Зарядталған бөлшектердің үдеткіші

Презентация қосу

Семей қаласының Шәкәрім атындағы мемлекеттік университеті

ЗАРЯДТАЛҒАН БӨЛШЕКТЕРДІҢ ҮДЕТКІШІ

ОРЫНДАҒАН:СМАГУЛОВА Л.Ж
ТЕКСЕРГЕН:РАХИМБЕРДИНА А.Т
Түйінді сөздер: термоядролық синтез, импульстік жүйе,
плазманың диэлектрлік функцияы, химиялық потенциал,
хаостық фаза жуықтауы, тежеулік қабілет, иондық ағын,
электромагниттік өзара әсерлесу, бөлшектің энергия жоғалту
функциясы.
Жұмыстың мақсаты: Жуықтау әдістерін
қолданып, плазманың диэлектрлік функциясын анықтау. Осы
диэлектрлік функцияны пайдалана отырып, ион ағынының
энергия жоғалту функциясын анықтау. Анықталған энергия
жоғалту функциясын пайдаланып плазмалық ортаның тежеулік
қабілетін анықтау. Және де сандық есептеуге арналған кодты
әр түрлі жуықтау әдістеріне қолдануға жарайтындай әмбебап
түрге дейін кемелдендіру.
Зерттеу құралдары:
С++ программалау тілі және Mathematica 9.0 программа пакеті
МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ
1 Плазма параметрлері
1.1 Заттың плазма күйінің анықтамасы және негізгі сипаттамалары
2 Плазманың тежегіштікік қабілеті
2.1 Зарядталған бөлшектің иондық жоғалу энергиясы
2.2 Термоядролық синтез
2.3 Зарядталған бөлшектер үдеткіші
3 Есептеулер бөлім
3.2 Есептеулер бойынша тұрғызылған графиктері
Қортынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
Кіріспе
Техникалық прогресс адамзат өркениетін біраз шыңдар ға шығарып,
қоғамдық өмірге бірқыдыру жақсартулар енгізіп, халықтың тұрмыс
қиыншылықтарын шешіп, өмір сүру жолын оңайлатты. Дегенмен,
осының салдарынан адамзаттың энергетикаға тәуелділігі пайда болды.
Адамзаттың экологиялық таза және мәңгілік энергия көзін алу ға деген
талпынысының нәтижесінде, өткен ғасырдың 50 жылдары, сутегі
бомбасы жарылу кезіндегі синтез реакциясын бас қару негізінде
термоядролық реактор салу идеясы ұсынылғаннан бастап, осызаман ғы
плазма физикасының негізі қаланды. 1952 ж әне 1953 жылдары АҚШ-да
және КСРО-да алғашқы сутегі бомбасының сынақ жарылысы бол ғаннан
кейін, синтез реакциясын әлемдік деңгейде жүзеге асыру бойынша ж ұмыс
басталды. Бұндай реакцияны іске асыру үшін, синтез реакциясына т үсетін
химиялық элементтерден тұратын затты бірнеше жүздеген миллион
градусқа дейін қыздыру керек. Сондықтан да, бұл реакцияны ыл ғида
термоядролық деп атайды. Бұндай жоғары температурада қандай зат
болсада сөзсіз плазма күйіне өтеді. Плазманы қыздыру және осындай
қызған плазманы ұстап тұру мәселесі – плазма физикасы саласында ғы
ғылыми зерттеу жұмыстарының тез дамуына түрткі болды.
Заттың плазма күйінің анықтамасы және негізгі
сипаттамалары
Плазма деп оң және теріс зарядталған бөлшектермен қатар нейтраль
бөлшектерден тұратын квазинейтраль жүйені айтамыз . Бұл терминді қолданыс қа
1929ж. Ленгмюр мен Тонкс зарядталған газ толтырылған электрондық лампаны
зерттеу барысында енгізген. Зарядталған бөлшектерден т ұратын кез-келген ж үйе
квазинейтралдық шартын қанағаттандыра бермейтінін айта кету керек.
Квазинейтарльдық шарты дегеніміз оң және теріс зарядтал ған б өлшектерді ң
көлемдік тығыздығы шамамен тең болуы (n-≈n+). Жүйенің квазинейтралдық
шартын қанағаттандыратын, әлде қанағаттандырмайтынын аны қтау үшін біз
плазманың күйін сипаттайтын бірнеше параметрлерді енгіземіз.
Дебай радиусы – зарядтардың кеңістік бойынша өзара ажырау масштабы. Ол
жүйенің кеңістік бойынша квазинейтраль болу шартын аны қтайды. Я ғни ж үйе
квазинейтарл болу үшін жүйе алып жатқан көлемнің орташа сызы қты қ өлшемі L
дебай радиусынан көп үлкен болуы керек (rd>>L).
Дебай радиусының мәні мына формуламен аны қталады:

. k BT
rd = 2
4πne
Жүйе уақыт бойынша квазинейтраль болу үшін қарастырып отыр ған процессті ң
өтуінің сипаттамалық уақыты ТН, кейде релаксация уақыты деп те аталады, τd –дан
көп үлкен болуы керек (τd<< ТН). Мұндағы τd – зарядтардың өздігінен ыдырауының
уақыт масштабы. Оның мәнін анықтау үшін дебай радиусын плазманы ң
сипаттамалық жылдамдығына бөлсек жеткілікті. Ал плазманы ң сипаттамалы қ
жылдамдығы ретінде электрондардың жылулық қозғалысын алу ға болады. Осыдан:

k BT me
vж = td =
me 4πne 2

τd-ға кері ωLe шамасын электрондар тербелісінің Ленгмюрлік жиілігі деп атайды.
Кейде плазмалық жиілік деп те атайды.
Осыларды қорта келе плазманы сипаттайтын негізгі параметрлер ретінде
консентрацияны nα , температураны Тα , дебай ұзындығын (дебай радиусы) rd және
плазма бөлшектерінің ленгмюрлік жиілігін айту ға болады. (α – с әйкес т үрде
электрон, ион немесе атомға уакілдік етеді.)
Плазманың тежегіштікік қабілеті
БТС-ді іске асыру барысында кездесетін ма ңызды мәселелерді ң бірі – плазманы
жеткілікті жоғары температураға дейін қыздыру.
Басқарылмалы термоядролық синтезді жүзеге асырудың екі принциптік схемасы бар.
Олар қазір іске асырылу үстінде:
1) Квазистационарлық жүйе ( ). Бұл жүйеде плазманы қыздыру ж әне
ұстап тұру магнит өрісі арtқ³ылы 1014 cm - 3 және салыстырмалы т үрде қысымы т өмен,
1с, n ³болады
температурасы жоғары болады.
2) Импульстік жүйе ( - 8 ). Бұндай жүйеде БТС дейтерий мен тритиі
t ~ 10 с, n >1022 cm - 3
бар кішкентай нысананы өтекүшті лазер шоқтары немесе жо ғары энергияда ғы
бөлшектер (иондар, электрондар) ағынының көмегімен қыс қа уа қытты қ қыздыру
арқылы жүзеге асырылады. Мұндай сәулелендіру өз кезегінде тізбекті термоядролы қ
микрожарылыстарды тудырады.
Бұл екі әдістің алғашқысы екіншісіне қарағанда жақсырақ дамыған және
зерттелген. Енді сол соңғы әдісті қарастырайық.
Бастапқыда плазманы қыздыру үшін қуатты импульстік лазерлер қолданыл ған
болатын, соңғы кезде зарядталған иондық ағын қолданыла бастады. Себебі, ионды қ
ағын арқылы плазманы лазерге қарағанда күштірек қыздыру ға болады.
Осындай, плазма мен онда қозғалған иондар ағынының өзара әсерлесуімен
байланысқан тәжірибелер плазмалық ортада ғы зарядтал ған б өлшектерді ң энергия
жоғалтуын анықтаудың плазманың тежеулік қабілеті деп аталатын жа ңа әдісін
жасауға қозғаушы күш берді.
Зариядталған бөлшектің иондық жоғалу энергиясы
Зарядталған бөлшектер зат арқылы өткенде Кулондық өзара әсерлесуді ң есебінен
электрондарда және атом ядроларында серпіліп шашырайды, сол кезде бөлшек өз
энергиясының бір бөлігін береді, негізінен иондық атомға таратады. Сонды қтан
бұл процесс Иондық жоғалу энергиясы деп аталады. Зарядталған Иондық жоғалу
энергиясы ғылымда және техникада елеулі маңызды роль атқарады. Жалпы
алғанда барлық бөлшектің энергиясы, егер бөлшек белгілі бір ортада қоз ғалатын
болса, онда сол ортада иондауға және қоздыруға энергиясын ж ұмсайды
(жоғалтады) Иондық жоғалу энергиясының шамасы ол тірі организмге иондаушы
сәуленің әсерін анықтайды. Ол қазіргі заманғы үдеткіштерде ж әне реакторларда
материал таңдауға, биологиялық қорғанысының размерін та ңдау ға ықпал етеді,
сондайақ рентген сәулелерімен және радиоктивті құрыл ғылармен ж ұмыс
істегенде де ықпалы өте зор.
Зариядталған бөлшекің сол ортадағы барлық электрондармен әсерлескенде
мынандай кинетикалық энергиясын жоғалтады

