« Fizica - Clasa 10 "

Să luăm mai întâi în considerare cel mai simplu caz, când corpurile încărcate electric sunt în repaus.

Se numește secțiunea de electrodinamică dedicată studiului condițiilor de echilibru pentru corpurile încărcate electric electrostatică.

Ce este o sarcină electrică?
Care sunt taxele?

Cu cuvinte electricitate, sarcină electrică, curent electric te-ai întâlnit de multe ori și ai reușit să te obișnuiești cu ele. Dar încercați să răspundeți la întrebarea: „Ce este o sarcină electrică?” Conceptul în sine încărca- acesta este conceptul principal, primar, care la nivelul actual de dezvoltare a cunoștințelor noastre nu poate fi redus la niciun concept mai simplu, elementar.

Să încercăm mai întâi să aflăm ce se înțelege prin afirmația: „Un corp sau o particulă dat are o sarcină electrică”.

Toate corpurile sunt construite din cele mai mici particule, care sunt indivizibile în altele mai simple și, prin urmare, sunt numite elementar.

Particulele elementare au masă și datorită acesteia sunt atrase unele de altele conform legii gravitației universale. Pe măsură ce distanța dintre particule crește, forța gravitațională scade invers proporțional cu pătratul acestei distanțe. Majoritatea particulelor elementare, deși nu toate, au și capacitatea de a interacționa între ele cu o forță care scade, de asemenea, invers cu pătratul distanței, dar această forță este de multe ori mai mare decât forța gravitației.

Deci în atomul de hidrogen, prezentat schematic în figura 14.1, electronul este atras de nucleu (proton) cu o forță de 10 39 de ori mai mare decât forța de atracție gravitațională.

Dacă particulele interacționează între ele cu forțe care scad odată cu creșterea distanței în același mod ca forțele gravitației universale, dar depășesc forțele gravitației de multe ori, atunci se spune că aceste particule au o sarcină electrică. Particulele în sine sunt numite taxat.

Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particule.

Interacțiunea particulelor încărcate se numește electromagnetic.

Sarcina electrică determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice, la fel cum masa determină intensitatea interacțiunilor gravitaționale.

Sarcina electrică a unei particule elementare nu este un mecanism special dintr-o particulă care ar putea fi îndepărtată din ea, descompusă în părțile sale componente și reasamblată. Prezența unei sarcini electrice într-un electron și alte particule înseamnă doar existența unor anumite interacțiuni de forță între ele.

Noi, în esență, nu știm nimic despre sarcină, dacă nu cunoaștem legile acestor interacțiuni. Cunoașterea legilor interacțiunilor ar trebui inclusă în înțelegerea noastră a taxei. Aceste legi nu sunt simple și este imposibil să le enunțăm în câteva cuvinte. Prin urmare, este imposibil să se ofere o definiție concisă suficient de satisfăcătoare a conceptului incarcare electrica.

Două semne de încărcare electrică.

Toate corpurile au masă și, prin urmare, se atrag reciproc. Corpurile încărcate se pot atrage și respinge reciproc. Acest fapt cel mai important, care vă este familiar, înseamnă că în natură există particule cu sarcini electrice de semne opuse; În cazul sarcinilor de același semn, particulele se resping, iar în cazul unor semne diferite, se atrag.

Sarcina particulelor elementare - protoni, care fac parte din toate nucleele atomice, se numește pozitive, iar sarcina electroni- negativ. Nu există diferențe interne între sarcinile pozitive și negative. Dacă semnele sarcinilor particulelor ar fi inversate, atunci natura interacțiunilor electromagnetice nu s-ar schimba deloc.

sarcină elementară.

Pe lângă electroni și protoni, există mai multe tipuri de particule elementare încărcate. Dar numai electronii și protonii pot exista la infinit în stare liberă. Restul particulelor încărcate trăiesc mai puțin de milioane de secundă. Ele se nasc în timpul ciocnirilor de particule elementare rapide și, având o perioadă de timp neglijabilă, se degradează, transformându-se în alte particule. Te vei familiariza cu aceste particule în clasa a XI-a.

Particulele care nu au sarcină electrică includ neutroni. Masa sa depășește doar puțin masa unui proton. Neutronii, împreună cu protonii, fac parte din nucleul atomic. Dacă o particulă elementară are o sarcină, atunci valoarea acesteia este strict definită.

corpuri încărcate Forțele electromagnetice în natură joacă un rol imens datorită faptului că compoziția tuturor corpurilor include particule încărcate electric. Părțile constitutive ale atomilor - nucleele și electronii - au sarcină electrică.

Acțiunea directă a forțelor electromagnetice între corpuri nu este detectată, deoarece corpurile în stare normală sunt neutre din punct de vedere electric.

Un atom al oricărei substanțe este neutru, deoarece numărul de electroni din el este egal cu numărul de protoni din nucleu. Particulele încărcate pozitiv și negativ sunt conectate între ele prin forțe electrice și formează sisteme neutre.

Un corp macroscopic este încărcat electric dacă conține un număr în exces de particule elementare cu orice semn de sarcină. Deci, sarcina negativă a corpului se datorează unui exces al numărului de electroni în comparație cu numărul de protoni, iar sarcina pozitivă se datorează lipsei de electroni.

Pentru a obține un corp macroscopic încărcat electric, adică pentru a-l electriza, este necesar să se separe o parte din sarcina negativă de sarcina pozitivă asociată cu aceasta sau să se transfere o sarcină negativă într-un corp neutru.

Acest lucru se poate face cu frecare. Dacă treceți un pieptene peste părul uscat, atunci o mică parte din particulele cele mai mobile încărcate - electronii vor trece din păr în pieptene și îl vor încărca negativ, iar părul va fi încărcat pozitiv.

Egalitatea tarifelor în timpul electrificării

Cu ajutorul experienței, se poate dovedi că atunci când sunt electrizate prin frecare, ambele corpuri capătă sarcini cu semn opus, dar identice ca mărime.

Să luăm un electrometru, pe tija căruia este fixată o sferă metalică cu orificiu și două plăci pe mânere lungi: una din ebonită, iar cealaltă din plexiglas. La frecare una de alta, plăcile sunt electrificate.

Să aducem una dintre plăci în interiorul sferei fără a-i atinge pereții. Dacă placa este încărcată pozitiv, atunci unii dintre electronii de la ac și tija electrometrului vor fi atrași de placă și se vor colecta pe suprafața interioară a sferei. În acest caz, săgeata va fi încărcată pozitiv și respinsă de tija electrometrului (Fig. 14.2, a).

Dacă în interiorul sferei se introduce o altă placă, după ce a fost îndepărtată în prealabil pe prima, atunci electronii sferei și tija vor fi respinși din placă și se vor acumula în exces pe săgeată. Acest lucru va face ca săgeata să se abate de la tijă, în plus, cu același unghi ca în primul experiment.

După ce am coborât ambele plăci în interiorul sferei, nu vom găsi deloc nicio deviere a săgeții (Fig. 14.2, b). Acest lucru demonstrează că sarcinile plăcilor sunt egale ca mărime și opuse ca semn.

Electrificarea corpurilor și manifestările ei. Electrificarea semnificativă are loc în timpul frecării țesăturilor sintetice. Când scoateți o cămașă din material sintetic în aer uscat, puteți auzi un trosnet caracteristic. Scântei mici sar între zonele încărcate ale suprafețelor de frecare.

În tipografii, hârtia se electrifică în timpul tipăririi, iar foile se lipesc între ele. Pentru a preveni acest lucru, sunt folosite dispozitive speciale pentru a descărca încărcarea. Cu toate acestea, electrificarea corpurilor aflate în contact strâns este folosită uneori, de exemplu, în diverse mașini de electrocopiat etc.

Legea conservării sarcinii electrice.

Experiența cu electrificarea plăcilor demonstrează că atunci când sunt electrizate prin frecare, sarcinile existente sunt redistribuite între corpuri care anterior erau neutre. O mică parte din electroni trece de la un corp la altul. În acest caz, particulele noi nu apar, iar cele existente anterior nu dispar.

Când electrifică corpurile, legea conservării sarcinii electrice. Această lege este valabilă pentru un sistem care nu intră din exterior și din care particulele încărcate nu ies, adică pt. sistem izolat.

Într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor este conservată.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

unde q 1, q 2 etc. sunt sarcinile corpurilor individuale încărcate.

Legea conservării sarcinii are un sens profund. Dacă numărul de particule elementare încărcate nu se modifică, atunci legea conservării sarcinii este evidentă. Dar particulele elementare se pot transforma unele în altele, se pot naște și dispar, dând viață unor noi particule.

Cu toate acestea, în toate cazurile, particulele încărcate sunt produse numai în perechi cu sarcini de același modul și opus în semn; particulele încărcate, de asemenea, dispar doar în perechi, transformându-se în neutre. Și în toate aceste cazuri, suma algebrică a sarcinilor rămâne aceeași.

Valabilitatea legii conservării sarcinii este confirmată de observațiile unui număr mare de transformări ale particulelor elementare. Această lege exprimă una dintre cele mai fundamentale proprietăți ale sarcinii electrice. Motivul conservării taxei este încă necunoscut.

