнего полого, и внутреннего

Коаксиальные резонаторы - образуются из отрезка коаксиальной линии, стоячая волна в которых создается путем замыкания обоих концов линии сопротивлениями, не потребляющими активной мощности

Колла́йдер —ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений.

Коллективные методы ускорения - методы ускорения заряж. частиц, а также их удержания в процессе ускорения, в которых используются собственные эл--магн. поля, возникающие в результате взаимодействия одной группы зарядов с другой, либо в результате взаимодействия группы зарядов с эл--магн. волной или плазмой.

Кольцевой ускоритель – циклический ускоритель заряженных частиц, в котором радиусы орбит частиц изменяются в относительно небольшом диапазоне, так что магнитная система имеет вид кольца.

Лазер на свободных электронах (рентгеновский лазер) — один из многих перспективных лазеров, в основе работы которых лежит  электромагнитное излучение, состоящее из электромагнитных волн, достигающих высокой энергии, но использующий разные операционные настройки для формирования луча.

Кроссовер – минимальное сечение пучка частиц

Линейный ускоритель— устройство для создания ионизирующего излучения (рентгеновского и/или электронного) высокой проникающей способности (20 МэВ и выше).

Магни́тное поле— составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Микротрон (ускоритель с переменной кратностью) — тип резонансных циклических ускорителей электронов.

Накопители заряженных частиц (накопительные кольца) - циклич. ускорители заряж. частиц, предназначенные для накопления и (или) длит. удержания (часы, дни) пучка заряж. частиц на стационарной орбите при пост. энергии.

Область захвата частиц в режим ускорения - некоторая окрестность равновесной фазы, в которой совершаются колебания фаз ускоряющихся частиц

Ондуляторное излучение – электромагнитное излучение, испускаемое ускоренными заряженными частицами в ондуляторах

Охлаждение заряженных частиц - уменьшение фазового объёма, занимаемого частицами пучка в накопителе за счёт какого-либо механизма диссипации.

Перезарядный ускоритель (тандем) –высоковольтный ускоритель, в котором благодаря перезарядке ускоряемых частиц (изменению знака, а иногда и величины заряда) одно и то же ускоряющее напряжение применяется дважды: отрицательные  ионы ускоряются при движении к положительно заряженному высоковольтному электроду, а положительные ионы, образовавшиеся после перезарядки, - при движении от него к электроду с нулевым потенциалом.

Пла́зма — полностью или частично ионизированный газ, в котором выполняется условие квазинейтральности.

Плазменные ускорители - устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10—10³ км/сек и более, что соответствует кинетической энергии ионов от ~10 эв до 10⁵—10⁶ эв.

По́ле в физике — одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы.

Принцип автофазировки — закон, обеспечивающий стабильность частицы в резонансном циклическом ускорителе в продольном направлении.

Равновесная фаза - значение фазы ускоряющего ВЧ - напряжения в резонансных ускорителях, при которой частицы, пришедшие в ускоряющий зазор, приобретают такую энергию, что двигаются в резонансе с ускоряющим полем.

Равновесная частица - частица, скорость которой постоянно совпадает с фазовой скоростью ускоряющей волны.

Резонансные ускорители – ускорители заряженных частиц, в которых ускорение происходит при многократном прохождении частиц через промежутки в резонанс с ускоряющим ВЧ электрическим полем

Резонатор – колебательная система, способная совершать колебания максимальной амплитуды (резонировать) при воздействии силы определенной частоты и формы

Релятивистские электронные пучки (РЭП) – направленные потоки электронов, поперечные размеры которых значительно меньше их длины, движущиеся со скоростями, сравнимыми со скоростью света

Светимость - число, на которое нужно умножить эффективное. сечение изучаемой реакции, чтобы получить число таких реакций в единицу времени.

Сепаратриса - фазовая траектория, проходящая через седловую точку . Она разделяет область устойчивости (захваченные частицы) и область пролетных, незахваченных частиц

Сила Лоренца — сила, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу.

