Sisingilin ang mga particle ng. Pagkilala sa mga sisingilin na particle

« Physics - Grade 10"

Isaalang-alang muna natin ang pinakasimpleng kaso, kapag ang mga katawan na may kuryente ay nakapahinga.

Ang seksyon ng electrodynamics na nakatuon sa pag-aaral ng mga kondisyon ng ekwilibriyo para sa mga de-koryenteng sisingilin na katawan ay tinatawag electrostatics.

Ano ang electric charge?
Ano ang mga singil?

Sa mga salita kuryente, electric charge, electric current maraming beses kayong nagkita at nasanay sa kanila. Ngunit subukang sagutin ang tanong na: "Ano ang electric charge?" Ang konsepto mismo singilin- ito ang pangunahing, pangunahing konsepto, na sa kasalukuyang antas ng pag-unlad ng ating kaalaman ay hindi maaaring bawasan sa anumang mas simple, elementarya na mga konsepto.

Subukan muna nating alamin kung ano ang ibig sabihin ng pahayag na: "Ang isang ibinigay na katawan o butil ay may singil sa kuryente."

Ang lahat ng mga katawan ay binuo mula sa pinakamaliit na mga particle, na hindi mahahati sa mas simple at samakatuwid ay tinatawag elementarya.

Ang mga elemento ng elementarya ay may masa at dahil dito sila ay naaakit sa isa't isa ayon sa batas ng unibersal na grabitasyon. Habang tumataas ang distansya sa pagitan ng mga particle, bumababa ang puwersa ng gravitational sa kabaligtaran na proporsyon sa parisukat ng distansyang ito. Karamihan sa mga elementarya na particle, bagama't hindi lahat, ay may kakayahang makipag-ugnayan sa isa't isa sa isang puwersa na bumababa rin nang pabaliktad sa parisukat ng distansya, ngunit ang puwersang ito ay maraming beses na mas malaki kaysa sa puwersa ng grabidad.

Kaya sa hydrogen atom, na ipinapakita sa eskematiko sa Figure 14.1, ang electron ay naaakit sa nucleus (proton) na may puwersa na 10 39 beses na mas malaki kaysa sa puwersa ng gravitational attraction.

Kung ang mga particle ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa sa mga puwersa na bumababa sa pagtaas ng distansya sa parehong paraan tulad ng mga puwersa ng unibersal na grabitasyon, ngunit lumampas sa mga puwersa ng grabidad nang maraming beses, kung gayon ang mga particle na ito ay sinasabing may electric charge. Ang mga particle mismo ay tinatawag na sinisingil.

May mga particle na walang electric charge, ngunit walang electric charge na walang particle.

Ang pakikipag-ugnayan ng mga sisingilin na particle ay tinatawag electromagnetic.

Tinutukoy ng electric charge ang intensity ng electromagnetic interactions, tulad ng mass na tinutukoy ang intensity ng gravitational interaction.

Ang electric charge ng isang elementary particle ay hindi isang espesyal na mekanismo sa isang particle na maaaring alisin mula dito, mabulok sa mga bahagi nito at muling buuin. Ang pagkakaroon ng isang electric charge sa isang electron at iba pang mga particle ay nangangahulugan lamang ng pagkakaroon ng ilang mga pakikipag-ugnayan ng puwersa sa pagitan nila.

Kami, sa esensya, walang alam tungkol sa singil kung hindi namin alam ang mga batas ng mga pakikipag-ugnayang ito. Ang kaalaman sa mga batas ng pakikipag-ugnayan ay dapat isama sa ating pag-unawa sa singil. Ang mga batas na ito ay hindi simple, at imposibleng sabihin ang mga ito sa ilang salita. Samakatuwid, hindi posible na magbigay ng sapat na kasiya-siyang maikling kahulugan ng konsepto singil ng kuryente.

Dalawang palatandaan ng mga singil sa kuryente.

Ang lahat ng mga katawan ay may masa at samakatuwid ay umaakit sa isa't isa. Ang mga naka-charge na katawan ay maaaring makaakit at nagtataboy sa isa't isa. Ang pinakamahalagang katotohanang ito, pamilyar sa iyo, ay nangangahulugan na sa kalikasan ay may mga particle na may mga singil sa kuryente ng magkasalungat na mga palatandaan; Sa kaso ng mga singil ng parehong tanda, ang mga particle ay nagtataboy, at sa kaso ng iba't ibang mga palatandaan, nakakaakit sila.

Charge ng elementary particles - mga proton, na bahagi ng lahat ng atomic nuclei, ay tinatawag na positibo, at ang singil mga electron- negatibo. Walang panloob na pagkakaiba sa pagitan ng mga positibo at negatibong singil. Kung ang mga palatandaan ng mga singil ng butil ay nabaligtad, kung gayon ang likas na katangian ng mga pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay hindi magbabago.

elementong singil.

Bilang karagdagan sa mga electron at proton, may ilang iba pang mga uri ng sisingilin na elementarya na mga particle. Ngunit ang mga electron at proton lamang ang maaaring umiral nang walang katiyakan sa isang malayang estado. Ang natitirang bahagi ng mga naka-charge na particle ay nabubuhay nang mas mababa sa ika-milyong bahagi ng isang segundo. Ang mga ito ay ipinanganak sa panahon ng banggaan ng mabilis na mga particle ng elementarya at, na umiral sa hindi gaanong panahon, nabubulok, nagiging iba pang mga particle. Makikilala mo ang mga particle na ito sa ika-11 baitang.

Kasama sa mga particle na walang singil sa kuryente neutron. Ang masa nito ay bahagyang lumampas sa masa ng isang proton. Ang mga neutron, kasama ang mga proton, ay bahagi ng atomic nucleus. Kung ang isang elementarya ay may singil, ang halaga nito ay mahigpit na tinukoy.

sinisingil na mga katawan Ang mga puwersa ng electromagnetic sa kalikasan ay may malaking papel dahil sa ang katunayan na ang komposisyon ng lahat ng mga katawan ay may kasamang mga particle na may kuryente. Ang mga bumubuong bahagi ng atoms - nuclei at electron - ay may singil sa kuryente.

Ang direktang pagkilos ng mga puwersa ng electromagnetic sa pagitan ng mga katawan ay hindi napansin, dahil ang mga katawan sa normal na estado ay neutral sa kuryente.

Ang isang atom ng anumang sangkap ay neutral, dahil ang bilang ng mga electron sa loob nito ay katumbas ng bilang ng mga proton sa nucleus. Ang mga positibo at negatibong sisingilin na mga particle ay konektado sa isa't isa sa pamamagitan ng mga puwersang elektrikal at bumubuo ng mga neutral na sistema.

Ang isang macroscopic body ay may kuryente kung naglalaman ito ng labis na bilang ng mga elementary particle na may anumang isang charge sign. Kaya, ang negatibong singil ng katawan ay dahil sa labis na bilang ng mga electron kumpara sa bilang ng mga proton, at ang positibong singil ay dahil sa kakulangan ng mga electron.

Upang makakuha ng isang macroscopic body na may kuryente, ibig sabihin, upang makuryente ito, kinakailangan na paghiwalayin ang isang bahagi ng negatibong singil mula sa positibong singil na nauugnay dito, o ilipat ang isang negatibong singil sa isang neutral na katawan.

Magagawa ito nang may alitan. Kung nagpapatakbo ka ng isang suklay sa tuyong buhok, pagkatapos ay isang maliit na bahagi ng pinaka-mobile na sisingilin na mga particle - ang mga electron ay dadaan mula sa buhok patungo sa suklay at sisingilin ito nang negatibo, at ang buhok ay sisingilin nang positibo.

Pagkakapantay-pantay ng mga singil sa panahon ng elektrisasyon

Sa tulong ng karanasan, mapapatunayan na kapag nakuryente sa pamamagitan ng alitan, ang parehong mga katawan ay nakakakuha ng mga singil na magkasalungat sa tanda, ngunit magkapareho sa magnitude.

Kumuha tayo ng isang electrometer, sa baras kung saan ang isang metal na globo na may butas ay naayos, at dalawang plato sa mahabang hawakan: ang isa ay ebonite, at ang isa ay plexiglass. Kapag nagkikiskis sa isa't isa, nakuryente ang mga plato.

Dalhin natin ang isa sa mga plato sa loob ng globo nang hindi hinahawakan ang mga dingding nito. Kung ang plato ay positibong sisingilin, ang ilan sa mga electron mula sa karayom at ang electrometer rod ay maaakit sa plato at makokolekta sa panloob na ibabaw ng globo. Sa kasong ito, ang arrow ay positibong sisingilin at itataboy mula sa electrometer rod (Larawan 14.2, a).

Kung ang isa pang plato ay ipinakilala sa loob ng globo, na dati nang inalis ang una, ang mga electron ng globo at ang baras ay itataboy mula sa plato at maiipon nang labis sa arrow. Ito ay magiging sanhi ng paglihis ng arrow mula sa baras, bukod dito, sa parehong anggulo tulad ng sa unang eksperimento.

Ang pagkakaroon ng pagbaba ng parehong mga plato sa loob ng globo, hindi namin mahahanap ang anumang pagpapalihis ng arrow sa lahat (Larawan 14.2, b). Ito ay nagpapatunay na ang mga singil ng mga plato ay pantay sa magnitude at kabaligtaran sa tanda.

Elektripikasyon ng mga katawan at mga pagpapakita nito. Ang makabuluhang electrification ay nangyayari sa panahon ng friction ng mga sintetikong tela. Kapag nagtanggal ng shirt na gawa sa sintetikong materyal sa tuyong hangin, maririnig mo ang isang katangiang kaluskos. Ang mga maliliit na spark ay tumalon sa pagitan ng mga naka-charge na lugar ng mga gasgas na ibabaw.

Sa mga bahay-imprenta, ang papel ay nakuryente habang nagpi-print, at ang mga sheet ay magkakadikit. Upang maiwasang mangyari ito, ginagamit ang mga espesyal na aparato upang maubos ang singil. Gayunpaman, ang electrification ng mga katawan sa malapit na kontak ay minsan ginagamit, halimbawa, sa iba't ibang mga electrocopying machine, atbp.

Ang batas ng konserbasyon ng electric charge.

Ang karanasan sa electrization ng mga plates ay nagpapatunay na kapag nakuryente sa pamamagitan ng friction, ang mga kasalukuyang singil ay muling ipinamamahagi sa pagitan ng mga katawan na dati ay neutral. Ang isang maliit na bahagi ng mga electron ay dumadaan mula sa isang katawan patungo sa isa pa. Sa kasong ito, ang mga bagong particle ay hindi lilitaw, at ang mga dati nang umiiral ay hindi nawawala.

Kapag nagpapakuryente sa mga katawan, batas ng konserbasyon ng singil sa kuryente. Ang batas na ito ay may bisa para sa isang sistema na hindi pumapasok mula sa labas at kung saan ang mga sisingilin na particle ay hindi lumalabas, ibig sabihin, para sa nakahiwalay na sistema.

Sa isang nakahiwalay na sistema, ang algebraic na kabuuan ng mga singil ng lahat ng katawan ay pinananatili.

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

kung saan ang q 1, q 2, atbp. ay ang mga singil ng mga indibidwal na sinisingil na katawan.

