Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Магнитное поле

Ускорители заряженных частиц

Ядерная физика изучает взаимодействие частиц высоких энергий. Для их получения исторически первыми были электростатические ускорители, но при этом требуются ускоряющие напряжения ~ 1 MB, которые никакие конструкции не выдерживают: возникают поверхностные пробои, газовые разряды. Этого же результата можно добиться, если частицы многократно (циклически) пропускать через одну и ту же область ускоряющего электрического поля. Это обеспечивается их круговым движением в магнитном поле.

Первый ускоритель такого типа был построен американским физиком Э. Лоуренсом в 1930 г. и назван циклотроном. Он содержит дуанты - две половины (1 и 2) пустотелого металлического цилиндра, разделенные узкой щелью 3 и помещенные в вакуумную камеру 4 (рис. 22.7). Между дуантами создают переменное электрическое поле Е~, а перпендикулярно ему внутри дуантов действует магнитное поле с индукцией В. Рис.22.7.

Положительные ионы из источника С ионов под действием переменного напряжения между дуантами U~ = Uo cos (2pt/Т) попадают в один из дуантов, например 1. Здесь электрическое поле на ионы уже не действует, так как они находятся внутри металлической полости (высота цилиндров мала, и электрическое поле в них не проникает). Магнитное же поле действует, и поэтому ионы движутся по окружности, возвращаясь к щели 3. Здесь электрическое поле сообщает им дополнительное ускорение, и потому в пределах следующего дуанта они движутся с увеличенным радиусом и т. д. до тех пор, пока не приобретут нужную энергию, после чего их выводят наружу.

 Период обращения иона по окружности .(см. ф-лу 22.7)

Очень важный результат! Частота (период) обращения иона по окружности не зависит от его скорости.

Следовательно, частота переменного напряжения между дуантами может оставаться постоянной.

Как следует из теории относительности, масса m частицы зависит от ее скорости. Когда она становится соизмеримой со скоростью света, масса возрастает, а следовательно, возрастает и период обращения (22.7). Поэтому фаза пролета частицы через зазор начнет отставать от фазы переменного напряжения и в конце концов частица станет попадать в зазор не в ускоряющее, а в тормозящее поле.

При амплитуде ускоряющего напряжения 100 кВ предельная энергия, при которой это еще не происходит, составляет для протона ~ 22 МэВ, а для электрона ~ 0,5 МэВ. Чтобы получить большие энергии, нужны дополнительные меры.

Так как период обращения частицы растет, нужно соответственно увеличивать и период переменного напряжения между дуантами. Ускоритель, в котором это делается, называют фазотроном (так как он учитывает изменяющуюся фазу пролета щели).

В действительности это происходит несколько иначе. Советский физик В. И. Векслер в 1944 г. показал, что фаза пролета частицы сама подстраивается под фазу переменного напряжения. Это явление получило название автофазировки. Поэтому если медленно увеличивать период переменного поля, то вследствие автофазировки, период обращения частицы тоже будет возрастать. Естественно, это означает (при В = const) возрастание массы частицы (ее энергии).

Нужно так увеличивать индукцию В, чтобы отношение m/B оставалось постоянным. Ускоритель, в котором это реализовано, называют синхротроном (так как В изменяется синхронно с m). (Применительно к ускорению электронов их называют бетатронами). Наиболее мощные ускорители совмещают эти два способа и называются синхрофазотронами. Первый синхрофазотрон был построен в 1957 г. в г. Дубне. До 1972 г. самым большим в мире ускорителем протонов был синхрофазотрон, построенный в г. Серпухове (под Москвой). Он ускорял протоны до энергии 76 ГэВ. К 1980 г. максимальная энергия достигла 500 ГэВ (Батейвия, США). В настоящее время в Серпухове проектируется синхрофазотрон на 3000 ГэВ.

Современные ускорители - это гигантские сооружения (размерами в сотни метров), очень мощные и дорогостоящие. Не зря их называют «пирамидами XX века». Однако затраты на них окупаются новыми важными открытиями структуры материи и видов взаимодействий. Кроме того, ускорители являются основой «пучкового оружия». Применяют их также в медицине, технологии и даже сельском хозяйстве. Обработка материалов пучками быстрых частиц повышает их прочность, термостойкость, другие технологичес­кие и эксплуатационные свойства.

В последнее время стала бурно развиваться технология, основан­ная на применении мембран - фильтров для разделения веществ, которые получают с помощью ускорителей. Пучок ионов, пробивая полимерную пленку или слюду, оставляет в ней множество отверстий, диаметр которых зависит от вида ионов. Такой фильтр может затем производить тончайшие операции по разделению смесей газов и жидкостей. Это открывает широкие возможности совершенствования самых различных процессов.