Utilizare: tehnologie nucleară, și anume separarea particulelor încărcate prin energie, de exemplu, la una dintre etapele de izolare a izotopilor din amestecul lor natural. Esența invenției: un amestec de particule încărcate este format preliminar prin ionizare, apoi un amestec de particule încărcate este extras de un câmp electric. După aceea, particulele încărcate sunt separate prin forța centrifugă care acționează asupra particulelor încărcate pe măsură ce se deplasează de-a lungul unei traiectorii arcului și printr-un câmp electric, și anume, prin bariere de forță electrică cu o înălțime descrescătoare a fiecărei bariere în secțiune transversală, în conformitate cu o creștere a razele orbitale ale particulelor încărcate cu energie înaltă în timpul tranziției de la orbitele mai mici la cele mai mari, când unele bariere sunt înlocuite cu altele, sau când forma barierelor se schimbă sau când poziția barierelor electrice se modifică în funcție de energia separată. particule încărcate. EFECT: creșterea selectivității în separarea particulelor încărcate prin energie și reducerea consumului de materiale pentru fabricarea dispozitivelor care implementează metoda propusă prin reducerea lungimii zonei de separare a particulelor încărcate. 3 bolnavi.

Invenția se referă la inginerie nucleară și este destinată utilizării în separarea particulelor încărcate prin energie, de exemplu, la una dintre etapele de izolare a izotopilor din amestecul lor natural. Metode cunoscute anterior pentru separarea particulelor încărcate prin energie au fost dezvoltate în procesul de căutare a unor metode fiabile de separare a izotopilor, metode de implementare a fuziunii nucleare și termonucleare controlate, metode de formare a fasciculelor de particule încărcate în dispozitive cu fascicule de ioni și fascicule de electroni și de control fascicule de particule încărcate în tehnologia acceleratorului. O metodă cunoscută de separare a particulelor încărcate prin energie, inclusiv formarea unui amestec de particule încărcate prin ionizare, tragerea unui amestec de particule încărcate printr-un câmp electric, separarea particulelor încărcate prin expunerea la un câmp electric continuu și forță centrifugă și primirea particule încărcate separate. Separarea particulelor încărcate se realizează prin acțiunea componentei electrice a forței Lorentz a câmpului electrostatic continuu al condensatorului și a forței centrifuge care acționează asupra particulelor încărcate separate atunci când particulele se mișcă de-a lungul unei căi de arc [vezi. , de exemplu, A.V. Blinov. Spectrometria de masă acceleratoare a nuclidelor cosmogenice / Soros General Educational Journal, 1999, 8, p. 71-75]. Cel mai apropiat în esență tehnică și rezultatul (prototipul) obținut al invenției revendicate este o metodă de separare a particulelor încărcate prin energie, inclusiv formarea unui amestec de particule încărcate prin ionizare, tragerea unui amestec de particule încărcate printr-un câmp electric, separare. de particule încărcate prin expunerea la un câmp electric continuu și forță centrifugă și primirea particulelor încărcate separate. Separarea particulelor încărcate este produsă de acțiunea componentei electrice a forței Lorentz a unui câmp electric continuu într-un condensator cilindric curbat și a forței centrifuge care acționează asupra particulelor încărcate atunci când particulele se mișcă de-a lungul unui arc [vezi. V.T. Kogan, A.K. Pavlov, M.I. Savcenko, O. E. Dobychin. Spectrometru de masă portabil pentru analiza expresă a substanțelor dizolvate în apă // Instrumente și tehnică experimentală, 1999, 4, p. 145-149]. Forța electrică F, care acționează asupra unei particule încărcate cu o sarcină electrică q, care se deplasează cu viteza v într-un câmp electric continuu de putere E, este determinată de formula

Particulele încărcate separate, având mase egale și sarcini electrice egale, se deplasează într-un câmp electric continuu de-a lungul orbitelor circulare, ale căror raze sunt calculate din balanța forțelor care acționează. Raza R 1 a orbitei particulelor încărcate cu energie înaltă într-un câmp electric continuu al unui condensator îndoit este determinată de formula:

Unde m este masa unei particule încărcate cu energie înaltă sau cu energie scăzută,

E 1 - intensitatea câmpului electric la locul unei particule încărcate cu energie mare în timpul zborului. Raza R2 a orbitei unei particule încărcate cu energie scăzută într-un câmp electric continuu al unui condensator îndoit este determinată de formula:

Unde m este masa unei particule cu energie scăzută sau a unei particule încărcate cu energie mare,

E 2 - intensitatea câmpului electric continuu la locul particulei încărcate cu energie scăzută în timpul zborului. Pentru trecerea unei particule încărcate cu energie mare de-a lungul unui arc de traiectorie circulară cu o rază R1, este necesară o bandă continuă de câmp electric, a cărei curbură corespunde razei R1. Pentru trecerea unei particule încărcate cu energie scăzută de-a lungul unui arc de traiectorie circulară cu raza R2, este necesară o bandă de câmp electric continuu, a cărei curbură corespunde razei R2. Ca rezultat, lățimea benzii curbe a câmpului electric continu ar trebui să fie astfel încât ambele traiectorii să se încadreze în limitele câmpului electric continuu. Particulele separate într-un câmp electric continuu sunt trimise pentru a primi particule încărcate sau la următoarea etapă de separare. Un dezavantaj comun al metodelor descrise de separare a particulelor încărcate prin energie este selectivitatea scăzută a separării datorită posibilităților limitate de scindare a fasciculelor de particule încărcate într-un câmp electric continuu. Toate particulele încărcate separabile se află simultan într-un câmp continuu și, prin urmare, prin modificarea parametrilor acestui câmp, este imposibil să influențezi selectiv particulele încărcate monoenergetice. Utilizarea metodelor descrise pentru separarea particulelor încărcate prin energie într-un câmp electric continuu nu permite efectuarea următoarelor operații pentru controlul traiectoriilor particulelor încărcate:

1. Doar un fascicul de particule încărcate cu energie scăzută ar trebui răsucit pe o orbită circulară, iar pe o astfel de orbită circulară, atunci când raza orbitei particulelor încărcate cu energie scăzută nu este determinată de puterea câmpului electric transversal pe calea particulelor încărcate de lumină în câmpul electric, ci de poziția câmpului electric în spațiu la o valoare suficientă a câmpului electric. În același timp, particulele încărcate cu energie înaltă continuă să zboare în direcția inițială, de exemplu. aproape de-a lungul unei cărări drepte;

2. Pentru a răsuci fascicule de particule încărcate de energie scăzută și de înaltă energie de-a lungul unor astfel de orbite circulare diferite, atunci când diviziunea realizată a unui fascicul în mai multe fascicule de particule încărcate nu este determinată de mărimea intensității câmpului electric transversal pe calea particule încărcate, ci prin poziția secțiunilor câmpului electric cu o magnitudine suficientă a secțiunilor câmpului electric;

3. Să răsuciți fascicule de particule încărcate de energie scăzută și de înaltă energie de-a lungul unei astfel de orbite circulare unice, atunci când raza unei singure orbite a unui amestec de particule încărcate nu este determinată de mărimea câmpului electric transversal de-a lungul traseului particule încărcate, ci prin poziția câmpului electric în spațiu cu un câmp electric suficient;

12. Să efectueze divizarea maximă a fasciculelor de particule încărcate la lungimea minimă a zonei de separare a fasciculului. Un dezavantaj comun al metodelor descrise de separare a particulelor încărcate prin energie este, de asemenea, lungimea mare a zonei de separare a particulelor încărcate din cauza divizării lente a fasciculelor de particule încărcate, ceea ce duce în cele din urmă la necesitatea fabricării de dispozitive de dimensiuni mari pentru separare. particule încărcate de energie. Esența invenției constă în faptul că într-o metodă de separare a particulelor încărcate prin energie, inclusiv formarea unui amestec de particule încărcate prin ionizare, tragerea unui amestec de particule încărcate printr-un câmp electric, separarea particulelor încărcate prin expunere la un câmp electric și o forță centrifugă care acționează asupra particulelor încărcate pe măsură ce acestea se deplasează de-a lungul traiectoriilor unui arc, iar recepția particulelor încărcate separate, separarea particulelor încărcate se realizează prin acțiunea barierelor electrice de forță cu o înălțime descrescătoare a fiecărei bariere în secțiune transversală în conformitate cu creșterea razelor orbitelor particulelor încărcate cu energie înaltă în timpul tranziției de la orbite mai mici la cele mai mari, la înlocuirea unor bariere cu altele sau la schimbarea formei barierelor sau la schimbarea poziției a barierelor electrice în funcție de energia particulelor încărcate separate. Rezultatul tehnic este de a crește selectivitatea în separarea particulelor încărcate prin energie și de a reduce lungimea zonei de separare a particulelor încărcate, ceea ce duce la o reducere a dimensiunii dispozitivelor de separare a particulelor încărcate conform energiilor care implementează metoda inventiva. , și deci la o reducere a consumului de materiale pentru fabricarea acestor dispozitive. O creștere a selectivității în separarea particulelor încărcate este asigurată prin utilizarea barierelor de forță electrică datorită creșterii posibilităților de scindare a fasciculelor de particule încărcate, deoarece capacitatea particulelor încărcate de a depăși bariera electrică depinde de energia lor. Modificarea parametrilor barierelor electrice (reducerea înălțimii barierei în secțiune transversală în funcție de creșterea razelor orbitelor particulelor încărcate cu energie înaltă în timpul tranziției de la orbite mai mici la cele mai mari) face posibilă acțiunea selectivă asupra particule încărcate monoenergetice și permite separarea substanțelor pentru a efectua multe operațiuni de control a traiectoriei până acum imposibile particule încărcate în timpul zborului particulelor într-un câmp electric, și anume:

1. Să se învârtească doar un fascicul de particule încărcate cu energie scăzută pe o orbită circulară și să se rotească pe o astfel de orbită circulară atunci când raza orbitei particulelor încărcate cu energie scăzută este determinată nu de puterea câmpului electric transversal pe calea particulelor încărcate de lumină în câmpul electric, ci de poziția barierei electrice în spațiu, cu o mărime suficientă a barierei electrice. În același timp, particulele încărcate cu energie înaltă continuă să zboare în direcția inițială, de exemplu. aproape de-a lungul unei cărări drepte;

2. Pentru a răsuci fasciculele de particule încărcate de energie scăzută și de înaltă energie de-a lungul unor astfel de orbite circulare diferite, atunci când diviziunea realizată a unui fascicul în mai multe fascicule de particule încărcate nu este determinată de mărimea câmpului electric transversal pe calea încărcată particule, ci prin poziția barierelor electrice divizate cu o valoare suficientă a fiecăreia dintre barierele electrice;

3. Să răsuciți fascicule de particule încărcate de energie scăzută și de înaltă energie de-a lungul unei astfel de orbite circulare unice, atunci când raza unei singure orbite a unui amestec de particule încărcate nu este determinată de mărimea intensității câmpului electric transversal pe cale a particulelor încărcate, ci prin poziția barierei electrice în spațiu cu o valoare suficientă a barierei electrice;

4. Eliberați un fascicul de particule încărcate cu energie mare de pe o orbită circulară, comună cu orbita particulelor încărcate cu energie scăzută, către o traiectorie rectilinie inițial direcționată, lăsând un fascicul de particule încărcate cu energie scăzută pe aceeași orbită circulară;

5. Eliberați un fascicul de particule încărcate cu energie înaltă de pe o orbită circulară, comună cu orbita particulelor încărcate cu energie scăzută, pe o altă orbită circulară, lăsând un fascicul de particule încărcate cu energie joasă pe aceeași orbită circulară;

6. Eliberați ambele fascicule de particule încărcate în orice punct al orbitei de pe o singură orbită circulară pe o singură traiectorie rectilinie;

7. Eliberați ambele fascicule de particule încărcate de pe o singură orbită circulară către diferite traiectorii rectilinie;

8. Pentru a elibera un fascicul de particule încărcate cu energie înaltă în orice punct de pe o orbită circulară, separat de orbita particulelor încărcate cu energie scăzută, pe o traiectorie rectilinie, lăsând un fascicul de particule încărcate cu energie scăzută pe o orbită circulară;

9. Eliberați ambele fascicule de particule încărcate de pe diferite orbite circulare pe diferite traiectorii rectilinie;

10. Eliberați ambele fascicule de particule încărcate de pe diferite orbite circulare pe o singură traiectorie rectilinie;

12. Să efectueze divizarea maximă a fasciculelor de particule încărcate la lungimea minimă a zonei de separare a fasciculului. Reducerea lungimii zonei de separare a particulelor încărcate se realizează datorită faptului că metoda propusă permite divizarea maximă a fasciculelor de particule încărcate la o lungime minimă. Divizarea maximă pe o lungime scurtă a zonei de separare a fost obținută deoarece scăderea înălțimii barierei electrice în secțiunea sa transversală permite particulelor încărcate cu energie mare să zboare prin barieră fără a-și schimba direcția de mișcare și, în același timp, permite bariera pentru a captura selectiv și a duce la o traiectorie circulară numai particule cu energie scăzută. Invenția este ilustrată prin desene, în care figura 1 prezintă un grafic al dependenței 1 a forței centrifuge care acționează asupra particulelor încărcate, pe raza orbitei circulare a particulelor încărcate de mare energie cu mase egale, un grafic al dependenței 2 a forței centrifuge. forța care acționează asupra particulelor încărcate, pe raza orbitei circulare a particulelor încărcate de energie scăzută cu mase egale și graficul 3 a forței electrice Lorentz care acționează asupra particulelor încărcate cu mase egale și sarcini egale într-un câmp electric, pe raza orbita circulară a particulelor încărcate. Figura 2 prezintă o diagramă 4 a forței centrifuge care acționează asupra particulelor încărcate, pe raza orbitei circulare a particulelor încărcate cu energie mare, o diagramă 5 a forței centrifuge care acționează asupra particulelor încărcate, pe raza orbitei circulare de joasă. -particule încărcate cu energie și o diagramă 6 a forței electrice Lorentz, care acționează asupra particulelor încărcate cu mase egale și sarcini egale într-un câmp electric, din raza orbitei circulare a particulelor încărcate cu bariere electrice 7, 8. Figura 3 prezintă o bariera electrică 7 și o barieră electrică 8, traiectoria 9 depășind ambele bariere 7, 8 particule încărcate cu energie mare, traiectoria 10 a particulelor încărcate cu energie scăzută de-a lungul barierei electrice 7, traiectoria 11 a particulelor încărcate cu energie înaltă de-a lungul barierei electrice 7. barieră electrică 8. Metoda de separare a particulelor încărcate prin energie se realizează după cum urmează. Un amestec de particule încărcate este format preliminar prin ionizare, apoi un amestec de particule încărcate este extras de un câmp electric, după care particulele încărcate sunt separate prin expunerea la un câmp electric și forță centrifugă. Pentru a separa particulele încărcate prin energie, se folosește un câmp electric, care are o topografie specială. O caracteristică a topografiei câmpului electric pentru separarea particulelor încărcate este prezența barierelor electrice de forță. Barierele electrice sunt valori crescute ale intensității câmpului electric în zone extinse ale spațiului. Separarea particulelor încărcate prin energie este produsă prin acțiunea barierelor electrice ale câmpului electric, curbate în arce de orbite circulare ale particulelor încărcate și prin forța centrifugă care acționează asupra particulelor încărcate pe măsură ce acestea se deplasează de-a lungul unei traiectorii arcului. Separarea particulelor încărcate se realizează în timpul zborului lor într-un câmp electric prin acțiunea barierelor electrice de forță cu o înălțime descrescătoare a fiecărei bariere în secțiune transversală, în conformitate cu o creștere a razelor orbitelor particulelor încărcate cu energie mare. în timpul trecerii de la orbitele mai mici la cele mai mari. Particulele încărcate separate de energie sunt direcționate tangențial către partea concavă a barierei electrice. Separarea particulelor încărcate prin bariere electrice ale câmpului electric se realizează la o anumită poziție relativă a barierelor electrice și la o anumită formă a barierelor electrice. Separarea particulelor încărcate prin energie prin bariere electrice ale câmpului electric se realizează prin schimbarea barierelor, schimbarea formei barierelor, schimbarea poziției barierelor, cu păstrarea ulterioară a unei anumite poziții reciproce a barierelor electrice și o anumită formă a barierelor electrice. Barierele electrice ale câmpului electric se extind de-a lungul traiectoriilor particulelor încărcate. Înălțimea, lățimea și lungimea barierei electrice sunt alese pentru a fi suficiente pentru a menține particulele încărcate pe o orbită circulară. Particulele încărcate sunt forțate să se deplaseze de-a lungul acelor bariere electrice care le stau în cale. Împărțirea necesară a unui fascicul de particule încărcate în două fascicule este determinată nu numai de puterea câmpului electric transversal pe calea particulelor încărcate, ci și de poziția barierelor electrice divizate în spațiu la o putere suficientă a câmpului electric și mărimea barierelor de forță electrică și cu formele adecvate ale barierelor de forță electrică. Forma barierei de forță electrică ar trebui să fie astfel încât până la începutul particulelor încărcate cu energie înaltă care părăsesc orbita circulară, să fie îndeplinită următoarea condiție:

Unde R E este raza de îndoire a barierei electrice,

M este masa unei particule încărcate cu energie înaltă sau cu energie scăzută,

E r este intensitatea câmpului electric corespunzătoare celei mai mari înălțimi a barierei electrice. Raza orbitei unui amestec de particule încărcate este determinată nu de puterea câmpului electric transversal pe calea particulelor încărcate, ci de poziția barierei electrice în spațiu cu o valoare suficientă a barierei electrice. Pentru a realiza pe deplin capacitățile barierelor electrice de a corecta mișcarea particulelor de-a lungul traiectoriei și de a separa N numărul de particule încărcate, sunt necesare N bariere electrice ale câmpului electric. Pentru a separa numărul N de particule încărcate, pot fi utilizate bariere electrice (N-1), dar în acest caz fasciculul de particule încărcate cu cea mai mare energie trebuie eliberat pe o traiectorie rectilinie. În același timp, se păstrează posibilitatea de a controla fasciculele de particule încărcate. Separarea particulelor încărcate prin energie necesită acțiunea unei bariere electrice, a cărei înălțime scade pe direcția radială de la centrul orbitei circulare a particulei. Abruptul scăderii înălțimii barierei electrice în secțiunea sa transversală este legată de abruptul scăderii forței centrifuge care acționează asupra unei particule de energie mai mare în momentul tranziției particulei pe o orbită mai mare. Dependența înălțimii barierei electrice în secțiunea sa transversală de raza orbitei unei particule încărcate în timpul tranziției unei particule încărcate de la o orbită mai mică la una mai mare coincide cu dependența forței centrifuge de raza de orbita unei particule încărcate în timpul tranziției unei particule încărcate de la o orbită mai mică la una mai mare. Fiecare dintre barierele electrice divizate are o înălțime constantă pe toată lungimea sa, cu o rază de îndoire constantă a barierei electrice. Pentru a separa particulele încărcate prin energie folosind o singură barieră electrică, se folosește și o barieră electrică, care are o înălțime care scade de-a lungul barierei electrice de-a lungul particulelor la o rază de îndoire constantă a barierei electrice. Pentru a separa particulele încărcate prin energie, se folosește și o barieră electrică, care are o înălțime constantă de-a lungul întregii lungimi a barierei, cu o rază de îndoire a barierei electrice care scade în direcția zborului particulelor. Separarea unui amestec binar de particule încărcate se realizează folosind o barieră electrică extinsă în spațiu. Secțiunea transversală a barierei electrice din figura 1 este prezentată ca o dependență de vârf 3 a componentei electrice a forței Lorentz de raza orbitei particulelor încărcate. Forța F care acționează asupra unei particule încărcate cu o sarcină electrică q care se mișcă cu o viteză v într-un câmp electric depinde de intensitatea câmpului electric E. În acest caz, particulele încărcate separate prin energie prin bariere electrice se deplasează în felul următor. Într-un câmp electric continuu, atunci când se utilizează metoda prototipului, particula încărcată se mișcă într-un cerc, a cărui rază este calculată din echilibrul forțelor care acționează. Dar plasând o zonă extinsă locală a câmpului electric îndoit de-a lungul unui arc pe calea particulelor încărcate și mărind valoarea intensității câmpului electric în comparație cu valoarea calculată pentru un câmp electric continuu, atunci când se utilizează metoda propusă, o bariera electrică este creată pentru particulele încărcate. Prin deplasarea regiunii inițiale a barierei electrice curbe extinse în spațiu departe de traiectoria directă a particulelor încărcate, particulele încărcate separate sunt direcționate nu într-un câmp continuu, așa cum s-a făcut în metoda prototipului, ci tangențial la partea concavă a bariera electrica. Prin plasarea părții concave a barierei electrice la un unghi față de calea de zbor directă a particulelor încărcate, atunci când se utilizează metoda propusă, sunt create condiții fizice în care particula încărcată își va schimba direcția mișcării. Când particulele încărcate care sunt separate se apropie de partea concavă a barierei electrice înalte, particulele încărcate își schimbă direcția de mișcare pe măsură ce câmpul electric crește și, ulterior, zboară de-a lungul unei traiectorii arcului de-a lungul părții concave a barierei electrice. Astfel, la o intensitate a câmpului electric care satisface în mod evident inegalitatea

Toate particulele încărcate cu mase egale și sarcini egale se vor deplasa de-a lungul barierei electrice. Raza orbitei particulelor încărcate în metoda de separare propusă este determinată nu de mărimea câmpului electric transversal pe calea particulelor încărcate în câmpul electric, ci de poziția barierei electrice în spațiu cu o valoare suficientă de bariera electrică. Figura 1 arată că cu o anumită formă strict susținută a barierei electrice și cu condiția ca

Particulele încărcate cu energie scăzută rămân pe orbita circulară, în timp ce particulele cu energie înaltă părăsesc orbita circulară și urmează traiectoria rectilinie inițială. Raza orbitei particulelor încărcate cu energie scăzută este determinată nu de puterea câmpului electric transversal pe calea particulelor încărcate de lumină în câmpul electric, ci de poziția barierei electrice în spațiu cu o barieră electrică suficientă. Principiul separării particulelor încărcate folosind două bariere electrice este ilustrat în Fig. 2. Secțiunea transversală a două bariere electrice 7, 8 ale câmpului electric este reprezentată ca vârfuri și scăderi alternative în dependența 6 a componentei electrice a forței Lorentz de raza R a orbitei particulelor încărcate. Fiecare putere maximă E a câmpului electric dă componenta electrică maximă a forței Lorentz F=qE pentru particulele separate încărcate egal. Când particulele încărcate sunt separate prin bariere electrice, fiecare fascicul de particule încărcate monoenergetice are propriul grafic al dependenței forței centrifuge de raza orbitei instantanee. Forța electrică Lorentz care acționează asupra particulelor încărcate identic separate în energie este descrisă printr-un grafic 6 comun pentru toate particulele încărcate, un fascicul de particule încărcate de energie scăzută și de înaltă energie, sau lasă doar un fascicul de particule încărcate de energie scăzută. Pe orbite mari de-a lungul barierei electrice 8, se poate lăsa un fascicul de particule încărcate cu energie înaltă, sau se poate lăsa un fascicul de particule încărcate cu energie scăzută sau se poate părăsi ambele fascicule. Cu o formă strict menținută a barierei electrice 7, există condiții în care particulele încărcate cu energie scăzută rămân pe o orbită circulară, iar particulele cu energie înaltă părăsesc orbita circulară situată de-a lungul barierei electrice 7 și urmează orbita circulară de-a lungul orbita electrică. bariera 8. În Fig. 2 prezintă distribuția a două particule încărcate separate peste două bariere electrice 7, 8. Cu o formă strict consistentă a barierei electrice 8, există condiții în care particulele încărcate cu energie mare coboară dintr-o orbită circulară situată de-a lungul barierei electrice 8 și urmează o traiectorie rectilinie. Condiția pentru ieșirea particulelor de mare energie din traiectoria circulară anterioară este respectarea inegalității (7)

în fig. Figura 3 prezintă două bariere electrice 7, 8 în linii punctate.Traiectoriile 9, 10, 11 ale particulelor încărcate atunci când particulele sunt separate prin energie folosind două bariere electrice 7, 8 sunt prezentate în figura 3 ca o linie continuă. Traiectoriile orbitelor 10, 11 ale particulelor încărcate sunt determinate nu de mărimea câmpului electric pe calea particulelor încărcate, ci de mărimea barierelor electrice 7, 8 și de poziția barierelor electrice 7, 8. în spațiu cu o valoare suficientă a barierelor electrice 7, 8. După separarea particulelor încărcate prin energie, primirea particulelor încărcate. În metoda propusă, în primul rând, câmpul electric continuu este înlocuit de bariere electrice, adică de un sistem de câmpuri electrice locale extinse îndoite de-a lungul traiectoriilor particulelor încărcate; în al doilea rând, a fost crescut nivelul de intensitate a câmpului electric și, în al treilea rând, s-a format o creastă de barieră electrică care satisface condiția de ieșire a particulelor de mare energie din traiectoria circulară anterioară, îmbinată cu traiectoria particulelor încărcate cu energie scăzută. , la o altă traiectorie circulară sau rectilinie. Cea mai importantă caracteristică a metodei de separare a particulelor încărcate prin energie printr-o barieră electrică este capacitatea de a învârti numai particule încărcate cu energie scăzută pe o orbită circulară fără a modifica traiectoria rectilinie a particulelor încărcate cu energie mare. Diviziunea V a fasciculelor de particule încărcate în acest caz este maximă și este egală cu:

1. Rezolvarea problemei fizice a captării selective de către un câmp electric a particulelor încărcate monoenergetice dintr-un fascicul dintr-un amestec de particule încărcate egal. 2. O creștere a selectivității și o scădere a lungimii zonei de separare a energiei pentru particulele încărcate. 3. Crearea bazei de noi date inițiale pentru probleme aplicate teoretice și experimentale privind utilizarea barierelor electrice în multe domenii ale fizicii nucleare, electronicii și tehnologiei ionice. 4. Implementarea unei soluții paralele a problemelor de mediu în ceea ce privește utilizarea rațională a resurselor naturale și problemele de separare a substanțelor în câmpuri electrice și electromagnetice. 5. Implementarea separării substanțelor sigure pentru mediu, bazată pe tehnologia formării unei bariere electrice. Problemele de mediu folosind metoda sunt rezolvate după cum urmează:

1. Dimensiunile dispozitivelor de separare a particulelor încărcate sunt reduse, ceea ce face posibilă plasarea producției pe cele mai mici suprafețe. 2. Se reduce cantitatea de materiale cheltuită pentru fabricarea dispozitivelor de dimensiuni mici pentru separarea substanțelor, adică. utilizarea rațională a resurselor naturale.

REVENDICARE

O metodă de separare a particulelor încărcate prin energie, care include formarea unui amestec de particule încărcate prin ionizare, scoaterea unui amestec de particule încărcate printr-un câmp electric, separarea particulelor încărcate prin aplicarea unui câmp electric și forță centrifugă care acționează asupra particulelor încărcate pe măsură ce acestea se mișcă de-a lungul unei traiectorii arcului și care primește particule încărcate separate, caracterizată prin aceea că separarea particulelor încărcate se realizează prin acțiunea barierelor electrice de forță cu o înălțime descrescătoare a fiecărei bariere în secțiunea transversală în conformitate cu creșterea razelor orbite ale particulelor încărcate cu energie înaltă în timpul tranziției de la orbite mai mici la cele mai mari, la înlocuirea unor bariere cu altele, sau la schimbarea formei barierelor sau la schimbarea poziției barierelor electrice în funcție de energia particulelor încărcate separate .