Ang batas ng konserbasyon ng bayad ay may malalim na kahulugan. Kung ang bilang ng mga sisingilin na elementarya ay hindi nagbabago, kung gayon ang batas ng pag-iingat ng singil ay malinaw. Ngunit ang mga elementarya na particle ay maaaring maging isa't isa, ipanganak at mawala, na nagbibigay-buhay sa mga bagong particle.

Gayunpaman, sa lahat ng mga kaso, ang mga sisingilin na particle ay ginawa lamang sa mga pares na may mga singil ng parehong modulus at kabaligtaran sa sign; Ang mga sisingilin na particle ay nawawala din nang pares, nagiging neutral. At sa lahat ng mga kasong ito, ang algebraic na kabuuan ng mga singil ay nananatiling pareho.

Ang bisa ng batas ng konserbasyon ng singil ay nakumpirma ng mga obserbasyon ng isang malaking bilang ng mga pagbabagong-anyo ng mga elementarya na particle. Ang batas na ito ay nagpapahayag ng isa sa mga pinakapangunahing katangian ng electric charge. Ang dahilan para sa pagtitipid ng bayad ay hindi pa rin alam.

Paggamit: teknolohiyang nuklear, lalo na ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, halimbawa, sa isa sa mga yugto ng paghihiwalay ng mga isotopes mula sa kanilang natural na halo. Kakanyahan ng pag-imbento: ang isang halo ng mga sisingilin na particle ay paunang nabuo sa pamamagitan ng ionization, pagkatapos ay ang isang halo ng mga sisingilin na particle ay inilabas ng isang electric field. Pagkatapos nito, ang mga naka-charge na particle ay pinaghihiwalay sa pamamagitan ng pagkakalantad sa centrifugal force na kumikilos sa mga naka-charge na particle habang sila ay gumagalaw sa isang arc trajectory, at isang electric field, ibig sabihin, electric force barriers na may bumababang taas ng bawat barrier sa cross section alinsunod sa pagtaas ng ang orbital radii ng mga particle na may mataas na enerhiya na sisingilin sa panahon ng paglipat mula sa mas maliliit na orbit patungo sa mas malaki, kapag ang ilang mga hadlang ay pinalitan ng iba, o kapag ang hugis ng mga hadlang ay nagbabago, o kapag ang posisyon ng mga electrical barrier ay nagbabago depende sa enerhiya ng pinaghiwalay. sisingilin na mga particle. EPEKTO: nadagdagan ang selectivity sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya at nabawasan ang pagkonsumo ng mga materyales para sa paggawa ng mga device na nagpapatupad ng iminungkahing paraan sa pamamagitan ng pagbawas sa haba ng sisingilin na particle separation zone. 3 may sakit.

Ang imbensyon ay nauugnay sa nuclear engineering at inilaan para sa paggamit sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, halimbawa, sa isa sa mga yugto ng paghihiwalay ng mga isotopes mula sa kanilang natural na pinaghalong. Ang mga dating kilalang pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga naka-charge na particle sa pamamagitan ng enerhiya ay binuo sa proseso ng paghahanap ng mga maaasahang pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga isotopes, mga pamamaraan para sa pagpapatupad ng kinokontrol na nuclear at thermonuclear fusion, mga pamamaraan para sa pagbuo ng mga charged particle beam sa ion-beam at electron-beam na mga device, at pagkontrol charged particle beams sa teknolohiya ng accelerator. Isang kilalang paraan ng paghihiwalay ng mga naka-charge na particle sa pamamagitan ng enerhiya, kabilang ang pagbuo ng pinaghalong charged particle sa pamamagitan ng ionization, paghila ng pinaghalong mga charged particle sa pamamagitan ng electric field, paghihiwalay ng mga charged particle sa pamamagitan ng pagkakalantad sa tuluy-tuloy na electric field at centrifugal force, at pagtanggap pinaghiwalay na sisingilin na mga particle. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagkilos ng electric component ng Lorentz force ng tuloy-tuloy na electrostatic field ng kapasitor at ang centrifugal force na kumikilos sa mga pinaghiwalay na sisingilin na mga particle kapag ang mga particle ay gumagalaw sa isang arc path [tingnan. , halimbawa, A.V. Blinov. Accelerator mass spectrometry ng cosmogenic nuclides / Soros General Educational Journal, 1999, 8, p. 71-75]. Ang pinakamalapit sa teknikal na kakanyahan at ang nakamit na resulta (prototype) ng inaangkin na imbensyon ay isang paraan para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, kabilang ang pagbuo ng isang halo ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng ionization, paghila ng pinaghalong mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng isang electric field, paghihiwalay ng mga naka-charge na particle sa pamamagitan ng pagkakalantad sa tuluy-tuloy na electric field at centrifugal force, at pagtanggap ng mga pinaghiwalay na charged na particle. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle ay ginawa ng pagkilos ng electrical component ng Lorentz force ng isang tuloy-tuloy na electric field sa isang curved cylindrical capacitor at ang centrifugal force na kumikilos sa mga charged particle kapag ang mga particle ay gumagalaw sa isang arc path [tingnan. V.T. Kogan, A.K. Pavlov, M.I. Savchenko, O. E. Dobychin. Portable mass spectrometer para sa express analysis ng mga substance na natunaw sa tubig // Instruments and experimental technique, 1999, 4, p. 145-149]. Ang electric force F, na kumikilos sa isang naka-charge na particle na may electric charge q, na gumagalaw sa bilis na v sa tuluy-tuloy na electric field ng lakas E, ay tinutukoy ng formula

Ang mga hiwalay na sisingilin na particle na may pantay na masa at pantay na singil sa kuryente ay gumagalaw sa isang tuluy-tuloy na electric field sa mga pabilog na orbit, ang radii nito ay kinakalkula mula sa mga balanse ng kumikilos na pwersa. Ang radius R 1 ng orbit ng mga high-energy charged na particle sa isang tuluy-tuloy na electric field ng isang baluktot na kapasitor ay tinutukoy ng formula:

Kung saan ang m ay ang masa ng isang high-energy o isang low-energy charged particle,

E 1 - lakas ng electric field sa lokasyon ng isang high-energy charged particle habang lumilipad. Ang radius R 2 ng orbit ng isang low-energy charged particle sa isang tuloy-tuloy na electric field ng isang baluktot na kapasitor ay tinutukoy ng formula:

Kung saan ang m ay ang masa ng isang low-energy o isang high-energy charged particle,

E 2 - ang intensity ng tuloy-tuloy na electric field sa lokasyon ng low-energy charged particle habang lumilipad. Para sa pagpasa ng isang high-energy charged particle kasama ang isang arc ng isang circular trajectory na may radius R 1, kinakailangan ang isang tuluy-tuloy na electric field strip, ang curvature na tumutugma sa radius R 1 . Para sa pagpasa ng isang low-energy charged particle kasama ang isang arc ng isang circular trajectory na may radius R 2, kinakailangan ang isang strip ng tuloy-tuloy na electric field, ang curvature na tumutugma sa radius R 2. Bilang resulta, ang lapad ng curved strip ng tuloy-tuloy na electric field ay dapat na ang parehong mga trajectory ay magkasya sa loob ng mga limitasyon ng tuloy-tuloy na electric field. Ang mga particle na pinaghihiwalay sa isang tuluy-tuloy na electric field ay ipinapadala upang makatanggap ng mga sisingilin na particle o sa susunod na yugto ng paghihiwalay. Ang isang karaniwang kawalan ng inilarawan na mga pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya ay ang mababang selectivity ng paghihiwalay dahil sa limitadong posibilidad ng paghahati ng mga beam ng mga sisingilin na particle sa isang tuluy-tuloy na electric field. Ang lahat ng mga separable charged particle ay sabay-sabay sa isang tuluy-tuloy na field, at samakatuwid, sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng field na ito, imposibleng piliing maimpluwensyahan ang mga monoenergetic charged particle. Ang paggamit ng mga inilarawang pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya sa isang tuloy-tuloy na electric field ay hindi nagpapahintulot sa pagsasagawa ng mga sumusunod na operasyon upang makontrol ang mga trajectory ng mga sisingilin na particle:

1. Tanging isang sinag ng mga low-energy charged na particle ang dapat na baluktot sa isang pabilog na orbit, at sa ganoong pabilog na orbit, kapag ang radius ng orbit ng mga low-energy charged na particle ay tinutukoy hindi ng lakas ng transverse electric field sa ang landas ng liwanag na sisingilin ng mga particle sa electric field, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng electric field sa espasyo sa isang sapat na halaga electric field. Kasabay nito, ang mga high-energy charged na particle ay patuloy na lumilipad sa orihinal na direksyon, i.e. halos kasama ang isang tuwid na landas;

2. Upang i-twist ang mga beam ng low-energy at high-energy charged particles kasama ang iba't ibang circular orbits, kapag ang nakamit na paghahati ng isang beam sa ilang beam ng charged particle ay hindi tinutukoy ng magnitude ng transverse electric field strength sa landas ng sisingilin ang mga particle, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng mga seksyon ng electric field na may sapat na magnitude ng mga seksyon ng electric field;

3. Upang i-twist ang mga beam ng low-energy at high-energy charged particles sa kahabaan ng isang pabilog na orbit, kapag ang radius ng isang solong orbit ng pinaghalong mga charged na particle ay tinutukoy hindi ng magnitude ng transverse electric field sa daanan ng sisingilin ang mga particle, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng electric field sa espasyo na may sapat na electric field;

12. Upang isagawa ang maximum na paghahati ng mga beam ng mga sisingilin na particle sa pinakamababang haba ng beam separation zone. Ang isang karaniwang kawalan ng inilarawan na mga pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga naka-charge na particle sa pamamagitan ng enerhiya ay ang malaking haba ng zone para sa paghihiwalay ng mga naka-charge na particle dahil sa mabagal na paghahati ng mga beam ng mga naka-charge na particle, na sa huli ay humahantong sa pangangailangan na gumawa ng malalaking laki ng mga aparato para sa paghihiwalay. sisingilin ang mga particle sa pamamagitan ng enerhiya. Ang kakanyahan ng imbensyon ay nakasalalay sa katotohanan na sa isang paraan para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na mga particle sa pamamagitan ng enerhiya, kabilang ang pagbuo ng isang halo ng mga sisingilin na mga particle sa pamamagitan ng ionization, paghila ng isang halo ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng isang electric field, paghihiwalay ng mga sisingilin na mga particle sa pamamagitan ng pagkakalantad sa isang electric field at sentripugal na puwersa na kumikilos sa mga sisingilin na mga particle kapag sila ay gumagalaw kasama ang isang arc trajectories, at ang pagtanggap ng mga pinaghiwalay na sisingilin na mga particle, ang paghihiwalay ng mga sisingilin na mga particle ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagkilos ng puwersa ng mga de-koryenteng hadlang na may bumababa na taas ng bawat hadlang sa ang cross section alinsunod sa pagtaas sa radii ng mga orbit ng mga high-energy charged na particle sa panahon ng paglipat mula sa mas maliliit na orbit patungo sa mas malaki, kapag pinapalitan ang ilang mga hadlang sa iba, o kapag binabago ang hugis ng mga hadlang, o kapag binabago ang posisyon ng mga de-koryenteng hadlang depende sa enerhiya ng mga pinaghiwalay na sisingilin na mga particle. Ang teknikal na resulta ay isang pagtaas sa selectivity sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya at isang pagbawas sa haba ng zone ng paghihiwalay ng mga sisingilin na particle, na humahantong sa isang pagbawas sa laki ng mga aparato para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, na nagpapatupad ang paraan ng pag-imbento, samakatuwid, upang mabawasan ang pagkonsumo ng mga materyales para sa paggawa ng mga aparatong ito. Ang isang pagtaas sa selectivity sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle ay sinisiguro sa pamamagitan ng paggamit ng mga de-koryenteng power barrier dahil sa pagtaas ng mga posibilidad para sa paghahati ng mga beam ng mga sisingilin na particle, dahil ang kakayahan ng mga sisingilin na particle na malampasan ang electrical barrier ay nakasalalay sa kanilang enerhiya. Ang pagpapalit ng mga parameter ng mga de-koryenteng hadlang (pagbabawas ng taas ng hadlang sa cross section alinsunod sa pagtaas sa radii ng mga orbit ng mga high-energy charged na particle sa panahon ng paglipat mula sa mas maliliit na orbit patungo sa mas malaki) ay ginagawang posible na piliing kumilos sa monoenergetic charged particles at nagbibigay-daan para sa paghihiwalay ng mga substance na magsagawa ng maraming dati nang imposibleng trajectory control operations na sisingilin ang mga particle sa panahon ng paglipad ng mga particle sa isang electric field, lalo na:

1. Tanging isang sinag ng mga low-energy charged na particle ang dapat na baluktot sa isang pabilog na orbit, at sa ganoong pabilog na orbit, kapag ang radius ng orbit ng mga low-energy charged na particle ay tinutukoy hindi ng lakas ng transverse electric field sa ang landas ng mga light charged na particle sa electric field, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng electric barrier sa espasyo, na may sapat na magnitude ng electrical barrier. Kasabay nito, ang mga high-energy charged na particle ay patuloy na lumilipad sa orihinal na direksyon, i.e. halos kasama ang isang tuwid na landas;

2. Upang i-twist ang mga beam ng low-energy at high-energy charged particles kasama ang iba't ibang circular orbits, kapag ang nakamit na paghahati ng isang beam sa ilang beam ng charged particle ay hindi tinutukoy ng magnitude ng transverse electric field strength sa landas ng sisingilin ang mga particle, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng split electrical barrier na may sapat na halaga ng bawat isa sa mga electrical barrier;

3. Upang i-twist ang mga beam ng low-energy at high-energy charged particles sa kahabaan ng isang pabilog na orbit, kapag ang radius ng isang solong orbit ng pinaghalong mga charged na particle ay tinutukoy hindi ng magnitude ng transverse electric field strength sa path ng mga sisingilin na particle, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng electrical barrier sa espasyo na may sapat na halaga ng electrical barrier;

4. Maglabas ng isang sinag ng mga particle na may mataas na enerhiya na sisingilin mula sa isang pabilog na orbit, na karaniwan sa orbit ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin, sa isang paunang direksiyon na rectilinear trajectory, na nag-iiwan ng isang sinag ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin sa parehong pabilog na orbit;

5. Maglabas ng isang sinag ng mga particle na may mataas na enerhiya na sisingilin mula sa isang pabilog na orbit, karaniwan sa orbit ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin, patungo sa isa pang pabilog na orbit, na nag-iiwan ng isang sinag ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin sa parehong pabilog na orbit;

6. Bitawan ang parehong mga sinag ng mga naka-charge na particle sa anumang punto ng orbit mula sa isang pabilog na orbit patungo sa isang rectilinear trajectory;

7. Bitawan ang parehong mga sinag ng mga sisingilin na particle mula sa isang pabilog na orbit patungo sa iba't ibang mga rectilinear trajectories;

8. Maglabas ng isang sinag ng mga particle na may mataas na enerhiya na sisingilin sa anumang punto mula sa isang pabilog na orbit, na hiwalay sa orbit ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin, patungo sa isang rectilinear trajectory, na nag-iiwan ng isang sinag ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin sa isang pabilog na orbit;

9. Bitawan ang parehong mga sinag ng mga sisingilin na particle mula sa iba't ibang pabilog na orbit patungo sa iba't ibang mga rectilinear trajectories;

10. Bitawan ang parehong mga sinag ng sisingilin na mga particle mula sa iba't ibang mga pabilog na orbit sa isang solong rectilinear trajectory;

12. Upang isagawa ang maximum na paghahati ng mga beam ng mga sisingilin na particle sa pinakamababang haba ng beam separation zone. Ang pagbawas sa haba ng zone ng paghihiwalay ng mga sisingilin na mga particle ay nakamit dahil sa ang katunayan na ang iminungkahing pamamaraan ay nagbibigay-daan sa maximum na paghahati ng mga beam ng mga sisingilin na mga particle sa pinakamababang haba. Ang maximum na paghahati sa isang maikling haba ng separation zone ay nakuha dahil ang pagbaba ng taas ng electrical barrier sa cross section nito ay nagpapahintulot sa mga high-energy charged na particle na lumipad sa barrier nang hindi binabago ang kanilang direksyon ng paggalaw at, sa parehong oras, ay nagbibigay-daan. ang hadlang upang piliing makuha at humantong sa isang pabilog na tilapon lamang ang mga particle na mababa ang enerhiya. Ang imbensyon ay inilalarawan sa pamamagitan ng mga guhit, kung saan ang figure 1 ay nagpapakita ng graph ng dependence 1 ng centrifugal force na kumikilos sa charged particle, sa radius ng circular orbit ng high-energy charged particle na may pantay na masa, isang graph ng dependence 2 ng centrifugal puwersang kumikilos sa mga naka-charge na particle, sa radius ng pabilog na orbit ng mga low-energy charged particle na may pantay na masa at plot 3 ng electric Lorentz force na kumikilos sa mga naka-charge na particle na may pantay na masa at pantay na singil sa isang electric field, sa radius ng pabilog na orbit ng mga sisingilin na particle. Ang Figure 2 ay nagpapakita ng plot 4 ng centrifugal force na kumikilos sa mga naka-charge na particle sa radius ng circular orbit ng high-energy charged particles, isang plot 5 ng centrifugal force na kumikilos sa charged particle sa radius ng circular orbit ng low-energy charged particles at isang plot ng 6 electric Lorentz force, na kumikilos sa charged particles na may pantay na masa at pantay na singil sa isang electric field, mula sa radius ng circular orbit ng charged particles na may electric barrier 7, 8. Ang Figure 3 ay nagpapakita ng electric barrier 7 at isang electric barrier 8, ang trajectory 9 overcoming both barriers 7, 8 high-energy charged particles, ang trajectory 10 ng low-energy charged particles kasama ang electrical barrier 7, ang trajectory 11 ng high-energy charged particles sa kahabaan ng electrical barrier 8 Ang paraan para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya ay isinasagawa bilang mga sumusunod. Ang isang halo ng mga sisingilin na particle ay preliminarily na nabuo sa pamamagitan ng ionization, pagkatapos ay ang isang halo ng mga sisingilin na particle ay inilabas ng isang electric field, pagkatapos kung saan ang mga sisingilin na particle ay pinaghihiwalay sa pamamagitan ng pagkakalantad sa isang electric field at centrifugal force. Upang paghiwalayin ang mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, ginagamit ang isang electric field, na may espesyal na topograpiya. Ang isang tampok ng topograpiya ng electric field para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle ay ang pagkakaroon ng mga puwersang electric barrier. Ang mga de-koryenteng hadlang ay tumaas na mga halaga ng lakas ng patlang ng kuryente sa pinalawak na mga lugar ng espasyo. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya ay ginawa sa pamamagitan ng pagkilos ng mga electric barrier ng electric field, na nakakurba sa mga arko ng pabilog na orbit ng mga sisingilin na particle, at sa pamamagitan ng puwersang sentripugal na kumikilos sa mga sisingilin na particle habang sila ay gumagalaw sa isang arc trajectory. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na mga particle ay isinasagawa sa panahon ng kanilang paglipad sa isang electric field sa pamamagitan ng pagkilos ng puwersa ng mga electric barrier na may pagbaba ng taas ng bawat hadlang sa cross section alinsunod sa isang pagtaas sa radii ng mga orbit ng mga high-energy charged particle. sa panahon ng paglipat mula sa mas maliit hanggang sa mas malalaking orbit. Ang mga particle na may charge na pinaghihiwalay ng enerhiya ay direktang nakadirekta sa malukong bahagi ng electrical barrier. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng mga electric barrier ng electric field ay isinasagawa sa isang tiyak na kamag-anak na posisyon ng mga electric barrier at sa isang tiyak na hugis ng mga electric barrier. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya sa pamamagitan ng mga electric barrier ng electric field ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagbabago ng mga hadlang, pagbabago ng hugis ng mga hadlang, pagbabago ng posisyon ng mga hadlang, na may kasunod na pangangalaga ng isang tiyak na magkaparehong posisyon ng mga electric barrier at isang tiyak na hugis ng mga electric barrier. Ang mga electric barrier ng electric field ay napapahaba sa mga trajectory ng mga naka-charge na particle. Ang taas, lapad, at haba ng electrical barrier ay pinili upang maging sapat upang panatilihin ang mga naka-charge na particle sa isang pabilog na orbit. Ang mga naka-charge na particle ay pinipilit na gumalaw kasama ang mga de-koryenteng hadlang na nasa kanilang daan. Ang kinakailangang paghahati ng isang sinag ng mga sisingilin na particle sa dalawang beam ay tinutukoy hindi lamang sa pamamagitan ng lakas ng transverse electric field sa landas ng mga sisingilin na particle, kundi pati na rin sa posisyon ng split electric barrier sa espasyo sa isang sapat na lakas ng electric field at ang magnitude ng electric force barrier at may naaangkop na anyo ng electric force barrier. Ang hugis ng electric force barrier ay dapat na tulad na sa simula ng mataas na enerhiya na sisingilin na mga particle na umaalis sa circular orbit, ang sumusunod na kondisyon ay nasiyahan:

