Энергия, импульс и масса в релятивистской динамике. Закон взаимосвязи массы и энергии для материальных тел

Ускоритель – установка для получения пучков заряженных частиц
Ускорители применяются:
В научных исследованиях (элементарные частицы, ядерная физика, физика твердого тела, получение не встречающихся в природе нуклидов)
В прикладных исследованиях (источники синхротронного излучения)
В медицине (радиационная диагностика и терапия, стерилизация аппаратуры), биологии
В промышленности (имплантация ионов, дефектоскопия, стерилизация пищевых продуктов, искусственная полимеризация лаков, модификация свойств материалов, напр. резины, радиационная обработка материалов, изготовление элементов микроэлектроники)

Принципиальная схема циклотрона
1 – место поступления (протонов, ионов); 2 – траектория ускоряемой частицы; 3 – ускоряющие электроды (дуанты); 4 – генератор переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Ускорители различаются:
По назначению
По составу поставляемых частиц: легкие (электроны, позитроны), промежуточные (мезоны) и тяжелые частицы (протоны), ионы самых разнообразных масс и зарядностей, античастицы (антипротоны)
По энергии частиц, от самых низких до нескольких ТэВ (1012 эВ, 1эВ=1.6·10-19 Дж)
По геометрии (кольцевые и линейные)
По интенсивности пучков

Происхождение ускорителей
Первая задача – изучение строения атомного ядра
1932г., Кокрофт и Уолтон (Англия, Кэвендишская лаборатория) - бомбардировка ядер лития протонами
первое в мире успешное искусственное превращение химических элементов (литий в гелий)
впервые была проверена формула Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии (кинетическая энергия образовавшихся ядер была больше кинетической энергии исходных ядер)
Нобелевская премия по физике за 1951г.

Изохронный циклотрон У-150М в институте ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан

Групповая работа
1 группа – циклотрон
2 группа – бетатрон
3 группа – синхротрон
Задание: объяснить устройство и принцип работы, а также применение

1 группа – циклотрон

Циклотрон (предложен Лоуренсом в 1932 г., Нобелевская премия 1939 г.)
Первая работающая модель циклотрона
С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона, который широко использовался в экспериментальных исследованиях ядерных реакций и искусственной радиоактивности

Циклотрон
Принцип работы:
Для нерелятивистских частиц (v< не зависит от скорости ω=eB/mc
ВЧ напряжение прикладывается к зазору между дуантами
С ростом энергии частицы увеличивается ее радиус обращения
Ограничение – при релятивистских скоростях теряется синхронизм с ВЧ системой ω=eB/mγc (γ=1/(1-v2/c2)1/2)
Максимальная энергия 20-25 МэВ
Применение: радиационная терапия, получение изотопов

Просмотр видеоролика о циклотроне
https://www.youtube.com/watch?v=CXOY-CKbWbY

2 группа – бетатрон

Бетатрон
Д. Керст возле своих бетатронов, маленький - на 2.3 МэВ, большой - на 25 МэВ

Бетатрон
Теоретическая основа заложена Видероэ, впервые построен Керстом в 1940 г.).
Основные элементы:
Обмотки переменного тока, генерирующего переменное магнитное поле
Железный сердечник для формирования потока магнитного поля через охватываемую пучком область
Условие постоянства орбиты
Условие устойчивости поперечных (бетатронных) колебаний - слабая радиальная вариация магнитного поля (достигается профилированием магнитного полюса)
Максимальная энергия 300 МэВ

3 группа – синхротрон

Синхротрон
Принцип действия:
ведущее поле с радиальной фокусировкой растет по мере роста энергии частицы
условие 2:1 не нужно, вместо этого частота ВЧ подстраивается под частоту обращения
Принцип автофазировки (Векслер (1944) и Макмиллан (1945))
Ограничение слабой фокусировки – очень большие поперечные размеры пучка -> очень громоздкие магниты (синхрофазотрон в Дубне, 1956г., вес магнитов 6000 тонн)
Изобретение принципа сильной фокусировки, Кристофилос (1950, неопубликовано) и независимо Курант, Ливингстон и Снайдерс (1952)