Fie ca o particulă cu masa m și sarcina e zboară cu viteza v în câmpul electric al unui condensator plat. Lungimea condensatorului este x, intensitatea câmpului este egală cu E. Deplasându-se în sus în câmpul electric, electronul va zbura prin condensator de-a lungul unei traiectorii curbilinii și va zbura din el, deviând de la direcția inițială cu y. Sub acțiunea forței câmpului, F = eE = ma, particula se mișcă cu accelerație de-a lungul verticalei, deci . Timpul mișcării particulelor de-a lungul axei x cu o viteză constantă. Apoi . Și aceasta este ecuația unei parabole. Acea. O particulă încărcată se mișcă într-un câmp electric de-a lungul unei parabole.

3. Mișcarea particulelor încărcate într-un câmp magnetic.

Luați în considerare mișcarea unei particule încărcate într-un câmp magnetic de putere H. Liniile de câmp sunt afișate sub formă de puncte și sunt direcționate perpendicular pe planul figurii (către noi).

O particulă încărcată în mișcare este un curent electric. Prin urmare, câmpul magnetic deviază particula în sus de la direcția inițială de mișcare (direcția de mișcare a electronului este opusă direcției curentului)

Conform formulei Ampère, forța care deviază o particulă în orice parte a traiectoriei este , curent , unde t este timpul în care sarcina e trece prin secțiunea l. Asa de . Având în vedere asta, obținem

Forța F se numește forță Lorentz. Direcțiile F, v și H sunt reciproc perpendiculare. Direcția F poate fi determinată de regula mâinii stângi.

Fiind perpendiculară pe viteza , forța Lorentz modifică doar direcția vitezei particulei, fără a modifica mărimea acestei viteze. Din aceasta rezultă că:

1. Lucrul forței Lorentz este zero, adică. un câmp magnetic constant nu funcționează asupra unei particule încărcate care se mișcă în ea (nu modifică energia cinetică a particulei).

Amintiți-vă că, spre deosebire de un câmp magnetic, un câmp electric modifică energia și viteza unei particule în mișcare.

2. Traiectoria unei particule este un cerc pe care particula este ținută de forța Lorentz, care joacă rolul unei forțe centripete.

Raza r a acestui cerc este determinată prin echivalarea forțelor Lorentz și centripete:

Unde .

Acea. raza cercului de-a lungul căruia se mișcă particula este proporțională cu viteza particulei și invers proporțională cu puterea câmpului magnetic.

Perioada de revoluție a particulei T este egală cu raportul dintre circumferința S și viteza particulei v: . Având în vedere expresia pentru r, obținem . În consecință, perioada de revoluție a unei particule într-un câmp magnetic nu depinde de viteza acesteia.

Dacă se creează un câmp magnetic în spațiul în care o particulă încărcată se mișcă, îndreptată într-un unghi față de viteza sa, atunci mișcarea ulterioară a particulei va fi suma geometrică a două mișcări simultane: rotație de-a lungul unui cerc cu o viteză într-un plan perpendicular pe liniile de forță și mișcarea de-a lungul câmpului cu o viteză . Evident, traiectoria rezultată a particulei va fi o spirală.

4. Contoare electromagnetice de viteză a sângelui.

Principiul de funcționare al unui contor electromagnetic se bazează pe mișcarea sarcinilor electrice într-un câmp magnetic. În sânge există o cantitate semnificativă de sarcini electrice sub formă de ioni.

Să presupunem că un anumit număr de ioni încărcați individual se deplasează în interiorul arterei cu o viteză . Dacă o arteră este plasată între polii unui magnet, ionii se vor mișca în câmpul magnetic.

Pentru direcțiile și B prezentate în Fig.1, forța magnetică care acționează asupra ionilor încărcați pozitiv este îndreptată în sus, iar forța care acționează asupra ionilor încărcați negativ este îndreptată în jos. Sub influența acestor forțe, ionii se deplasează spre pereții opuși ai arterei. Această polarizare a ionilor arteriali creează un câmp E (Fig. 2), care este echivalent cu câmpul uniform al unui condensator plat. Apoi diferența de potențial în artera U cu diametrul d este legată de E prin formula . Acest câmp electric, care acționează asupra ionilor, creează forțe electrice și , a căror direcție este opusă direcției și , așa cum se arată în Fig.2.

În experimentele pentru a studia structura nucleelor ​​și mecanismele reacțiilor nucleare, este aproape întotdeauna necesar nu numai să se măsoare energia particulelor, ci și să le identifice. Pe măsură ce energia și masa particulelor de bombardare cresc, crește numărul de canale de reacție deschise și, în consecință, se formează setul de nuclee. Problema identificării fiabile a produselor de reacție este deosebit de acută în fizica ionilor grei. Să luăm în considerare diferite metode de identificare a particulelor.

Identificare bazată pe măsurători ale pierderilor de energie specifice și ale energiei totale (metoda ΔE-E)

Această metodă este principala în studiul reacțiilor cu ioni de lumină (1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He). Utilizează un telescop detector format dintr-un detector subțire transversal ΔE și un detector de absorbție totală a energiei E. germaniu HpGe) Pierderi de energie în detectorul ΔE

unde k este un coeficient independent de numărul de masă A și de sarcina Z a particulei. AZ 2 se numește parametrul de identificare. Valoarea semnalului ΔE - canal este proporțională cu kAZ 2 /E, E-canal - E - kAZ 2 /E. Pe planul ΔE -E, distribuția este afișată printr-o familie de hiperbole, fiecare dintre acestea corespunde unei particule (nuclid) cu un anumit număr de masă și sarcină (vezi Fig. 1). Grosimea detectorului de penetrare determină limitele inferioare și superioare ale intervalului de energie măsurată pentru un nuclid dat. Dacă energia este scăzută, atunci particula va lăsa aproape toată energia în detectorul de penetrare, iar semnalul de la detectorul de absorbție totală va fi mic și „îneca” în zgomot. Dacă energia este mare, invers. În distribuțiile experimentale ΔE -E, hiperbolele sunt neclare. Pe fig. 2 arată cum arată aproximativ proiecțiile pe axa ΔE a secțiunii transversale de energie din canalul E. Lățimea de distribuție este determinată nu numai de zgomotul detectorilor și electronicii, ci și de alți factori, printre care următorii:

• Fluctuațiile statistice ale pierderilor la detectoarele subțiri.
• Neomogenitatea grosimii detectorului ΔE, ceea ce duce la o răspândire a pierderilor de energie în el și în detectorul E.
• Răspândirea intervalelor și pierderile de energie în straturile moarte ale detectoarelor.
• Fluctuații ale mărimii sarcinii. Sarcina medie a ionului Zeff la trecerea prin detectorul ΔE coincide cu numărul atomic Z numai pentru cei mai ușori ioni. Pe măsură ce Z crește și/sau energia scade, diferența dintre Z și Z eff crește. Pentru ionii grei, efectul acestui efect asupra rezoluției poate fi vizibil mai mare decât efectul fluctuațiilor pierderilor statistice.

Cu cât ionii sunt mai grei, cu atât acești factori limitează mai mult posibilitățile metodei ΔE -E. Modificare relativă a parametrului de identificare pentru doi izotopi vecini ai unui element dat
Δ A/A pentru protoni este 1, pentru 20 Ne - 0,05, pentru izotopii de argon - 0,025 și pentru izotopii xenonului -<00.1. Кроме того, для идентификации тяжелых ионов нужны очень тонкие прострельные детекторы. Хорошие же твердотельные ΔE-детекторы с толщиной менее 10 мкм редкость, т.к. трудно добиться высокой однородности их толщины. Для идентификации тяжелых ионов в качестве ΔE-детектора используются газовые детекторы (ионизационные камеры и пропорциональные счетчики). В них необходимую толщину можно оперативно установить, изменив давление газа. Их площадь может быть сделана заметно большей, чем у полупроводниковых детекторов. Кроме того, они радиационно устойчивы. Недостатком газовых детекторов являются заметно худшие по сравнению с твердотельными детекторами временные характеристики.
Pe măsură ce numărul atomic crește, poate apărea o situație când izotopii bogați în neutroni ai elementului Z și izotopii cu deficit de neutroni ai elementului Z+1 vor avea parametri de identificare apropiați.
Toți acești factori limitează aplicabilitatea metodei ΔE -E pentru ionii cu numere de masă A mai mari de ~20. Rezoluția Z este de două ori mai bună decât rezoluția A.

Pe fig. 3. prezintă un exemplu de diagramă bloc a electronicii pentru identificarea particulelor prin metoda ΔE-E.