Kung saan ang R E ay ang baluktot na radius ng electrical barrier,

Ang M ay ang masa ng isang high-energy o isang low-energy charged particle,

Ang E r ay ang lakas ng electric field na tumutugma sa pinakamataas na taas ng electric barrier. Ang radius ng orbit ng isang halo ng mga sisingilin na particle ay tinutukoy hindi sa pamamagitan ng lakas ng transverse electric field sa landas ng mga sisingilin na particle, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng electric barrier sa espasyo na may sapat na halaga ng electric barrier. Upang ganap na mapagtanto ang mga kakayahan ng mga de-koryenteng hadlang sa pagwawasto ng paggalaw ng mga particle sa kahabaan ng tilapon at sa paghihiwalay sa N ang bilang ng mga sisingilin na particle, kinakailangan ang N electrical barrier ng electric field. Upang paghiwalayin ang N bilang ng mga naka-charge na particle, (N-1) ang mga de-koryenteng hadlang ay maaaring gamitin, ngunit sa kasong ito ang sinag ng pinaka-energetic na charged na mga particle ay kailangang ilabas sa isang rectilinear trajectory. Kasabay nito, ang posibilidad ng pagkontrol sa mga beam ng mga sisingilin na particle ay nananatili. Ang paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya ay nangangailangan ng pagkilos ng isang electric barrier, ang taas nito ay bumababa sa radial na direksyon mula sa gitna ng pabilog na orbit ng particle. Ang steepness ng pagbaba sa taas ng electric barrier sa cross section nito ay nauugnay sa steepness ng pagbaba sa centrifugal force na kumikilos sa isang particle ng mas mataas na enerhiya sa sandali ng paglipat ng particle sa isang mas malaking orbit. Ang pag-asa ng taas ng electric barrier sa cross section nito sa radius ng orbit ng isang sisingilin na particle sa panahon ng paglipat ng isang sisingilin na particle mula sa isang mas maliit na orbit patungo sa isang mas malaki ay tumutugma sa pag-asa ng centrifugal force sa radius ng ang orbit ng isang sisingilin na particle sa panahon ng paglipat ng isang sisingilin na particle mula sa isang mas maliit na orbit patungo sa isang mas malaki. Ang bawat isa sa mga split electrical barrier ay may pare-parehong taas kasama ang buong haba nito na may pare-parehong baluktot na radius ng electrical barrier. Upang paghiwalayin ang mga naka-charge na particle sa enerhiya gamit lamang ang isang electrical barrier, ginagamit din ang isang electrical barrier, na may taas na bumababa sa kahabaan ng electrical barrier kasama ang mga particle sa isang pare-parehong baluktot na radius ng electrical barrier. Upang paghiwalayin ang mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, ginagamit din ang isang electric barrier, na may pare-parehong taas sa buong haba ng barrier na may baluktot na radius ng electric barrier na bumababa sa direksyon ng paglipad ng particle. Ang paghihiwalay ng isang binary mixture ng mga sisingilin na particle ay isinasagawa gamit ang isang electric barrier na pinalawak sa espasyo. Ang cross section ng electrical barrier sa figure 1 ay ipinapakita bilang isang peak dependence 3 ng electric component ng Lorentz force sa radius ng orbit ng mga charged particle. Ang puwersa F na kumikilos sa isang naka-charge na particle na may electric charge q na gumagalaw sa bilis na v sa isang electric field ay depende sa lakas ng electric field E. Sa kasong ito, ang mga sisingilin na particle na pinaghihiwalay ng enerhiya ng mga electric barrier ay gumagalaw sa sumusunod na paraan. Sa isang tuluy-tuloy na electric field kapag gumagamit ng prototype na paraan, ang sisingilin na particle ay gumagalaw sa isang bilog, ang radius nito ay kinakalkula mula sa balanse ng mga puwersa. Ngunit sa pamamagitan ng paglalagay ng isang lokal na pinahabang lugar ng electric field na nakabaluktot sa isang arko sa landas ng mga sisingilin na particle at pagtaas ng halaga ng lakas ng electric field kumpara sa kinakalkula na halaga para sa isang tuluy-tuloy na electric field, kapag ginagamit ang iminungkahing pamamaraan, isang Ang electric barrier ay nilikha para sa sisingilin na particle. Sa pamamagitan ng paglilipat ng paunang rehiyon ng curved electrical barrier na pinalawak sa espasyo palayo sa direktang trajectory ng mga naka-charge na particle, ang mga pinaghiwalay na charged na particle ay hindi idinidirekta sa isang tuluy-tuloy na field, tulad ng ginawa sa prototype na paraan, ngunit tangentially sa malukong bahagi ng electrical barrier. Sa pamamagitan ng paglalagay ng malukong bahagi ng electrical barrier sa isang anggulo sa direktang landas ng paglipad ng mga sisingilin na particle, kapag ginagamit ang iminungkahing paraan, ang mga pisikal na kondisyon ay nilikha kung saan ang sisingilin na particle ay magbabago sa direksyon ng paggalaw nito. Kapag ang mga naka-charge na particle na pinaghihiwalay ay lumalapit sa malukong bahagi ng mataas na electrical barrier, binabago ng mga naka-charge na particle ang direksyon ng paggalaw habang tumataas ang electric field at pagkatapos ay lumilipad sa isang arc trajectory kasama ang malukong bahagi ng electrical barrier. Kaya, sa lakas ng electric field na malinaw na nakakatugon sa hindi pagkakapantay-pantay

Lahat ng mga naka-charge na particle na may pantay na masa at pantay na singil ay lilipat sa kahabaan ng electrical barrier. Ang radius ng orbit ng mga sisingilin na particle sa iminungkahing paraan ng paghihiwalay ay natutukoy hindi sa magnitude ng transverse electric field sa landas ng mga sisingilin na particle sa electric field, ngunit sa pamamagitan ng posisyon ng electric barrier sa espasyo na may sapat na halaga ng ang electric barrier. Ipinapakita ng Figure 1 na may partikular na mahigpit na pinapanatili na anyo ng electrical barrier at ibinigay iyon

Ang mga low-energy charged na particle ay nananatili sa circular orbit, habang ang mga high-energy na particle ay umaalis sa circular orbit at sumusunod sa orihinal na rectilinear trajectory. Ang radius ng orbit ng mga low-energy charged particle ay natutukoy hindi sa lakas ng transverse electric field sa landas ng light charged particle sa electric field, ngunit sa posisyon ng electric barrier sa espasyo na may sapat na electric barrier. Ang prinsipyo ng paghihiwalay ng mga sisingilin na particle gamit ang dalawang electrical barrier ay inilalarawan sa Fig. 2. Ang cross section ng dalawang electrical barrier 7, 8 ng electric field ay inilalarawan bilang alternating peak at dips sa dependence 6 ng electric component ng Lorentz force sa radius R ng orbit ng mga charged particle. Ang bawat maximum na lakas E ng electric field ay nagbibigay ng maximum na electric component ng Lorentz force F=qE para sa pantay na sisingilin na pinaghiwalay na mga particle. Kapag ang mga naka-charge na particle ay pinaghihiwalay ng mga electric barrier, ang bawat sinag ng mga monoenergetic charged na particle ay may sariling graph ng dependence ng centrifugal force sa radius ng instantaneous orbit. Ang puwersang elektrikal ng Lorentz na kumikilos sa mga particle na may parehong charge na pinaghihiwalay sa enerhiya ay inilalarawan ng isang graph 6 na karaniwan para sa lahat ng mga particle na may charge. isang sinag ng mga particle na may mababang enerhiya at mataas na enerhiya, o nag-iiwan lamang ng isang sinag ng mga particle na may mababang enerhiya. Sa malalaking orbit sa kahabaan ng electrical barrier 8, maaaring mag-iwan ng sinag ng mga particle na may mataas na enerhiya na sisingilin, o mag-iwan ng sinag ng mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin, o mag-iwan ng parehong beam. Sa mahigpit na pare-parehong hugis ng electrical barrier 7, may mga kundisyon kung saan ang mga particle na may mababang enerhiya na sisingilin ay nananatili sa isang pabilog na orbit, at ang mga high-energy na particle ay umaalis sa pabilog na orbit na matatagpuan sa kahabaan ng electrical barrier 7 at sinusundan ang pabilog na orbit sa kahabaan ng electrical. hadlang 8. Sa Fig. Ang 2 ay nagpapakita ng pamamahagi ng dalawang magkahiwalay na sisingilin na mga particle sa dalawang electrical barrier 7, 8. Sa isang mahigpit na pare-parehong hugis ng electrical barrier 8, may mga kondisyon kung saan ang mga high-energy charged na particle ay bumaba mula sa isang pabilog na orbit na matatagpuan sa kahabaan ng electrical barrier 8 at sundin ang isang rectilinear trajectory. Ang kundisyon para sa paglabas ng mga particle na may mataas na enerhiya mula sa nakaraang circular trajectory ay ang pagsunod sa hindi pagkakapantay-pantay (7)

Sa FIG. Ang Figure 3 ay nagpapakita ng dalawang electric barrier 7, 8 sa mga tuldok na linya. Ang mga trajectory 9, 10, 11 ng charged particle kapag ang mga particle ay pinaghihiwalay ng enerhiya gamit ang dalawang electric barrier 7, 8 ay ipinapakita sa figure 3 bilang isang solidong linya. Ang mga tilapon ng mga orbit 10, 11 ng mga sisingilin na particle ay natutukoy hindi sa magnitude ng electric field sa landas ng mga sisingilin na particle, ngunit sa magnitude ng mga de-koryenteng hadlang 7, 8 at ang posisyon ng mga de-koryenteng hadlang 7, 8 sa espasyo na may sapat na halaga ng mga de-koryenteng hadlang 7, 8. Pagkatapos ng paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya, pagtanggap ng mga sisingilin na particle. Sa iminungkahing pamamaraan, una, ang tuluy-tuloy na electric field ay pinapalitan ng mga electric barrier, iyon ay, sa pamamagitan ng isang sistema ng mga lokal na pinahabang electric field na nakabaluktot sa mga trajectory ng mga sisingilin na particle; pangalawa, ang antas ng lakas ng electric field ay nadagdagan at, pangatlo, nabuo ang isang electric barrier crest na nakakatugon sa kondisyon para sa paglabas ng mga high-energy na particle mula sa nakaraang circular trajectory, na pinagsama sa trajectory ng low-energy charged particles. , sa isa pang pabilog o rectilinear trajectory. Ang pinakamahalagang tampok ng paraan ng paghihiwalay ng mga sisingilin na particle sa pamamagitan ng enerhiya sa pamamagitan ng isang electric barrier ay ang kakayahang paikutin lamang ang mga low-energy charged na particle sa isang pabilog na orbit nang hindi binabago ang rectilinear trajectory ng mga high-energy charged particle. Ang paghahati ng V ng mga beam ng mga naka-charge na particle sa kasong ito ay maximum at katumbas ng:

1. Solusyon ng pisikal na problema ng selective capture sa pamamagitan ng electric field ng monoenergetic charged particles mula sa beam ng pinaghalong mga particle na may parehong charge. 2. Isang pagtaas sa selectivity at pagbaba sa haba ng energy separation zone para sa mga naka-charge na particle. 3. Paglikha ng batayan ng bagong paunang data para sa teoretikal at pang-eksperimentong inilapat na mga problema sa paggamit ng mga de-koryenteng hadlang sa maraming lugar ng nuclear physics, electronics at teknolohiya ng ion. 4. Pagpapatupad ng isang parallel na solusyon ng mga problema sa kapaligiran sa mga tuntunin ng makatwirang paggamit ng mga likas na yaman at ang mga problema sa paghihiwalay ng mga sangkap sa electric at electromagnetic field. 5. Pagpapatupad ng ligtas sa kapaligiran na paghihiwalay ng mga sangkap batay sa teknolohiya ng pagbuo ng electrical barrier. Ang mga problema sa kapaligiran gamit ang pamamaraan ay malulutas tulad ng sumusunod:

1. Ang mga sukat ng mga aparato para sa paghihiwalay ng mga sisingilin na particle ay nabawasan, na ginagawang posible upang ilagay ang produksyon sa pinakamaliit na lugar. 2. Ang halaga ng mga materyales na ginugol sa paggawa ng mga maliliit na laki ng mga aparato para sa paghihiwalay ng mga sangkap ay nabawasan, i.e. makatwirang paggamit ng likas na yaman.