Сильная (жесткая) фокусировка – фокусировка ускоряемых частиц в магнитном поле со знакопеременным градиентом

Сильноточные ускорители – устройства для получения мощных потоков заряженных частиц с током выше 10⁴ А при энергии частиц свыше 10⁵ эВ

Синхротро́н — один из типов резонансных циклических ускоритель.

Синхрофазотрон — резонансный циклический ускоритель с неизменной в процессе ускорения длиной равновесной орбиты.

Синхротронное (или магнитотормозное) излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями.

Синхротронные колебания - колебания фазы, а также колебания энергии ускоряемых частиц около растущего значения энергии синхронной частицы

Стоячая волна – периодическое или квазипериодическое во времени синфазное колебание с характерным пространственным распределением амплитуды – чередованием узлов и пучностей

Ускори́тель заря́женных части́ц— класс устройств для получения заряженных частиц высоких энергий.

Ускоряющая разность потенциалов (ускоряющее напряжение) – определяет энергию Условие синхронизма частицы с волной – совпадение фазовой скорости волны со скоростью частицы

Устойчивость – свойство систем, возвращаться к состоянию равновесия при малых изменениях параметров, описывающих эту систему

Фаза (волны) колебаний – аргумент функции, описывающей колебательный или волновой процесс

Фазовая скорость – скорость распространения постоянного значения фазы волны

Фазовое пространство – многомерное пространство, осями которого служат обобщенные координаты и импульсы механической системы

ускоренных электронов

Фазотрон, синхроциклотрон — циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, дейтронов, ионов и др.), в котором магнитное поле однородно и постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.

Физика ускорителей — раздел физики, изучающий динамику частиц в ускорителях, а также многочисленные технические задачи, связанные с сооружением и эксплуатацией ускорителей частиц.

Фокусировка частиц в ускорителе - обеспечение устойчивости поперечного движения ускоряемых заряженных частиц.

Циклический ускоритель - один из видов ускорителей заряженных частиц, в котором частицы во время ускорительного цикла движутся по траекториям, близким к окружности либо спирали.

Циклотрон — 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.

Циклотронная частота (гирочастота, гиромагнитная частота) — частота периодического движения заряженной частицы в постоянном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной ему.

Циклотро́нное излуче́ние —электромагнитное излучение, генерируемое заряженными частицами, которые отклоняются магнитным полем.

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния)  электромагнитного поля

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и  магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

Электронные пучки – направленные потоки электронов, поперечные размеры которых значительно меньше их длины

Электростатический генератор - устройство, в котором высокое постоянное напряжение (до нескольких MB) создаётся при помощи механического переноса электростатических зарядов.

Эммитанс -количественная характеристика качества пучка, равная его фазовому объёму, т. е. объёму, заключённому внутри поверхности, ограничивающей изображения частиц пучка в фазовом пространстве.

 

-    Методические указания для преподавателя

Можно рекомендовать регулярную проверку решения задач, а также краткий контрольный опрос студентов во время занятия. Необходимо приводить все выкладки, отмечая наиболее трудные моменты.

 

-    Методические указания для студента

Следует систематически прорабатывать лекционный материал с использованием рекомендованных пособий. Для закрепления пройденного материала надо регулярно решать предложенные задачи

 

-    Задачи для самостоятельного решения

1. Продольные колебания частиц в ускоряющей волне в обобщенных канонических переменных  описываются с помощью функции Гамильтона

.

На фазовой плоскости  найти равновесные фазы, и определить, какая из них устойчива.                                                                                                         (0,

2. Найти скорость электрона при энергии 1 эВ.                                       Около 600км/с
3. Найти зависимость скорости ультрарелятивистских частиц от релятивистского фактора.                                                                                                        
4. Найти  импульс p заряженной частицы, обращающейся в постоянном магнитном поле B по окружности с радиусом R?                                                           
5. Две частицы с массами  в лабораторной системе имеют энергии и импульсы, равные, соответственно,  и . Найти энергию этих частиц  в системе центра инерции.
6. Найти закон движения релятивистской заряженной частицы в направлении постоянного однородного электрического поля.
7. Найти закон движения релятивистской заряженной частицы в постоянном однородном магнитном поле.
8. Найти закон движения релятивистской заряженной частицы в постоянных параллельных электрическом и магнитном полях
9. Найти траекторию нерелятивистской заряженной частицы в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.
10. Определить движение релятивистской заряженной частицы в поле плоской волны круговой поляризации.
11. Найти закон движения заряженной частицы в одномерном электростатическом поле.
12. Какой должна быть длина линейного ускорителя частиц с зарядом Ze, рассчитанного на энергию Е?