Canalele ΔE și E sunt identice. De la una dintre ieșirile amplificatorului spectrometric, este preluat un semnal bipolar, care este alimentat la un analizor temporar cu un singur canal. Acesta servește la evidențierea intervalului de amplitudine (energie) dorit și la obținerea unui marcaj temporal. În acest caz, se obține folosind metoda de legare la zero a semnalului bipolar. Semnalele de la analizoarele temporizate cu un singur canal sunt trimise către circuitul de coincidență care controlează porțile de linie. Astfel, poarta de linie permite doar semnale care sunt în intervalul de energie de interes și se potrivesc în timpul de rezoluție. Semnalele de la porțile liniare merg la ADC și apoi la sistemul de analiză 2D. Acum putem izola regiunile spectrului bidimensional corespunzătoare anumitor particule și proiectăm această regiune pe axa E, obținând astfel spectrele de amplitudine (energie) pentru particule individuale. În spectrele astfel obținute, dependența dintre energia particulei E și numărul canalului n este neliniară, deoarece nu toată energia E este înregistrată în canalul E, ci doar energia rămasă după trecerea prin Δ. E-detectorul și n este proporțional cu această energie,

n=k.

(3)

Corectarea pierderilor în detectorul ΔE este ușor de făcut folosind tabele de pierderi specifice.
Pentru a crește gama de energii și particule detectate, de exemplu, dacă este de dorit să înregistrați simultan spectrele 1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He într-o gamă largă de energie, puteți utiliza un telescop de trei detectoare subțiri ΔE 1 , mai groase ΔE 2 și E. Apoi, pentru energii joase și/sau particule mai grele, detectorul ΔE 1 va servi ca detector de penetrare, iar absorbția totală va avea loc în detectoarele ΔE + E. 2 și absorbția totală. va apărea în detectorul E.

Identificare pe baza măsurătorilor de energie și timp de zbor (metoda E-t)

Metoda timpului de zbor este principala pentru măsurarea distribuțiilor de energie ale neutronilor. Detectorul este folosit în acest caz pentru a obține informații doar despre momentul în care un neutron îl lovește. În cazul particulelor încărcate, nu există probleme în obținerea informațiilor energetice și de la detector. Pentru particulele nerelativiste, timpul de zbor este legat de energia cinetică prin relație

(4)

unde t f este timpul de zbor în nanosecunde, d este baza de zbor în metri, A este numărul de masă al particulei în unități de masă atomică, E este energia cinetică a particulei în MeV. Astfel, prin măsurarea simultană a energiei și a timpului de zbor, este posibilă identificarea particulelor după mase prin măsurarea distribuțiilor bidimensionale ale energiei - timpul de zbor. Ionii care au mase apropiate, dar sarcini diferite nu vor diferi în mod natural.
Rezoluția de masă a metodei E-t atunci când se utilizează un detector cu semiconductor este determinată aproape complet de rezoluția în timp

Cu o distribuție Gaussiană și ΔА = 0,59 a.m.u. 95% din particule vor fi înregistrate în intervalul de masă corect. În tabel. Figura 1 prezintă rezoluțiile de masă calculate prin formula (6) pentru diferite energii și numere de masă pentru o configurație cu o traiectorie de zbor de 1 m și o rezoluție în timp de 1 ns.

Tabelul 1. Rezoluția masei pentru particule de diferite energii și mase.

numar de masa, a.u.m.	Energie, MeV
	0.5	1	5	10	50	100
1	0.02	0.03	0.06	0.09	0.20	0.28
2	0.03	0.04	0.09	0.12	0.28	0.39
5	0.04	0.06	0.14	0.20	0.44	0.62
10	0.06	0.09	0.20	0.28	0.62	0.87
20	0.09	0.12	0.28	0.39	0.87	1.24
50	0.14	0.20	0.44	0.62	1.38	1.96

Pe fig. 6 prezintă o diagramă bloc a electronicii care poate fi utilizată pentru identificarea E-t.

Impulsurile detectorului sunt introduse într-un preamplificator sensibil la sarcină. De la preamplificatorul sensibil la sarcină, semnalele sunt transmise atât la amplificatorul rapid, cât și la cel spectrometric. Semnalele de la amplificatorul rapid sunt transmise la discriminatorul rapid, care este folosit pentru sincronizare. Semnalele de sincronizare standard de la discriminatorul rapid sunt transmise la intrarea de pornire a VAC a. Intrarea de oprire primește semnale de la un alt discriminator rapid, care generează semnale de sincronizare folosind modulații periodice ale fasciculului (de exemplu, un ciclotron RF). Impulsurile VAC, a căror amplitudine este proporțională cu timpul de zbor, sunt alimentate la ADC. Celălalt ADC primește semnale de la amplificatorul spectrometric, a căror amplitudine este proporțională cu energia. Semnalele ADC intră în sistemul de analiză bidimensional, ca în metoda Δ E-E.
Rezoluția în timp și, în consecință, în masă poate fi îmbunătățită în comparație cu varianta considerată dacă, în loc de HF, se folosește pentru cronometrare o peliculă subțire plasată pe calea particulelor. Când particulele trec prin acest film, electronii secundari vor fi scoși din el și înregistrați de o placă cu microcanal. Semnalele de pe placa de microcanal sunt alimentate la un preamplificator sensibil la sarcină. De la preamplificator la amplificator rapid + discriminator rapid. În acest caz, semnalele de sincronizare ale plăcii cu microcanal sunt trimise la intrarea de pornire a VAC și de la detectorul de particule la intrarea de oprire.
Combinația dintre metodele E-t și Δ E-E vă permite să avansați în separarea nuclizilor în Z până la ~28 și în A până la ~60.

Identificare prin analiză magnetică

Din ecuația analizei magnetice

unde A este numărul de masă al ionului, q este sarcina acestuia, E este energia cinetică a ionului, B este puterea câmpului magnetic, R este raza de curbură a ionului într-un câmp magnetic, rezultă că fixând B și R într-un spectrometru magnetic și măsurând simultan energia cinetică E, este posibil să se determine raportul dintre numărul de masă și pătratul sarcinii ionice, i.e. face identificarea.
Dezavantajul unui astfel de sistem este eficiența sa scăzută. Particulele dintr-un interval de energie foarte îngust intră în detector. Pentru a elimina întregul spectru, este necesar să schimbați în mod repetat intensitatea câmpului magnetic. Acest neajuns poate fi depășit parțial prin plasarea detectorilor sensibili la poziție în planul focal. Un alt dezavantaj este că nu există o separare a izotopilor cu valori similare ale lui A/q 2 , cum ar fi izobarele elementelor vecine care se află în aceleași stări de sarcină.
Acest neajuns poate fi depășit prin combinarea analizei magnetice cu metoda ΔE-E. Degenerarea în izobare cu aceleași stări ionice este eliminată aici, deoarece valoarea ionizării specifice nu depinde de sarcina ionică, ci de sarcina medie a ionului Z eff.

Combinarea metodelor de identificare

Pentru identificarea fiabilă a nuclizilor dintr-o gamă largă de numere de masă A și numere atomice Z, au fost create instalații care utilizează toate cele trei metode de identificare. Scriem ecuațiile de identificare în forma următoare

Utilizarea curbei Bragg pentru identificarea particulelor

Curba de dependență a pierderilor de energie de ionizare specifică pe cale (curba Bragg) este o „carte de vizită” pentru o particulă încărcată. La începutul anilor '80, s-a propus să fie folosit pentru identificarea particulelor. Pentru a implementa această idee, au fost create camere de ionizare adecvate.
Măsurătorile curbei Bragg într-un mediu gazos fac posibilă obținerea următoarelor caracteristici ale unei particule: energia ei E, domeniul R, pierderea specifică dE/dx și amplitudinea vârfului Bragg A BP (pierderea specifică la maximum de curba Bragg). Există două moduri de a identifica particulele pe baza măsurătorilor caracteristicilor curbei Bragg. În prima traiectoria particulelor este perpendiculară pe electrozii camerei de ionizare, în a doua este paralelă.

Identificarea particulelor folosind o cameră de ionizare cu electrozi perpendiculari pe traiectoria particulei
Spectroscopie cu curbă Bragg (BCS)

Orez. 9. Scheme ale camerei de ionizare și metoda BCS.

Pe fig. 9 prezintă o diagramă a unei camere de ionizare cu electrozi perpendiculari pe traiectoria particulei. Distanța dintre catod și grila Frisch este mai mare decât intervalul maxim de particule identificate, distanța dintre grila Frisch și anod este mai mică decât intervalul minim de particule identificate. Particulele care trebuie detectate intră într-o cameră plină cu gaz printr-o fereastră de intrare subțire. ( Fereastra de intrare este o peliculă subțire de plastic situată cât mai aproape de catod, catodul în acest caz este o grilă. Catodul sau o parte a acestuia poate fi realizat dintr-o peliculă metalizată, apoi va servi simultan ca fereastră de intrare.) O particulă încărcată provoacă ionizarea gazului. Distribuția densității electronice de-a lungul pistei de particule corespunde curbei Bragg. Electronii generați ca urmare a ionizării se deplasează cu o viteză constantă într-un câmp electric uniform către grila Frisch. ( Omogenitatea câmpului electric este asigurată de electrozii de formare, a căror tensiune este alimentată de la divizorul de tensiune.) Grila Frisch protejează anodul de sarcinile care se află între acesta și catod. ( Pentru a preveni colectarea electronilor pe grila Frisch, campul electric dintre grila si anod trebuie sa fie mai mare decat intre catod si retea.) Astfel, sarcina colectată la anod este determinată doar de electronii care se deplasează între grila Frisch și anod. Aceasta înseamnă că forma semnalului de curent la anod este o imagine în oglindă a curbei Bragg. Atât procesarea semnalului analogic, cât și digitală sunt utilizate pentru a extrage informațiile utile conținute în semnalul curent din anod.