CLAIM

Isang paraan para sa paghihiwalay ng mga naka-charge na particle sa pamamagitan ng enerhiya, na kinabibilangan ng pagbuo ng pinaghalong mga charged na particle sa pamamagitan ng ionization, paghila ng pinaghalong mga charged na particle sa pamamagitan ng electric field, paghihiwalay ng mga charged na particle sa pamamagitan ng paglalapat ng electric field at centrifugal force na kumikilos sa charged particle habang sila ay gumagalaw. kasama ang isang trajectory ng arko, at pagtanggap ng mga pinaghiwalay na sisingilin na mga particle, na nailalarawan sa na ang paghihiwalay ng mga sisingilin na mga particle ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagkilos ng puwersa ng mga hadlang sa kuryente na may bumababa na taas ng bawat hadlang sa cross section alinsunod sa pagtaas sa radii ng mga orbit ng mga particle na may mataas na enerhiya na sisingilin sa panahon ng paglipat mula sa mas maliliit na orbit patungo sa mas malalaking orbit, kapag pinapalitan ang ilang mga hadlang sa iba, o kapag binabago ang hugis ng mga hadlang, o kapag binabago ang posisyon ng mga electrical barrier depende sa enerhiya ng mga nakahiwalay na mga particle na may charge .

Hayaang lumipad ang isang particle ng mass m at charge e nang may bilis na v papunta sa electric field ng flat capacitor. Ang haba ng kapasitor ay x, ang lakas ng patlang ay E. Ang paglipat pataas sa electric field, ang electron ay lilipad sa kapasitor kasama ang isang curvilinear trajectory at lilipad mula dito, na lumilihis mula sa orihinal na direksyon sa pamamagitan ng y. Sa ilalim ng pagkilos ng puwersa ng patlang, F = eE = ma, ang particle ay gumagalaw nang may pagbilis sa kahabaan ng patayo, samakatuwid . Ang oras ng paggalaw ng butil kasama ang x-axis na may pare-parehong bilis. Pagkatapos . At ito ang equation ng isang parabola. yun. Ang isang sisingilin na particle ay gumagalaw sa isang electric field kasama ang isang parabola.

3. Paggalaw ng mga sisingilin na particle sa isang magnetic field.

Isaalang-alang ang paggalaw ng isang sisingilin na particle sa isang magnetic field ng lakas H. Ang mga linya ng field ay ipinapakita bilang mga tuldok at nakadirekta patayo sa eroplano ng figure (sa amin).

Ang gumagalaw na sisingilin na particle ay isang electric current. Samakatuwid, pinalihis ng magnetic field ang particle pataas mula sa orihinal na direksyon ng paggalaw nito (ang direksyon ng paggalaw ng electron ay kabaligtaran sa direksyon ng kasalukuyang)

Ayon sa pormula ng Ampère, ang puwersa na nagpapalihis sa isang particle sa anumang bahagi ng trajectory ay , kasalukuyang , kung saan ang t ay ang oras kung kailan ang singil e ay dumadaan sa seksyon l. kaya lang . Isinasaalang-alang na , nakukuha namin

Ang puwersa F ay tinatawag na puwersa ng Lorentz. Ang mga direksyon F, v at H ay magkaparehong patayo. Maaaring matukoy ang direksyon ng F sa pamamagitan ng panuntunan sa kaliwang kamay.

Ang pagiging patayo sa bilis, ang Lorentz force ay nagbabago lamang sa direksyon ng bilis ng particle, nang hindi binabago ang magnitude ng bilis na ito. Ito ay sumusunod na:

1. Ang gawain ng puwersa ng Lorentz ay zero, i.e. ang isang pare-parehong magnetic field ay hindi gumagana sa isang sisingilin na particle na gumagalaw dito (hindi nagbabago sa kinetic energy ng particle).

Alalahanin na, hindi katulad ng magnetic field, binabago ng electric field ang enerhiya at bilis ng gumagalaw na particle.

2. Ang trajectory ng isang particle ay isang bilog kung saan ang particle ay hawak ng Lorentz force, na gumaganap ng papel ng isang centripetal force.

Ang radius r ng bilog na ito ay natutukoy sa pamamagitan ng equating ng Lorentz at centripetal forces:

saan .

yun. ang radius ng bilog kung saan gumagalaw ang particle ay proporsyonal sa bilis ng particle at inversely proportional sa lakas ng magnetic field.

Ang panahon ng rebolusyon ng particle T ay katumbas ng ratio ng circumference S sa bilis ng particle v: . Dahil sa expression para sa r, nakukuha natin ang . Dahil dito, ang panahon ng rebolusyon ng isang particle sa isang magnetic field ay hindi nakasalalay sa bilis nito.

Kung ang isang magnetic field ay nilikha sa espasyo kung saan ang isang sisingilin na particle ay gumagalaw, na nakadirekta sa isang anggulo sa bilis nito, kung gayon ang karagdagang paggalaw ng particle ay magiging isang geometric na kabuuan ng dalawang magkasabay na paggalaw: pag-ikot sa isang bilog na may bilis sa isang eroplanong patayo sa mga linya ng puwersa, at paggalaw sa kahabaan ng field na may bilis . Malinaw, ang magreresultang trajectory ng particle ay isang helix.

4. Electromagnetic blood velocity counters.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang electromagnetic meter ay batay sa paggalaw ng mga singil sa kuryente sa isang magnetic field. Sa dugo mayroong isang malaking halaga ng mga singil sa kuryente sa anyo ng mga ions.

Ipagpalagay natin na ang isang tiyak na halaga ng singly charged ions ay gumagalaw sa loob ng arterya nang may bilis. Kung ang isang arterya ay inilagay sa pagitan ng mga pole ng isang magnet, ang mga ion ay lilipat sa magnetic field.

Para sa mga direksyon at B na ipinapakita sa Fig.1, ang magnetic force na kumikilos sa positively charged ions ay nakadirekta paitaas, at ang force na kumikilos sa negatively charged ions ay nakadirekta pababa. Sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersang ito, ang mga ion ay gumagalaw patungo sa tapat ng mga dingding ng arterya. Ang polarization na ito ng mga arterial ions ay lumilikha ng isang field E (Fig. 2), na katumbas ng unipormeng field ng isang flat capacitor. Pagkatapos ang potensyal na pagkakaiba sa arterya U na may diameter d ay nauugnay sa E sa pamamagitan ng formula. Ang electric field na ito, na kumikilos sa mga ion, ay lumilikha ng mga puwersang elektrikal at , ang direksyon nito ay kabaligtaran sa direksyon at , tulad ng ipinapakita sa Fig.2.

Sa mga eksperimento upang pag-aralan ang istraktura ng nuclei at ang mga mekanismo ng mga reaksyong nukleyar, halos palaging kinakailangan hindi lamang upang sukatin ang enerhiya ng mga particle, kundi pati na rin upang makilala ang mga ito. Habang tumataas ang enerhiya at masa ng mga particle ng pambobomba, ang bilang ng mga pagbubukas ng mga channel ng reaksyon ay tumataas, at, nang naaayon, nabuo ang hanay ng mga nuclei. Ang problema ng maaasahang pagkilala sa mga produkto ng reaksyon ay partikular na talamak sa pisika ng mabigat na ion. Isaalang-alang natin ang iba't ibang paraan ng pagkilala sa particle.

Pagkilala batay sa mga sukat ng tiyak na pagkalugi ng enerhiya at kabuuang enerhiya (ΔE-E method)

Ang pamamaraang ito ay ang pangunahing isa sa pag-aaral ng mga reaksyon na may mga light ions (1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He). Gumagamit ito ng detektor teleskopyo na binubuo ng manipis na transverse detector ΔE at kabuuang energy absorption detector E. germanium HpGe) Pagkawala ng enerhiya sa ΔE detector

kung saan ang k ay isang coefficient na independiyente sa mass number A at charge Z ng particle. Ang AZ 2 ay tinatawag na parameter ng pagkakakilanlan. Ang halaga ng signal ΔE - channel ay proporsyonal sa kAZ 2 /E, E-channel - E - kAZ 2 /E. Sa ΔE -E plane, ang pamamahagi ay ipinapakita ng isang pamilya ng hyperbolas, na ang bawat isa ay tumutugma sa isang particle (nuclide) na may isang tiyak na numero ng masa at singil (tingnan ang Fig. 1). Tinutukoy ng kapal ng penetration detector ang ibaba at itaas na mga limitasyon ng sinusukat na hanay ng enerhiya para sa isang partikular na nuclide. Kung ang enerhiya ay mababa, kung gayon ang butil ay mag-iiwan ng halos lahat ng enerhiya sa detektor ng pagbubutas, at ang signal mula sa kabuuang detektor ng pagsipsip ay magiging maliit at "malunod" sa ingay. Kung ang enerhiya ay mataas, vice versa. Sa pang-eksperimentong ΔE -E na mga pamamahagi, ang mga hyperbola ay malabo. Sa fig. Ipinapakita ng 2 kung paano humigit-kumulang ang hitsura ng mga projection sa ΔE axis ng cross section ng enerhiya sa E-channel. Ang lapad ng pamamahagi ay tinutukoy hindi lamang ng ingay ng mga detector at electronics, kundi pati na rin ng iba pang mga kadahilanan, kabilang ang mga sumusunod:

Mga pagbabago sa pagkawala ng istatistika sa mga manipis na detector.
Ang inhomogeneity ng kapal ng ΔE detector, na humahantong sa isang pagkalat sa mga pagkawala ng enerhiya sa loob nito at sa E detector.
Pagkalat ng mga saklaw at pagkawala ng enerhiya sa mga patay na layer ng mga detektor.
Pagbabago sa magnitude ng singil. Ang average na singil ng ion Zeff kapag dumadaan sa ΔE detector ay tumutugma sa atomic number Z para lamang sa pinakamagagaan na mga ion. Habang tumataas ang Z at/o bumababa ang enerhiya, tataas ang pagkakaiba sa pagitan ng Z at Z eff. Para sa mga mabibigat na ion, ang impluwensya ng epektong ito sa paglutas ay maaaring kapansin-pansing mas malaki kaysa sa impluwensya ng pagbabagu-bago ng pagkawala ng istatistika.

Kung mas mabigat ang mga ion, mas nililimitahan ng mga salik na ito ang mga posibilidad ng pamamaraang ΔE -E. Kamag-anak na pagbabago sa parameter ng pagkakakilanlan para sa dalawang magkalapit na isotopes ng isang ibinigay na elemento
Δ A/A para sa mga proton ay 1, para sa 20 Ne - 0.05, para sa argon isotopes - 0.025, at para sa xenon isotopes -<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.
Habang tumataas ang atomic number, maaaring lumitaw ang isang sitwasyon kapag ang neutron-rich isotopes ng element Z at neutron-deficient isotopes ng element Z+1 ay magkakaroon ng malapit na mga parameter ng pagkakakilanlan.
Nililimitahan ng lahat ng mga salik na ito ang applicability ng ΔE -E method para sa mga ion na may mass number na A na mas malaki sa ~20. Ang Z resolution ay dalawang beses na mas mahusay kaysa sa A resolution.

Sa fig. 3. nagpapakita ng isang huwarang block diagram ng electronics para sa pagkilala sa particle sa pamamagitan ng ΔE-E na pamamaraan.