 

-    Лабораторный практикум не предусмотрен

-     

Контрольные вопросы

1.      Основные типы линейных ускорителей.

2.      Принцип высоковольтного ускорения.

3.      Принцип индукционного ускорения.

4.      Принцип резонансного ускорения.

5.      Автофазировка. Условие Векслера.

6.      Фазовое пространство. Фазовые траектории ускоряемых частиц. Сепаратриса. Аксептанс.

7.      Фокусировка частиц. Сильная (жесткая) фокусировка.

8.      Устойчивость орбит ускоряемых частиц. Фазовые колебания в линейном резонансном ускорителе.

9.      Основные типы циклических ускорителей.

10.  Циклотрон.

11.  Бетатрон. Бетатронные колебания.

12.  Микротрон.

13.  Синхротрон. Синхрофазотрон. Фазотрон.

14.  Движение частиц в периодических структурах. Резонансы.

15.  Синхротронное излучение.

16.  Встречные пучки частиц. Светимость.

17.  Накопительные кольца. Электронное и стохастическое охлаждение.

18.  Коллайдеры. Большой адронный коллайдер.

19.  Коллективные методы ускорения

20.  Циклотронный авторезонанс.

21.  Гиромагнитный авторезонанс.

22.  Серфотронное ускорение

23.  Лазерные методы ускорения

 

БАЛЛЬНО-РЕЙТИНГОВАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

 Максимальное число баллов, набранных в семестре, – 100

Вид задания	Количество заданий	Баллы на одно задание	Сумма баллов
Рефераты	4	14	56
Посещение занятий			4
Итоговая аттестация (экзамен)			40
ИТОГО			100

Соответствие систем оценок (согласно Приказу Ректора № 996 от 27.12.2006 г.):

Баллы БРС	Традиционные оценки в РФ	Баллы для перевода оценок	Оценки	Оценки
86 – 100	5
69 – 85	4	69 - 85	4	С
51 – 68	3
0 - 50	2
51 - 60	Зачет		Зачет	Passed

            4 балла – при посещении занятий от 80% до 100%

1 балл – при посещении от 70% до 79%

При посещении менее 70% занятий баллы не начисляются.

 

Примерные темы рефератов:

1. Современные линейные ускорители
2. Встречные пучки частиц. Коллайдеры
3. Современные циклические ускорители
4. Лазерно-плазменные методы ускорения
5. Лазерно-вакуумные методы ускорения.
6. Механизм авторезонансного ускорения.
7. Гиромагнитный авторезонанс.
8. Механизм серфотронного ускорения.
9. Синхротронное излучение
10. Применения ускорителей в науке, технике, медицине.
11. Механизмы ускорения частиц в космических масштабах.
12. Большой Адронный Коллайдер.
13. Новейшие результаты, полученные на Большом Адронном Коллайдере.
14. Перспективы развития ускорителей.
15. Открытия в физике с использованием ускорителей.
16. Нобелевские премии по ускорителям.
17. Мощные источники электромагнитного излучения, используемые в ускорителях заряженных частиц.
18. Современные методы детектирования заряженных частиц.
19. Тэватрон.
20. Нуклотрон.
21. Квантовые эффекты при ускорении заряженных частиц.

 

Вопросы для тестирования

Релятивистский фактор частицы с массой т равен  =2. Чему равна кинетическая энергия частицы К?

К=тс^{2 #}

К=2тс²

К=тс²

Каков импульс p заряженной частицы, обращающейся в постоянном магнитном поле B по окружности с радиусом R?

 #

Как изменится циклотронная частота, если релятивистский фактор увеличится в 2 раза?