Cu procesarea analogică, semnalul de la anod este alimentat la un preamplificator sensibil la sarcină. Semnalul este transmis de la preamplificator la două amplificatoare. Una dintre ele are o constantă de timp mare (~6-8 µs), astfel încât întregul semnal este integrat, iar amplitudinea semnalului de ieșire este proporțională cu energia particulei. Un alt amplificator are o constantă de timp vizibil mai mică, aproximativ egală cu timpul de zbor al electronilor din vârful Bragg dintre grila Frisch și anod (~0,1–0,5 µs), amplitudinea sa este proporțională cu amplitudinea semnalului de curent A BP și, în consecință, la sarcina ionului. Ionii cu energii diferite, dar cu aceleași sarcini, experimentează aproximativ aceleași pierderi specifice în regiunea vârfului Bragg. Pe fig. 10 prezintă distribuția E-A BP. Aria A BP = const este determinată de distanța dintre grila Frisch și anod și, în consecință, constanta de timp a circuitelor de formare a amplificatorului asociate acestuia. Când raza de acțiune a ionului este mai mică decât această distanță, întregul semnal este integrat în ambele amplificatoare și identificarea devine imposibilă.

În procesarea semnalului digital se folosesc ADC-uri paralele rapide, care permit fixarea formei semnalului și identificarea nu numai prin Z, ci și după numărul de masă A, cel puțin pentru elementele ușoare. Acest lucru se poate face, de exemplu, folosind semnale de referință obținute pentru diferiți izotopi și comparând forma semnalului măsurat cu cele de referință (vezi Fig. 11).

Conform mecanicii cuantice, un fascicul de particule, ca un fascicul de lumină, este caracterizat de o anumită lungime de undă. Cu cât energia particulelor este mai mare, cu atât această lungime de undă este mai scurtă. Și cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât obiectele care pot fi investigate sunt mai mici, dar cu atât dimensiunea acceleratoarelor este mai mare și sunt mai complexe. Dezvoltarea cercetării în microcosmos a necesitat o energie din ce în ce mai mare a fasciculului de sondare. Primele surse de radiații de înaltă energie au fost substanțele radioactive naturale. Dar au oferit cercetătorilor doar un set limitat de particule, intensități și energii. În anii 1930, oamenii de știință au început să lucreze la instalații care ar putea produce grinzi mai diverse. În prezent, există acceleratoare care fac posibilă obținerea oricărui tip de radiație de mare energie. Dacă, de exemplu, este necesară radiația cu raze X sau gama, atunci electronii sunt accelerați, care apoi emit fotoni în procesele de radiație bremsstrahlung sau sincrotron. Neutronii sunt generați prin bombardarea unei ținte adecvate cu un fascicul intens de protoni sau deutroni.

Energia particulelor nucleare se măsoară în electron volți (eV). Un electronvolt este energia pe care o dobândește o particulă încărcată, purtând o sarcină elementară (sarcină electronică), atunci când se deplasează într-un câmp electric între două puncte cu o diferență de potențial de 1 V. (1 eV " 1,60219 × 10 -19 J.) Acceleratoarele permit primirea de energii în intervalul de la mii la câteva trilioane (10 12) de electroni volți - la cel mai mare accelerator din lume.

Pentru a detecta procese rare într-un experiment, este necesar să creșteți raportul semnal-zgomot. Acest lucru necesită surse de radiații din ce în ce mai intense. Avantajul tehnologiei moderne de accelerare este determinat de doi parametri principali - energia și intensitatea fasciculului de particule.

Acceleratoarele moderne folosesc numeroase și diverse tipuri de tehnologie: generatoare de înaltă frecvență, electronice de mare viteză și sisteme de control automat, dispozitive complexe de diagnosticare și control, echipamente de vid ultra-înalt, magneți puternici de precizie (atât „obișnuiți”, cât și criogenici) și aliniere complexă. si sisteme de prindere.

Posibilitatea de a utiliza câmpuri electrice de înaltă frecvență în acceleratoarele lungi cu mai multe etape se bazează pe faptul că un astfel de câmp variază nu numai în timp, ci și în spațiu. În orice moment, intensitatea câmpului se modifică sinusoidal în funcție de poziția în spațiu, adică distribuţia câmpului în spaţiu are forma unei undă. Și în orice punct al spațiului, se schimbă sinusoid în timp. Prin urmare, maximele câmpului se deplasează în spațiu cu așa-numita viteză de fază. În consecință, particulele se pot mișca în așa fel încât câmpul local să le accelereze tot timpul.

În sistemele acceleratoare liniare Câmpurile de înaltă frecvență au fost folosite pentru prima dată în 1929, când inginerul norvegian R. Wideröe a accelerat ionii într-un sistem scurt de rezonatoare de înaltă frecvență cuplate. Dacă rezonatoarele sunt proiectate în așa fel încât viteza de fază a câmpului să fie întotdeauna egală cu viteza particulelor, atunci fasciculul este accelerat continuu în timpul mișcării sale în accelerator. Mișcarea particulelor în acest caz este similară cu alunecarea unui surfer pe creasta unui val. În acest caz, vitezele protonilor sau ionilor în procesul de accelerare pot crește foarte mult. În consecință, viteza de fază a undei ar trebui, de asemenea, să crească v faze. Dacă electronii pot fi injectați în accelerator cu o viteză apropiată de viteza luminii cu, atunci în acest mod viteza de fază este aproape constantă: v faze = c.

O altă abordare care face posibilă eliminarea influenței fazei de încetinire a câmpului electric de înaltă frecvență se bazează pe utilizarea unei structuri metalice care protejează fasciculul de câmp în timpul acestui semiciclu. Pentru prima dată o astfel de metodă a fost aplicată de E. Lawrence în ciclotron; este folosit și în acceleratorul liniar al lui Alvarez. Acesta din urmă este un tub de vid lung care conține o serie de tuburi de deriva metalice. Fiecare tub este conectat în serie la un generator de înaltă frecvență printr-o linie lungă, de-a lungul căreia curge o undă de tensiune acceleratoare cu o viteză apropiată de viteza luminii.Astfel, toate tuburile la rândul lor sunt sub tensiune înaltă. O particulă încărcată emisă de injector la momentul potrivit accelerează în direcția primului tub, dobândind o anumită energie. În interiorul acestui tub, particula se deplasează - se mișcă cu o viteză constantă. Dacă lungimea tubului este aleasă corect, atunci acesta va ieși din el în momentul în care tensiunea de accelerare a avansat cu o lungime de undă. În acest caz, tensiunea de pe al doilea tub va fi, de asemenea, în accelerație și se va ridica la sute de mii de volți. Acest proces se repetă de multe ori, iar în fiecare etapă particula primește energie suplimentară. Pentru ca mișcarea particulelor să fie sincronă cu schimbarea câmpului, lungimea tuburilor trebuie să crească în mod corespunzător cu o creștere a vitezei lor. În cele din urmă, viteza particulei va atinge o viteză foarte apropiată de viteza luminii, iar lungimea limită a tuburilor va fi constantă.

Modificările spațiale din câmp impun restricții asupra structurii temporale a fasciculului. Câmpul de accelerare se modifică într-un grup de particule de orice lungime finită. În consecință, lungimea mănunchiului de particule ar trebui să fie mică în comparație cu lungimea de undă a câmpului de înaltă frecvență care se accelerează. În caz contrar, particulele vor accelera diferit în cadrul grupului. Răspândirea prea mare a energiei în fascicul nu numai că crește dificultatea de focalizare a fasciculului din cauza prezenței aberației cromatice în lentilele magnetice, dar limitează și posibilitatea utilizării fasciculului în probleme specifice. Răspândirea energiei poate duce, de asemenea, la pătarea mănunchiului de particule de fascicul în direcția axială.

Luați în considerare o grămadă de ioni nerelativisti care se mișcă cu o viteză inițială v 0 . Forțele electrice longitudinale datorate încărcăturii de spațiu accelerează partea de cap a fasciculului și încetinește partea de coadă. Prin sincronizarea adecvată a mișcării ciorchinului cu câmpul de înaltă frecvență, este posibil să se obțină o accelerație mai mare a părții de coadă a ciorchinului decât a părții capului. Prin potrivirea fazelor tensiunii de accelerare și a fasciculului, este posibil să se realizeze fazarea fasciculului, adică să se compenseze efectul de defazare al încărcăturii spațiale și al răspândirii energiei. Ca rezultat, într-un anumit interval de valori ale fazei centrale a mănunchiului, se observă centrarea și oscilațiile particulelor în raport cu o anumită fază de mișcare stabilă. Acest fenomen, numit autofazare, este extrem de important pentru acceleratorii liniari de ioni și acceleratorii de electroni și ioni ciclici moderni. Din păcate, autofazarea se realizează cu prețul reducerii ciclului de funcționare al acceleratorului la valori mult mai mici decât unitatea.