Ang ΔE- at E-channel ay magkapareho. Mula sa isa sa mga output ng spectrometric amplifier, kinuha ang isang bipolar signal, na ibinibigay sa isang pansamantalang single-channel analyzer. Nagsisilbi itong i-highlight ang nais na hanay ng amplitude (enerhiya) at upang makakuha ng timestamp. Sa kasong ito, ito ay nakuha gamit ang bipolar signal zero binding method. Ang mga signal mula sa mga nag-time na single-channel analyzer ay ipinapadala sa isang coincidence circuit na kumokontrol sa mga gate ng linya. Kaya, pinapayagan lamang ng gate ng linya ang mga signal na nasa hanay ng enerhiya ng interes at tugma sa loob ng oras ng paglutas. Ang mga signal mula sa mga linear gate ay papunta sa ADC at pagkatapos ay sa 2D analysis system. Ngayon ay maaari nating ihiwalay ang mga rehiyon ng dalawang-dimensional na spectrum na naaayon sa ilang mga particle at i-proyekto ang rehiyong ito sa E axis, sa gayon ay makuha ang amplitude (enerhiya) spectra para sa mga indibidwal na particle. Sa spectra na nakuha sa ganitong paraan, ang pag-asa sa pagitan ng enerhiya ng particle E at ng channel number n ay nonlinear, dahil hindi lahat ng enerhiya E ay naitala sa E channel, ngunit ang natitirang enerhiya lamang pagkatapos na dumaan sa Δ E- detektor at n ay proporsyonal sa enerhiya na ito,

n=k.

(3)

Ang pagwawasto ng pagkawala sa ΔE detector ay madaling gawin gamit ang mga partikular na talahanayan ng pagkawala.
Upang mapataas ang hanay ng enerhiya at mga nakitang particle, halimbawa, kung ito ay kanais-nais na sabay-sabay na i-record ang spectra ng 1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He sa isang malawak na hanay ng enerhiya, maaari kang gumamit ng teleskopyo ng tatlong detektor. manipis na ΔE 1 , mas makapal na ΔE 2 at E Pagkatapos, para sa mababang enerhiya at/o mas mabibigat na particle, ang ΔE 1 detector ay magsisilbing penetration detector, at ang kabuuang pagsipsip ay magaganap sa ΔE + E detector. 2, at ang kabuuang pagsipsip ay mangyari sa detector E.

Pagkilala batay sa mga sukat ng enerhiya at oras ng paglipad (E-t method)

Ang paraan ng oras-ng-paglipad ay ang pangunahing isa para sa pagsukat ng mga pamamahagi ng enerhiya ng mga neutron. Ginagamit ang detektor sa kasong ito upang makakuha lamang ng impormasyon tungkol sa oras kung kailan ito tinamaan ng neutron. Sa kaso ng mga naka-charge na particle, walang mga problema sa pagkuha ng impormasyon ng enerhiya mula sa detector. Para sa mga nonrelativistic na particle, ang oras ng paglipad ay nauugnay sa kinetic energy sa pamamagitan ng kaugnayan

(4)

kung saan ang t f ay ang oras ng paglipad sa nanoseconds, ang d ay ang flight base sa metro, A ay ang mass number ng particle sa atomic mass units, E ang kinetic energy ng particle sa MeV. Kaya, sa pamamagitan ng sabay-sabay na pagsukat ng enerhiya at oras ng paglipad, posibleng makilala ang mga particle sa pamamagitan ng kanilang masa sa pamamagitan ng pagsukat ng dalawang-dimensional na pamamahagi ng enerhiya - oras ng paglipad. Ang mga ion na may malapit na masa ngunit magkaibang mga singil ay natural na hindi mag-iiba.
Ang mass resolution ng E-t method kapag gumagamit ng semiconductor detector ay halos ganap na tinutukoy ng time resolution

Na may Gaussian distribution at ΔА = 0.59 a.m.u. 95% ng mga particle ay irerehistro sa tamang mass interval. Sa mesa. Ipinapakita ng Figure 1 ang mga mass resolution na kinakalkula ng formula (6) para sa iba't ibang energies at mass number para sa isang setup na may flight path na 1 m at isang time resolution na 1 ns.

Talahanayan 1. Mass resolution para sa mga particle ng iba't ibang energies at masa.

Pangkalahatang numero, a.u.m.	Enerhiya, MeV
Pangkalahatang numero, a.u.m.	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

Sa fig. Ang 6 ay nagpapakita ng block diagram ng electronics na maaaring gamitin para sa E-t identification.

Ang mga pulso ng detector ay ipinapasok sa isang preamplifier na sensitibo sa pagsingil. Mula sa charge-sensitive na preamplifier, ang mga signal ay ibinibigay sa parehong mabilis at spectrometric amplifier. Ang mga signal mula sa mabilis na amplifier ay ipinadala sa mabilis na discriminator, na ginagamit para sa timing. Ang mga karaniwang signal ng timing mula sa mabilis na discriminator ay ibinibigay sa start input ng VAC a. Ang stop input ay tumatanggap ng mga signal mula sa isa pang mabilis na discriminator, na bumubuo ng mga timing signal gamit ang periodic beam modulations (halimbawa, isang RF cyclotron). Ang mga pulso ng VAC, ang amplitude nito ay proporsyonal sa oras ng paglipad, ay ibinibigay sa ADC. Ang iba pang ADC ay tumatanggap ng mga signal mula sa spectrometric amplifier, ang amplitude nito ay proporsyonal sa enerhiya. Ang mga signal ng ADC ay pumapasok sa dalawang-dimensional na sistema ng pagsusuri, tulad ng sa Δ E-E na pamamaraan.
Ang resolution sa oras at, nang naaayon, sa masa ay maaaring mapabuti kumpara sa itinuturing na variant kung, sa halip na HF, isang manipis na pelikula na inilagay sa landas ng mga particle ay ginagamit para sa timing. Kapag dumaan ang mga particle sa pelikulang ito, ang mga pangalawang electron ay matatanggal dito at matutuklasan ng isang microchannel plate. Ang mga signal mula sa microchannel plate ay ipinapadala sa isang preamplifier na sensitibo sa pagsingil. Mula sa preamplifier hanggang sa mabilis na amplifier + mabilis na discriminator. Sa kasong ito, ang mga signal ng timing ng microchannel plate ay ipinapadala sa start input ng VAC, at mula sa particle detector, hanggang sa stop input.
Ang kumbinasyon ng mga pamamaraan ng E-t at Δ E-E ay nagbibigay-daan sa iyo na sumulong sa paghihiwalay ng mga nuclides sa Z hanggang ~28, at sa A hanggang ~60.

Pagkilala sa pamamagitan ng magnetic analysis

Mula sa magnetic analysis equation

kung saan ang A ay ang mass number ng ion, q ang singil nito, E ay ang kinetic energy ng ion, B ay ang magnetic field strength, R ay ang radius ng curvature ng ion sa isang magnetic field, sinusundan nito ang pag-aayos ng B at R sa isang magnetic spectrometer at sabay na sinusukat ang kinetic energy E, posibleng matukoy ang ratio ng mass number sa square ng ionic charge, i.e. gumawa ng pagkakakilanlan.
Ang kawalan ng naturang sistema ay ang mababang kahusayan nito. Ang mga particle mula sa isang napakakitid na hanay ng enerhiya ay pumapasok sa detektor. Upang maalis ang buong spectrum, kinakailangan na paulit-ulit na baguhin ang lakas ng magnetic field. Ang pagkukulang na ito ay maaaring bahagyang malampasan sa pamamagitan ng paglalagay ng mga detektor na sensitibo sa posisyon sa focal plane. Ang isa pang kawalan ay walang paghihiwalay ng mga isotopes na may katulad na halaga ng A/q 2 , tulad ng mga isobar ng mga kalapit na elemento na nasa parehong estado ng singil.
Ang pagkukulang na ito ay maaaring malampasan sa pamamagitan ng pagsasama ng magnetic analysis sa ΔE-E na pamamaraan. Ang pagkabulok sa mga isobar na may parehong mga ionic na estado ay tinanggal dito, dahil ang halaga ng tiyak na ionization ay hindi nakasalalay sa ionic charge, ngunit sa average na singil ng ion Z eff.

Pagsasama-sama ng Mga Paraan ng Pagkilala

Para sa maaasahang pagkakakilanlan ng mga nuclides sa isang malawak na hanay ng mga mass number A at atomic number Z, ang mga pasilidad ay nilikha na gumagamit ng lahat ng tatlong paraan ng pagkakakilanlan. Isinulat namin ang mga equation ng pagkakakilanlan sa sumusunod na form

Gamit ang Bragg Curve para sa Particle Identification

Ang curve ng dependence ng mga tiyak na pagkawala ng enerhiya ng ionization sa landas (Bragg curve) ay isang "visiting card" para sa isang sisingilin na particle. Noong unang bahagi ng 80s, iminungkahi na gamitin ito para sa pagkilala sa butil. Upang ipatupad ang ideyang ito, nilikha ang naaangkop na mga silid ng ionization.
Ginagawang posible ng mga sukat ng Bragg curve sa isang gaseous medium na makuha ang mga sumusunod na katangian ng isang particle: ang enerhiya nito E, range R, specific loss dE/dx, at ang amplitude ng Bragg peak A BP (specific loss at the maximum of ang kurba ng Bragg). Mayroong dalawang paraan upang matukoy ang mga particle batay sa mga sukat ng mga katangian ng Bragg curve. Sa una ang tilapon ng butil ay patayo sa mga electrodes ng ionization chamber, sa pangalawa ito ay parallel.

Pagkilala sa mga particle gamit ang isang ionization chamber na may mga electrodes na patayo sa tilapon ng particle
Bragg Curve Spectroscopy (BCS)

kanin. 9. Mga scheme ng ionization chamber at ang BCS method.

Sa fig. Ang 9 ay nagpapakita ng isang diagram ng isang silid ng ionization na may mga electrodes na patayo sa tilapon ng particle. Ang distansya sa pagitan ng cathode at ng Frisch grid ay mas malaki kaysa sa maximum na hanay ng mga natukoy na particle, ang distansya sa pagitan ng Frisch grid at ng anode ay mas mababa sa minimum na hanay ng mga natukoy na particle. Ang mga particle na makikita ay pumapasok sa isang silid na puno ng gas sa pamamagitan ng isang manipis na bintana ng pumapasok. ( Ang entrance window ay isang manipis na plastic film na matatagpuan mas malapit hangga't maaari sa katod, ang katod sa kasong ito ay isang grid. Ang katod o bahagi nito ay maaaring gawin ng isang metallized na pelikula, pagkatapos ay sabay-sabay itong magsisilbing entrance window.) Ang isang naka-charge na particle ay nagdudulot ng gas ionization. Ang pamamahagi ng density ng elektron sa kahabaan ng particle track ay tumutugma sa Bragg curve. Ang mga electron na nabuo bilang resulta ng ionization ay gumagalaw sa isang pare-parehong bilis sa isang pare-parehong electric field patungo sa Frisch grid. ( Ang homogeneity ng electric field ay sinisiguro ng bumubuo ng mga electrodes, ang boltahe na kung saan ay ibinibigay mula sa isang boltahe divider.) Pinoprotektahan ng Frisch grid ang anode mula sa mga singil na nasa pagitan nito at ng katod. ( Upang maiwasan ang koleksyon ng mga electron sa Frisch grid, ang electric field sa pagitan ng grid at anode ay dapat na mas malaki kaysa sa pagitan ng cathode at grid.) Kaya, ang singil na nakolekta sa anode ay tinutukoy lamang ng mga electron na gumagalaw sa pagitan ng Frisch grid at ng anode. Nangangahulugan ito na ang hugis ng kasalukuyang signal sa anode ay isang salamin na salamin ng Bragg curve. Parehong analog at digital na pagpoproseso ng signal ay ginagamit upang kunin ang kapaki-pakinabang na impormasyong nilalaman ng kasalukuyang signal mula sa anode.