Увеличится в 2 раза

Уменьшится в 2 раза #

Уменьшится в  раз

Ускоряющая разность потенциалов в линейном ускорителе увеличилась в 2 раза. Как изменилась энергия частицы?

Увеличилась в 2 раза #

Увеличилась в  раз

Увеличилась в 4 раза

Фазовая скорость волны равна v₁. Какова фазовая скорость v₂ другой волны с той же частотой , но с длиной волны ?

v₂=2 v_{1 #}

v₂= v₁/2

v₂= v₁

Какова траектория частицы в циклотроне?

Окружность

Раскручивающаяся спираль #

Винтовая линия

Какова траектория частицы в бетатроне?

Окружность #

Раскручивающаяся спираль

Винтовая линия

Каково отношение циклотронных частот электрона и протона в одном и том же магнитном поле при одинаковой скорости?

#

 

Какова траектория частицы в синхротроне?

Окружность#

Раскручивающаяся спираль

Винтовая линия

Площадь, охватываемая сепаратрисой, уменьшилась в два раза. Как изменился аксептанс ускоряемых частиц?

Увеличился в 2 раза

Уменьшился в 2 раза #

Не изменился

 

Как изменится толщина скин-слоя, если частота поля увеличится в 4 раза?

Увеличится в 4 раза

Уменьшится в 2 раза #

Увеличится в 2 раза

 

Закон дисперсии волн определяется соотношением: . Какова фазовая скорость этих волн?

 #

Какова фазовая скорость волн v_p в волноводах по сравнению со скоростью света с?

v_p=c

v_p>c #

v_p<c

В колебательном контуре индуктивность увеличили в 2 раза. Как изменилась частота контура?

Уменьшилась в 2 раза

Уменьшилась в раз #

Увеличилась в раз

Какова траектория электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях?

Спираль

Циклоида #

Окружность

Скорость частицы в направлении постоянного магнитного поля увеличилась в три раза. Как изменился шаг винтовой линии траектории движущейся частицы?

Увеличился в 3 раза#

Уменьшился в 3 раза

Не изменился

Частица с энергией 10эВ влетает в постоянное однородное магнитное поле с индукцией В.

Как изменится энергия частицы, если она войдет в магнитное поле с индукцией 2В?

Увеличится в два раза

Уменьшится в два раза

Не изменится #

 

Вопросы для итогового контроля

1.      Для чего нужны ускорители?

2.      Основное уравнение ускорения.

3.      Основные физические принципы ускорения.

4.      Основные типы ускорителей, их классификация.

5.      Принцип автофазировки и его значение.

6.      Принцип работы генератора Ван-де-Граафа.

7.      Принцип тандемного ускорения.

8.      Принцип работы линейного индукционного ускорителя.

9.      Линейные ускорители с диафрагмированными волноводами.

10.  Линейные ускорители с дрейфовыми трубками.

11.  Расчет возможных мод в волноводе и резонаторе.

12.  В чем заключается принцип резонансного ускорения?

13.  Определение синхронной частицы.

14.  Как обеспечивается ускорение синхронной частицы?

15.  Уравнения фазовых колебаний. Фазовые траектории.

16.  Сепаратриса. Продольный аксептанс.

17.  Условие Векслера.

18.  Из-за чего происходит дефокусировка пучка ускоряемых частиц?

19.  Принцип работы бетатрона

20. Условия устойчивости бетатронные колебания?

21.              Что такое синхротронные колебания?

22.              Принцип жесткой фокусировки.

23.              Принцип действия циклотрона.

24.              Принцип действия микротрона.

25.              Принцип действия синхротрона.

26.              Физический механизм синхротронного излучения.

27.              Основные свойства синхротронного излучения.

28.              Влияние синхротронного излучения на процесс ускорения частиц.

29.              Существенно ли синхротронное излучение для протонов?

30.              В чем преимущества ускорителей на встречных пучках?

31.  Почему нужны накопители заряженных частиц?

32. Основные схемы накопительных колец.

33. Смысл параметра «светимость» установки

34. Методы электронного и стохастического охлаждения пучков.

35. Роль накопителей в современной физике высоких энергий

Скачано с www.znanio.ru