4p ne z 2e 2 dr
dE = 2
dx
mev r
Енді меншікті жоғалу энергиясы мына
формуламен анықтаймыз.

dE 4p ne z 2e 2 dr
(r ) =
dx mev 2 r
Егер орта арқылы өтетін бөлшектің
энаргиясы атомдағы байланыс энергиясынан
үлкен болса, онда бұл бөлшек үшін
меншікті жоғалу энергиясы Бете-Блоха
формуласымен анықталады

dE 4p ne Z 2e 4 2mec 2 b 2 2 2
- = 2
[ln - ln(1 - b ) - b ]
dx mev I
Термоядролық синтез
Термоядролық реакция (ядролық синтез реакциясы) – жеңіл атмдардың бірігіп
ауырлау атом ядроларына айналатын, ядролық реакцияның бір т үрі.
Атом ядроларында оң электрлік заряд болады. Бірақ, ара қашықтық артқанда,
ядро заряды электрондармен экрандалады. Ядролардың қосылуы үшін, оларды ң
аралығы күшті әсерлесу болатын қашықтыққа дейін жақындауы керек. Б ұл
аралық ядроның мөлшеріне шамалас, ал атом мөлшерінен әлде қайда кіші.
Бұндай аралықта атомның электрондық қабаты (әрине, олар са қталып қалса)
ендігәрі ядро зарядын экрандай алмайды, сондықтан, ядролар күшті
электростатикалық тебілуге ұшырайды. Кулон заңы бойынша б ұл тебілуді ң к үші
зарядтардың ара қашықтығының квадратына кері пропорционал. Ядро
өлшеміндей қашықтықта ядроларды қосуға тырысатын, күшті әсерлесу
күшінің шамасы тез өсе бастайды да, Кулондық тебілу күшінен үлкен м әнге ие
болады.
Осылай болғанда, реакцияға түсу үшін ядролар потенциалдық барьерді же ңіуі
керек. Мысалы, дейтерий-тритий реакциясы үшін бұл потенциалды қ барьерді ң
мәні шамамен 0,1МэВ. Сутегінің иондалу энергиясының 13эВ екендігін
ескерсек, термоядролық реакцияға түсуші зат толықтай иондалған плазма болып
табылады.
Зарядталған бөлшектер үдеткіші
Зарядталған бөлшектер үдеткіші – жоғары энергиялы зарядталған бөлшек
(элементар бөлшектер, иондар) алу ға арналған құрал түрі. Қазіргі к үнгі
үдеткіштер, кейбір жағдайларда, экономикасы мықты елдер де ж үзеге асыра
алмайтын, орасан үлкен және қымбат комплекс болып табылады. Мысалы, ЦЕРН-
дегі үлкен адрондық коллайдер ұзындығы 27 км-ге жуық ше ңбер т әрізді.
Үдеткіштің жұмыс істеу принципі зарядталған бөлшектерді ң электрлік ж әне
магниттік өрістермен өзара әсеріне негізделген. Электр өрісі б өлшекке тура
бағытта жұмыс атқарады, яғни, оның энергиясын арттырады. Ал магниттік өріс,
Лоренц күшін тудыра отырып, оны ауытқытады. Яғни оның энергиясын