Sa pagpoproseso ng analog, ang signal mula sa anode ay pinapakain sa isang preamplifier na sensitibo sa pagsingil. Ang signal ay pinapakain mula sa preamplifier sa dalawang amplifier. Ang isa sa kanila ay may malaking oras na pare-pareho (~6-8 µs) upang ang buong signal ay pinagsama at ang amplitude ng output signal ay proporsyonal sa enerhiya ng particle. Ang isa pang amplifier ay may kapansin-pansing mas maliit na time constant, humigit-kumulang katumbas ng oras ng paglipad ng mga electron mula sa Bragg peak sa pagitan ng Frisch grid at ng anode (~0.1–0.5 µs), ang amplitude nito ay proporsyonal sa amplitude ng kasalukuyang signal A BP at, nang naaayon, sa singil ng ion. Ang mga ion na may iba't ibang enerhiya, ngunit may parehong singil, ay nakakaranas ng humigit-kumulang sa parehong partikular na pagkalugi sa rehiyon ng Bragg peak. Sa fig. 10 ay nagpapakita ng E-A BP distribution. Ang lugar A BP = const ay tinutukoy ng distansya sa pagitan ng Frisch grid at ang anode at, nang naaayon, ang pare-pareho ng oras ng amplifier na bumubuo ng mga circuit na nauugnay dito. Kapag ang hanay ng ion ay mas mababa sa distansyang ito, ang buong signal ay isinama sa parehong mga amplifier at nagiging imposible ang pagkakakilanlan.

Sa pagpoproseso ng digital na signal, ang mga mabilis na parallel na ADC ay ginagamit, na nagbibigay-daan sa pag-aayos ng hugis ng signal at pagkilala hindi lamang sa pamamagitan ng Z, kundi pati na rin ng mass number A, hindi bababa sa para sa mga light elements. Magagawa ito, halimbawa, gamit ang mga reference signal na nakuha para sa iba't ibang isotopes at paghahambing ng hugis ng sinusukat na signal sa mga reference (tingnan ang Fig. 11).

Ayon sa quantum mechanics, ang isang particle beam, tulad ng isang light beam, ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na haba ng daluyong. Kung mas malaki ang enerhiya ng mga particle, mas maikli ang wavelength na ito. At mas maikli ang wavelength, mas maliit ang mga bagay na maaaring maimbestigahan, ngunit mas malaki ang laki ng mga accelerator at mas kumplikado ang mga ito. Ang pagbuo ng pananaliksik sa microcosm ay nangangailangan ng mas malaking enerhiya ng probing beam. Ang mga unang pinagmumulan ng high-energy radiation ay mga natural na radioactive substance. Ngunit binigyan lamang nila ang mga mananaliksik ng limitadong hanay ng mga particle, intensity at energies. Noong 1930s, nagsimulang magtrabaho ang mga siyentipiko sa mga pag-install na maaaring makagawa ng mas magkakaibang mga beam. Sa kasalukuyan, may mga accelerator na ginagawang posible na makakuha ng anumang uri ng high-energy radiation. Kung, halimbawa, ang x-ray o gamma radiation ay kinakailangan, ang mga electron ay pinabilis, na pagkatapos ay naglalabas ng mga photon sa bremsstrahlung o synchrotron radiation na mga proseso. Ang mga neutron ay nabuo sa pamamagitan ng pagbomba sa isang angkop na target na may matinding sinag ng mga proton o deuteron.

Ang enerhiya ng mga nuclear particle ay sinusukat sa electron volts (eV). Ang electron volt ay ang enerhiyang nakukuha ng isang naka-charge na particle na nagdadala ng isang elementary charge (electron charge) kapag gumagalaw sa isang electric field sa pagitan ng dalawang puntos na may potensyal na pagkakaiba na 1 V. (1 eV "1.60219 × 10 -19 J.) Pinapayagan ng mga Accelerator makatanggap ng mga enerhiya sa hanay mula sa libo-libo hanggang ilang trilyon (10 12) electron volts - sa pinakamalaking accelerator sa mundo.

Upang matukoy ang mga bihirang proseso sa isang eksperimento, kailangang taasan ang ratio ng signal-to-noise. Nangangailangan ito ng higit at mas matinding pinagmumulan ng radiation. Ang pagputol gilid ng modernong teknolohiya ng accelerator ay tinutukoy ng dalawang pangunahing mga parameter - ang enerhiya at intensity ng particle beam.

Gumagamit ang mga modernong accelerator ng marami at magkakaibang uri ng teknolohiya: mga generator ng high-frequency, high-speed electronics at mga awtomatikong control system, kumplikadong diagnostic at control device, ultra-high vacuum na kagamitan, malakas na precision magnets (parehong "ordinaryo" at cryogenic) at kumplikadong pagkakahanay at mga sistema ng pangkabit.

Ang posibilidad ng paggamit ng mga high-frequency na electric field sa mahabang multistage accelerators ay batay sa katotohanan na ang naturang field ay nag-iiba hindi lamang sa oras, kundi pati na rin sa espasyo. Sa anumang sandali sa oras, ang lakas ng field ay nagbabago ng sinusoidally depende sa posisyon sa espasyo, i.e. ang distribusyon ng patlang sa kalawakan ay may anyo ng isang alon. At sa anumang punto sa espasyo, nagbabago ito ng sinusoidally sa oras. Samakatuwid, ang field maxima ay gumagalaw sa espasyo na may tinatawag na phase velocity. Dahil dito, ang mga particle ay maaaring gumalaw sa paraan na ang lokal na larangan ay nagpapabilis sa kanila sa lahat ng oras.

Sa mga linear accelerator system Ang mga high-frequency na field ay unang ginamit noong 1929, nang ang Norwegian engineer na si R. Wideröe ay nagpabilis ng mga ion sa isang maikling sistema ng mga pinagsamang high-frequency na resonator. Kung ang mga resonator ay idinisenyo sa paraang ang bilis ng phase ng field ay palaging katumbas ng bilis ng mga particle, kung gayon ang sinag ay patuloy na pinabilis sa panahon ng paggalaw nito sa accelerator. Ang paggalaw ng mga particle sa kasong ito ay katulad ng pag-slide ng isang surfer sa tuktok ng isang alon. Sa kasong ito, ang mga bilis ng mga proton o ion sa proseso ng pagpabilis ay maaaring tumaas nang malaki. Alinsunod dito, ang bilis ng yugto ng alon ay dapat ding tumaas v mga yugto. Kung ang mga electron ay maaaring iturok sa accelerator sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag Sa, pagkatapos sa mode na ito ang bilis ng phase ay halos pare-pareho: v mga yugto = c.

Ang isa pang diskarte na ginagawang posible upang maalis ang impluwensya ng pagbagal ng bahagi ng high-frequency na electric field ay batay sa paggamit ng isang metal na istraktura na sumasangga sa beam mula sa field sa panahon ng kalahating cycle na ito. Sa unang pagkakataon ang ganitong paraan ay inilapat ni E. Lawrence sa cyclotron; ginagamit din ito sa linear accelerator ni Alvarez. Ang huli ay isang mahabang vacuum tube na naglalaman ng isang bilang ng mga metal drift tubes. Ang bawat tubo ay konektado sa serye na may isang high-frequency generator sa pamamagitan ng isang mahabang linya, kung saan ang isang accelerating boltahe wave ay tumatakbo sa isang bilis na malapit sa bilis ng liwanag. Kaya, ang lahat ng tubes naman ay nasa ilalim ng mataas na boltahe. Ang isang sisingilin na particle na ibinubuga mula sa injector sa tamang sandali ng oras ay nagpapabilis sa direksyon ng unang tubo, na nakakakuha ng isang tiyak na enerhiya. Sa loob ng tubo na ito, ang maliit na butil ay naaanod - ito ay gumagalaw sa isang palaging bilis. Kung ang haba ng tubo ay napili nang tama, pagkatapos ay lalabas ito sa sandaling ang accelerating boltahe ay sumulong ng isang wavelength. Sa kasong ito, ang boltahe sa pangalawang tubo ay papabilis din at aabot sa daan-daang libong volts. Ang prosesong ito ay paulit-ulit nang maraming beses, at sa bawat yugto ang particle ay tumatanggap ng karagdagang enerhiya. Upang ang paggalaw ng mga particle ay kasabay ng pagbabago sa field, ang haba ng mga tubo ay dapat tumaas nang naaayon sa pagtaas ng kanilang bilis. Sa kalaunan ang bilis ng butil ay aabot sa bilis na napakalapit sa bilis ng liwanag, at ang paglilimita sa haba ng mga tubo ay magiging pare-pareho.

Ang mga spatial na pagbabago sa field ay nagpapataw ng mga paghihigpit sa temporal na istraktura ng beam. Ang accelerating field ay nagbabago sa loob ng isang bungkos ng mga particle ng anumang may hangganang haba. Dahil dito, ang haba ng bungkos ng mga particle ay dapat maliit kumpara sa wavelength ng accelerating high-frequency field. Kung hindi, ang mga particle ay mapapabilis nang iba sa loob ng bungkos. Ang masyadong malaking pagkalat ng enerhiya sa beam ay hindi lamang nagpapataas ng kahirapan sa pagtutok sa sinag dahil sa pagkakaroon ng chromatic aberration sa magnetic lenses, ngunit nililimitahan din ang mga posibilidad ng paggamit ng beam sa mga partikular na problema. Ang pagkalat ng enerhiya ay maaari ring humantong sa pag-smear ng grupo ng mga particle ng beam sa direksyon ng axial.

Isaalang-alang ang isang grupo ng mga nonrelativistic ions na gumagalaw na may paunang bilis v 0 . Ang mga longitudinal electric forces dahil sa space charge ay nagpapabilis sa ulo na bahagi ng beam at nagpapabagal sa bahagi ng buntot. Sa pamamagitan ng naaangkop na pag-synchronize ng bunch motion sa high-frequency field, posibleng makamit ang mas malaking acceleration ng buntot na bahagi ng bungkos kaysa sa bahagi ng ulo. Sa pamamagitan ng pagtutugma ng mga phase ng accelerating na boltahe at ng beam, posibleng makamit ang beam phasing, ibig sabihin, upang mabayaran ang dephasing na epekto ng space charge at pagkalat ng enerhiya. Bilang isang resulta, sa isang tiyak na hanay ng mga halaga ng gitnang bahagi ng bungkos, ang pagsentro at mga oscillations ng mga particle na nauugnay sa isang tiyak na yugto ng matatag na paggalaw ay sinusunod. Ang phenomenon na ito, na tinatawag na autophasing, ay lubhang mahalaga para sa mga linear ion accelerators at modernong cyclic electron at ion accelerators. Sa kasamaang palad, ang autophasing ay nakakamit sa halaga ng pagbabawas ng accelerator duty cycle sa mga halaga na mas mababa kaysa sa pagkakaisa.