МГД – технологии

Толчком к разработке различных технологий, опирающихся на законы движения электропроводящих сред в магнитных полях, послужили исследования управляемого термоядерного синтеза. В этой области необходимо управлять плазмой, имеющей температуру до 300 миллионов Кельвин, полученной сжатием низкотемпературной (Т = 104 К) плазмы магнитным полем. В настоящее время самой совершенной является отечественная установка «Токамак-10», созданная в далеком теперь 1982 году.

Следующим шагом были МГД-генераторы постоянного тока. Пусть теперь в поперечном магнитном поле между двумя проводящими пластинами движется плазма, т. е. высокоионизированный газ с одинаковой концентрацией электронов и положительных ионов и Т>2500К. Здесь возникает эффект, аналогичный эффекту Холла: положительные заряды отклоняются силой Лоренца к одной пластине, а отрицательные - к другой (рис.22.8).

Если пластины соединить друг с другом потребителем электроэнергии, то через него потечет ток. Таким образом, эта система является генератором тока, который назвали магнитогазодинамическим или МГД-генератором. В таком генераторе ток получают непосредственно из газообразных продуктов сгорания топлива, которые нагреваются до температуры в несколько тысяч кельвин. При этом энергия хаотического движения молекул так велика, что при столкновениях они ионизируются, превращаясь в ионы и электроны. Для повышения степени ионизации в продукты сгорания топлива добавляют легко ионизируемые пары щелочных металлов (например, соли калия).

  N

 

Рис. 22.8. Принципиальная схема МГД-генратора.

 Скорость плазменного потока ~ 103 м/с. МГД-генератор интересен тем, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую без промежуточных устройств (например, паровых турбин). Это значительно повышает КПД генератора (на 20 - 25%), так как в любых промежуточных устройствах теряется энергия. КПД здесь выше еще и потому, что температура рабочего тела гораздо больше, чем в котельных топках обычных генераторов. Если “отработанный” газ направить в камеру, где тепло отнимается, образуется водяной пар, направляемый на обычную турбину. КПД такой комбинированной установки достигает 50-55% против 35-40%, характерных для обычных паросиловых установок.

Промышленный образец МГД-генератора был впервые изготовлен в нашей стране. На Рязанской ГРЭС создан первый в мире промышленный МГД-блок мощностью 500 МВт. Для этого пришлось преодолеть много конструкторских и технологических сложностей, а также создать крупнейший сверхпроводящий магнит, работающий при температуре - 269 °С.

Силу Лоренца широко применяют и для сканирования электронного луча в устройствах отображения информации (терминалы АСУ, экраны станций наведения ракет, телевизионные передатчики и приемники, приборы ночного видения). При сканировании электронный луч перемещают в горизонтальном направлении, затем возвращают в положение чуть ниже исходной точки, вновь перемещают по следующей «строке», параллельной первой, и т. д. Таким образом, электронный луч шаг за шагом «прочерчивает» целую область или поверхность. (Примерно так же сканирует луч в радиолокационных станциях.) Например, в телевизионной трубке это осуществляется двумя катушками, индукции магнитных полей которых перпендикулярны как друг другу, так и скорости электронов в пучке. В результате одно магнитное поле вызывает отклонение луча в горизонтальном, а другое - в вертикальном направлениях. Синхронно со сканированием в приемной трубке (отображающей информацию) происходит сканирование в передающей трубке, которая может быть установлена вблизи труднодоступного объекта - в космосе, под водой, в зоне ядерного взрыва. Применяется телевидение и в подвижных средствах, например в крылатых ракетах. В памяти бортовой ЭВМ находится «картина» цели. На последнем участке траектории включается бортовая телевизионная установка и траектория корректируется так, чтобы совместить видимую картинку с находящейся в памяти. Это обеспечивает точность наведения крылатых ракет до нескольких метров!

Классификация колебательных систем. В соответствии, с изложенным выше все колебательные системы можно делить на линейные, параметрические и нелинейные. Линейные цели описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для линейных систем выполняется принцип суперпозиции, т.е. отклик системы на сложное воздействие, равняется сумме откликов на каждое воздействие в отдельности. В линейных инвариантных цепях происходит лишь деформация спектра, т.е. спектральные составляющие входного сигнала изменяют лишь свою амплитуду и новых спектральных составляющих не возникает.

На главный сайта: Курс физики