În procesul de accelerare, aproape toate fasciculele prezintă o tendință de creștere a razei din două motive: datorită respingerii electrostatice reciproce a particulelor și datorită răspândirii vitezelor transversale (termice). Prima tendință slăbește odată cu creșterea vitezei fasciculului, deoarece câmpul magnetic creat de curentul fasciculului comprimă fasciculul și, în cazul fasciculelor relativiste, aproape compensează efectul de defocalizare al sarcinii spațiale în direcția radială. Prin urmare, acest efect este foarte important în cazul acceleratoarelor de ioni, dar aproape nesemnificativ pentru acceleratoarele de electroni, în care fasciculul este injectat la viteze relativiste. Al doilea efect, legat de emisia fasciculului, este important pentru toate acceleratoarele.

Este posibil să păstrați particulele în apropierea axei folosind magneți cu patru poli. Adevărat, un singur magnet cvadrupol, concentrând particulele într-unul dintre planuri, le defocalizează în celălalt. Însă aici ajută principiul „focalizării puternice” descoperit de E. Courant, S. Livingston și H. Snyder: un sistem de doi magneți cvadrupoli separați printr-o deschidere, cu planuri alternante de focalizare și defocalizare, asigură până la urmă focalizarea în toate planurile.

Tuburile de deriva sunt încă folosite în proton liniar acceleratoare, unde energia fasciculului crește de la câțiva megaelectronvolți la aproximativ 100 MeV. Primele acceleratoare liniare de electroni, precum acceleratorul de 1 GeV construit la Universitatea Stanford (SUA), au folosit și tuburi de deriva de lungime constantă, deoarece fasciculul era injectat la o energie de ordinul a 1 MeV. Linacurile de electroni mai moderne, dintre care cel mai mare este acceleratorul de 3,2 km lungime de 50 GeV construit la Stanford Linear Accelerator Center, folosesc principiul „surfingului electronic” pe o undă electromagnetică, care permite accelerarea fasciculului cu un increment de energie de aproape 20. MeV pe metru al sistemului de accelerare. În acest accelerator, puterea de înaltă frecvență la o frecvență de aproximativ 3 GHz este generată de dispozitive mari de electrovacuum - klystroni.

Linac de protoni cu cea mai mare energie a fost construit la Laboratorul Național Losalamos din NY. New Mexico (SUA) ca „fabrică de mezon” pentru producerea de fascicule intense de pioni și muoni. Cavitățile sale de cupru creează un câmp accelerator de ordinul a 2 MeV/m, datorită căruia produce până la 1 mA de protoni cu o energie de 800 MeV într-un fascicul pulsat.

Pentru a accelera nu numai protonii, ci și ionii grei, au fost dezvoltate sisteme supraconductoare de înaltă frecvență. Cel mai mare linac de protoni supraconductor servește ca injector al acceleratorului de fascicul de ciocnire HERA la laboratorul German Electron Synchrotron (DESY) din Hamburg, Germania.

ACCELERATOARE CICLICE

Sincrotronii electronici se bazează pe aceleași principii ca și sincrotronii cu protoni. Cu toate acestea, datorită unei caracteristici importante, acestea sunt mai simple din punct de vedere tehnic. Micimea masei electronilor permite ca fasciculul sa fie injectat la viteze apropiate de viteza luminii. Prin urmare, o creștere suplimentară a energiei nu este asociată cu o creștere vizibilă a vitezei, iar sincrotronii electronici pot funcționa la o frecvență fixă ​​a tensiunii de accelerare dacă fasciculul este injectat cu o energie de aproximativ 10 MeV.

Cu toate acestea, acest avantaj este anulat de o altă consecință a dimensiunii mici a masei electronilor. Deoarece electronul se mișcă pe o orbită circulară, se mișcă cu accelerație (centripetă) și, prin urmare, emite fotoni - radiație, care se numește sincrotron. Putere R Radiația sincrotron este proporțională cu puterea a patra a energiei fasciculului E si curent eu, și este, de asemenea, invers proporțional cu raza inelului R, astfel încât să fie proporțional cu ( E/m) 4 IR-unu . Această energie, pierdută în timpul fiecărei revoluții a fasciculului de electroni de-a lungul orbitei, trebuie compensată de tensiunea de înaltă frecvență aplicată golurilor de accelerare. În „fabricii de arome” proiectate pentru intensitate mare, astfel de pierderi de putere pot ajunge la zeci de megawați.

Acceleratoarele ciclice, cum ar fi sincrotronii electronici, pot fi, de asemenea, utilizați ca acumulatori de curenți mari circulatori cu o energie constantă ridicată. Astfel de inele de stocare au două aplicații principale: 1) în studiul fasciculului de ciocnire a nucleelor ​​și particulelor elementare, așa cum s-a menționat mai sus, și 2) ca surse de radiații sincrotron utilizate în fizica atomică, știința materialelor, chimie, biologie și medicină.

Energia fotonică medie a radiației sincrotron este proporțională cu ( E/m) 3 R-unu . Astfel, electronii cu o energie de ordinul 1 GeV care circulă în inelul de stocare emit radiații sincrotron intense în domeniul ultravioletei și razelor X. Majoritatea fotonilor sunt emiși într-un unghi vertical îngust al ordinului m/E. Deoarece raza fasciculelor de electroni din inelele de stocare moderne cu o energie de ordinul a 1 GeV este măsurată în zeci de micrometri, fasciculele de raze X emise de acestea se caracterizează prin luminozitate ridicată și, prin urmare, pot servi ca un instrument puternic pentru studiu. structura materiei. Radiația este emisă tangențial la traiectoria curbilinie a electronilor. Prin urmare, fiecare magnet deflector al unui inel de stocare de electroni, atunci când o grămadă de electroni trece prin el, creează un „raz de lumină reflector” de radiație. Este scos prin canale lungi de vid tangente la camera principală de vid a inelului de stocare. Fantele și colimatoarele situate de-a lungul acestor canale formează fascicule înguste, de care intervalul necesar de energie de raze X este separat suplimentar folosind monocromatoare.

Primele surse de radiație sincrotron au fost instalații construite inițial pentru a rezolva probleme din fizica energiei înalte. Un exemplu este acumulatorul pozitron-electron Stanford de 3 GeV de la Laboratorul de radiații sincrotron din Stanford. La un moment dat, la această unitate au fost descoperiți mezoni „vrăjiți”.

Primele surse de radiație sincrotron nu au avut flexibilitatea de a răspunde nevoilor variate ale sutelor de utilizatori. Creșterea rapidă a cererii de radiații sincrotron cu flux mare și intensitate mare a fasciculului a dat naștere surselor de a doua generație concepute pentru a satisface nevoile tuturor utilizatorilor posibili. În special, au fost alese sisteme de magneți care reduc emisia fasciculului de electroni. Emitența mică înseamnă dimensiuni mai mici ale fasciculului și, prin urmare, luminozitate mai mare a sursei de radiație. Reprezentanți tipici ai acestei generații au fost inelele de stocare de la Brookhaven, care au servit drept surse de raze X și radiații în regiunea ultravioletă de vid a spectrului.

Strălucirea radiației poate fi, de asemenea, mărită făcând fasciculul să se miște pe o cale sinusoidală într-o structură magnetică periodică și apoi combinând radiația care apare la fiecare îndoire. Undulatori - structuri magnetice care asigură o astfel de mișcare, sunt o serie de dipoli magnetici care deviază fasciculul la un unghi mic, situate în linie dreaptă pe axa fasciculului. Luminozitatea radiației de la un astfel de ondulator poate fi de sute de ori mai mare decât luminozitatea radiației care apare în magneții deflectați.

La mijlocul anilor 1980, au început să fie create surse de radiație sincrotron de a treia generație cu un număr mare de astfel de ondulatoare. Printre primele surse din a treia generație se numără sursa de lumină îmbunătățită de 1,5 GeV de la Berkeley, care generează raze X moi, precum și sursa de fotoni îmbunătățită de 6 GeV de la Laboratorul Național Argonne (SUA) și sincrotronul de 6 GeV de la Centrul european de radiații sincrotron din Grenoble (Franța), care sunt utilizate ca surse dure de raze X. După construirea cu succes a acestor instalații, au fost create și în alte locuri o serie de surse de radiație sincrotron.

Utilizarea radiației sincrotron în cercetarea științifică a devenit larg răspândită și continuă să se extindă. Luminozitatea excepțională a unor astfel de fascicule de raze X face posibilă crearea unei noi generații de microscoape cu raze X pentru studiul sistemelor biologice în mediul acvatic normal. Acesta deschide posibilitatea analizei rapide a structurii virusurilor și proteinelor pentru dezvoltarea de noi produse farmaceutice, cu un accent limitat pe factorii care cauzează boli și efecte secundare minime. Fasciculele de raze X strălucitoare pot servi ca microsonde puternice pentru a detecta chiar și cele mai mici cantități de impurități și contaminanți. Acestea fac posibilă analiza foarte rapidă a probelor de mediu în studiul căilor de poluare a mediului. Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru a evalua curățenia plachetelor mari de siliciu înainte de fabricarea costisitoare a circuitelor integrate foarte complexe și deschid noi perspective pentru tehnica litografiei, permițând în principiu fabricarea de circuite integrate cu elemente mai mici de 100 nm.

LABORATOR IM. E. FERMI lângă Batavia (SUA). Circumferința „Inelului principal” al accelerației este de 6,3 km. Inelul este situat la o adâncime de 9 m sub cercul din centrul imaginii.