Sa panahon ng acceleration, halos lahat ng beam ay nagpapakita ng posibilidad na tumaas ang radius para sa dalawang dahilan: dahil sa mutual electrostatic repulsion ng mga particle at dahil sa pagkalat ng transverse (thermal) velocities. Ang unang trend ay humihina sa pagtaas ng bilis ng beam, dahil ang magnetic field na nilikha ng beam current ay pinipiga ang beam at, sa kaso ng relativistic beam, halos mabayaran ang defocusing effect ng space charge sa radial na direksyon. Samakatuwid, ang epekto na ito ay napakahalaga sa kaso ng ion accelerators, ngunit halos hindi gaanong mahalaga para sa mga electron accelerators, kung saan ang sinag ay na-injected sa relativistic velocities. Ang pangalawang epekto, na may kaugnayan sa beam emittance, ay mahalaga para sa lahat ng mga accelerator.

Posibleng panatilihin ang mga particle malapit sa axis gamit ang quadrupole magnets. Totoo, ang isang solong quadrupole magnet, na tumutuon sa mga particle sa isa sa mga eroplano, ay nagde-defocus sa mga ito sa isa pa. Ngunit ang prinsipyo ng "malakas na pagtutok" na natuklasan nina E. Courant, S. Livingston at H. Snyder ay nakakatulong dito: isang sistema ng dalawang quadrupole magnet na pinaghihiwalay ng isang span, na may alternating focus at defocusing na mga eroplano, sa huli ay tinitiyak ang pagtutok sa lahat ng eroplano.

Ginagamit pa rin ang mga drift tube proton linear accelerators, kung saan tumataas ang enerhiya ng beam mula sa ilang megaelectronvolts hanggang humigit-kumulang 100 MeV. Ang mga unang electron linear accelerators, gaya ng 1 GeV accelerator na binuo sa Stanford University (USA), ay gumamit din ng mga drift tube na may pare-parehong haba, dahil ang beam ay na-injected sa isang enerhiya ng order na 1 MeV. Higit pang mga modernong electron linear accelerators, ang pinakamalaking kung saan ay ang 3.2 km 50 GeV accelerator na itinayo sa Stanford Linear Accelerator Center, ay gumagamit ng prinsipyo ng "electron surfing" sa isang electromagnetic wave, na nagpapahintulot sa pagpapabilis ng beam na may pagtaas ng enerhiya na halos 20 MeV bawat metro ng accelerating system. Sa accelerator na ito, ang high-frequency na kapangyarihan sa dalas na humigit-kumulang 3 GHz ay nabuo ng malalaking electrovacuum device - klystrons.

Ang pinakamataas na enerhiya na proton linac ay itinayo sa Losamos National Laboratory sa NY. New Mexico (USA) bilang isang "pabrika ng meson" para sa paggawa ng matinding beam ng mga pions at muon. Ang mga cavity ng tanso nito ay lumilikha ng isang accelerating field ng order na 2 MeV/m, dahil sa kung saan ito ay gumagawa ng hanggang 1 mA ng mga proton na may enerhiya na 800 MeV sa isang pulsed beam.

Upang mapabilis hindi lamang ang mga proton, kundi pati na rin ang mga mabibigat na ion, ang mga superconducting high-frequency system ay binuo. Ang pinakamalaking superconducting proton linac ay nagsisilbing injector ng HERA colliding beam accelerator sa German Electron Synchrotron (DESY) laboratoryo sa Hamburg, Germany.

CYCLIC ACCELERATORS

Ang mga electronic synchrotron ay nakabatay sa parehong mga prinsipyo gaya ng mga proton synchrotron. Gayunpaman, dahil sa isang mahalagang tampok, ang mga ito ay teknikal na mas simple. Ang liit ng masa ng elektron ay nagpapahintulot sa sinag na ma-injected sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag. Samakatuwid, ang karagdagang pagtaas sa enerhiya ay hindi nauugnay sa isang kapansin-pansing pagtaas sa bilis, at ang mga electron synchrotron ay maaaring gumana sa isang nakapirming dalas ng accelerating boltahe kung ang sinag ay na-injected ng isang enerhiya na humigit-kumulang 10 MeV.

Gayunpaman, ang kalamangan na ito ay tinanggihan ng isa pang kinahinatnan ng liit ng masa ng elektron. Dahil ang elektron ay gumagalaw sa isang pabilog na orbit, ito ay gumagalaw nang may acceleration (centripetal), at samakatuwid ay naglalabas ng mga photon - radiation, na tinatawag na synchrotron. kapangyarihan R Ang synchrotron radiation ay proporsyonal sa ikaapat na kapangyarihan ng enerhiya ng sinag E at kasalukuyang ako, at inversely proportional din sa radius ng ring R, upang ito ay proporsyonal sa ( E/m) 4 IR-isa. Ang enerhiya na ito, na nawala sa bawat rebolusyon ng electron beam sa kahabaan ng orbit, ay dapat mabayaran ng mataas na dalas na boltahe na ibinibigay sa mga accelerating gaps. Sa "mga pabrika ng lasa" na idinisenyo para sa mataas na intensity, ang mga pagkawala ng kuryente ay maaaring umabot ng sampu-sampung megawatts.

Ang mga cyclic accelerators tulad ng mga electron synchrotron ay maaari ding gamitin bilang mga accumulator ng malalaking circulating current na may pare-parehong mataas na enerhiya. Ang mga naturang storage ring ay may dalawang pangunahing aplikasyon: 1) sa mga pag-aaral ng nuclei at elementarya na mga particle sa pamamagitan ng colliding beam method, gaya ng nabanggit sa itaas, at 2) bilang mga pinagmumulan ng synchrotron radiation na ginagamit sa atomic physics, materials science, chemistry, biology, at medicine.

Ang average na enerhiya ng photon ng synchrotron radiation ay proporsyonal sa ( E/m) 3 R-isa. Kaya, ang mga electron na may enerhiya ng pagkakasunud-sunod ng 1 GeV na nagpapalipat-lipat sa singsing ng imbakan ay naglalabas ng matinding synchrotron radiation sa mga saklaw ng ultraviolet at X-ray. Karamihan sa mga photon ay ibinubuga sa loob ng isang makitid na patayong anggulo ng pagkakasunud-sunod m/E. Dahil ang radius ng mga electron beam sa mga modernong singsing na imbakan na may enerhiya ng pagkakasunud-sunod ng 1 GeV ay sinusukat sa sampu-sampung micrometer, ang mga X-ray beam na ibinubuga ng mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na ningning, at samakatuwid ay maaaring magsilbing isang makapangyarihang tool para sa pag-aaral. ang istraktura ng bagay. Ang radiation ay ibinubuga nang tangential sa curvilinear trajectory ng mga electron. Samakatuwid, ang bawat deflecting magnet ng isang electron storage ring, kapag ang isang bungkos ng mga electron ay dumaan dito, ay lumilikha ng isang "spotlight" ng radiation. Ito ay output sa pamamagitan ng mahabang vacuum channels padaplis sa pangunahing vacuum chamber ng storage ring. Ang mga slit at collimator na matatagpuan sa kahabaan ng mga channel na ito ay bumubuo ng mga makitid na beam, kung saan ang kinakailangang hanay ng enerhiya ng X-ray ay higit na pinaghihiwalay gamit ang mga monochromator.

Ang mga unang pinagmumulan ng synchrotron radiation ay mga pasilidad na orihinal na itinayo upang malutas ang mga problema sa high-energy physics. Ang isang halimbawa ay ang Stanford 3 GeV positron-electron accumulator sa Stanford Synchrotron Radiation Laboratory. Sa isang pagkakataon, ang mga "charmed" na meson ay natuklasan sa pasilidad na ito.

Ang mga unang pinagmumulan ng synchrotron radiation ay walang kakayahang umangkop upang matugunan ang iba't ibang pangangailangan ng daan-daang user. Ang mabilis na paglaki ng demand para sa high flux, high beam intensity synchrotron radiation ay nagbunga ng pangalawang henerasyong mga mapagkukunan na idinisenyo upang matugunan ang mga pangangailangan ng lahat ng posibleng user. Sa partikular, pinili ang mga sistema ng magnet na nagbabawas sa paglabas ng electron beam. Ang maliit na emittance ay nangangahulugan ng mas maliit na laki ng beam at samakatuwid ay mas mataas na liwanag ng pinagmulan ng radiation. Ang mga karaniwang kinatawan ng henerasyong ito ay ang mga storage ring sa Brookhaven, na nagsilbing mga mapagkukunan ng X-ray at radiation sa vacuum ultraviolet na rehiyon ng spectrum.

Ang liwanag ng radiation ay maaari ding tumaas sa pamamagitan ng paggawa ng beam na gumagalaw sa isang sinusoidal path sa isang periodic magnetic structure at pagkatapos ay pagsasama-sama ang radiation na nangyayari sa bawat liko. Undulators - mga magnetic na istruktura na nagbibigay ng gayong paggalaw, ay isang serye ng mga magnetic dipoles na nagpapalihis sa sinag sa isang maliit na anggulo, na matatagpuan sa isang tuwid na linya sa axis ng beam. Ang liwanag ng radiation ng naturang undulator ay maaaring daan-daang beses na mas mataas kaysa sa ningning ng radiation na nangyayari sa mga nagpapalihis na magnet.

Noong kalagitnaan ng 1980s, nagsimulang malikha ang mga third-generation synchrotron radiation na may malaking bilang ng mga undulators. Kabilang sa mga unang pinagmumulan ng ikatlong henerasyon ay ang 1.5 GeV Improved Light Source sa Berkeley, na bumubuo ng malambot na X-ray, pati na rin ang 6 GeV Improved Photon Source sa Argonne National Laboratory (USA) at ang 6 GeV synchrotron. sa European Synchrotron Radiation Center sa Grenoble (France), na ginagamit bilang hard X-ray source. Matapos ang matagumpay na pagtatayo ng mga pag-install na ito, ang isang bilang ng mga mapagkukunan ng synchrotron radiation ay nilikha din sa ibang mga lugar.

Ang paggamit ng synchrotron radiation sa siyentipikong pananaliksik ay naging laganap at patuloy na lumalawak. Ang pambihirang liwanag ng naturang X-ray beam ay ginagawang posible na lumikha ng isang bagong henerasyon ng X-ray microscope para sa pag-aaral ng mga biological system sa kanilang normal na kapaligiran sa tubig. Binubuksan nito ang posibilidad ng mabilis na pagsusuri ng istraktura ng mga virus at protina para sa pagbuo ng mga bagong parmasyutiko na may makitid na pagtuon sa mga kadahilanan na nagdudulot ng sakit at kaunting epekto. Ang mga maliliwanag na sinag ng X-ray ay maaaring magsilbi bilang makapangyarihang microprobes upang makita kahit ang pinakamaliit na halaga ng mga impurities at contaminants. Ginagawa nilang posible na napakabilis na pag-aralan ang mga sample ng kapaligiran sa pag-aaral ng mga landas ng polusyon sa kapaligiran. Magagamit din ang mga ito upang suriin ang kalinisan ng malalaking silicon wafer bago ang magastos na paggawa ng napakakomplikadong integrated circuit, at nagbubukas sila ng mga bagong tanawin para sa pamamaraan ng litograpiya, na nagbibigay-daan sa prinsipyo ng paggawa ng mga integrated circuit na may mga elementong mas maliit sa 100 nm.

LABORATORY IM. E. FERMI malapit sa Batavia (USA). Ang circumference ng "Main Ring" ng accelerator ay 6.3 km. Ang singsing ay matatagpuan sa lalim na 9 m sa ilalim ng bilog sa gitna ng imahe.

Portal para sa mag-aaral. Pagsasanay sa sarili