өзгертпей, тек зарядталған бөлшекті бір орбитамен қоз ғалу ға м әжб үрлейді.
Құрылымына қарай үдеткіштерді үлкен екі топқа бөлуге болады: сызы қты қ
үдеткіштер – бөлшек ағыны үдеткіш аралықтардан бір рет қана өтеді; циклді
үдеткіштер – бөлшек ағыны тұйық қисық (мәселен, шеңбер) бойымен қозғала
отырып, үдеткіш аралықтардан көп рет өтеді. Сонымен қатар, үдеткіштерді
қолданылатын орнына қарай былай жіктеуге болады: коллайдерлер
(нейтрондардың өндіріушісі), бустерлер (синхрондалған сәулелену к өзі), ракты
емдеуге арналған қондырғылар және өндірістік үдеткіштер.
Зарядталған бөлшектердің үдеткіші - жоғ ары энергиялы зарядталғ ан
бөлшектерінің электр өрісінде үдету арқылы алуғ а арналғ ан құ рылғ ы.[1]
Fermilab үдеткіш орталығ ы, АҚШ.Теватрон мен айналым-инжектор.
Зарядты бөлшек үдеткіштері – электр өрісінде үдету арқылы энергиясы
жоғ ары зарядталғ ан бөлшектерді (электрондарды,протондарды, атом
ядроларын, иондарды, т.б.) алуғ а арналғ ан құрылғ ы. Зарядты бөлшек
ү деткіштерінде зарядталғ ан бөлшектер вакуумдық камера ішінде электр өрісінің
көмегімен үдетіледі. Ал магнит өрісі зарядталғ ан бөлшектердің қозғ алу
бағ ытын (жылдамдығ ының шамасын өзгертпей) ғ ана өзгертеді. Үдетуші электр
өрісі, әдетте, сыртқы құрылғ ы (генератор) көмегімен туғ ызылады. Сондай-ақ,
бөлшектер басқа зарядталғ ан бөлшектер өрісімен де үдетілуі мүмкін. Үдетілудің
мұндай тәсілі ұжымдық тәсіл деп аталады. Зарядты бөлшек үдеткіштерін
плазмалық үдеткіштен айыра білу керек. Плазмалық үдеткіште зарядталғ ан
бөлшектердің электрлік бейтарап түзілімдер ағ ыны үдетіледі. Зарядты бөлшек
ү деткіштері – қазіргі физиканың негізгі құралдарының бірі. Жоғ ары энергиялы
бөлшектер шоғ ы табиғ атты, элементар бөлшектердің қасиеттерін зерттеуде,
атом ядросы физикасы мен қатты дене физикасында, сондай-ақ, химия,
биофизика, геофизика саласында, қолданбалы мақсатта (дефектоскопия,
өнімдерді стерильдеу, сәулемен емдеу), т.б. қолданылады
1954 ж. Линдхард поляризациялық тежелумен орташа
(бойлық) диэлектрлік өтімділікті байланыстыратын өрнек
алды.

dE 2( Z p e) ¥ dk a +( k )
ò0 k ò0 w[- Imò (k ,w)]dw
-1
- = 2
dx pv

Төменде осы формула негізінде алынған тежеулік қабілеттің
ионның жылдамдығынан тәуелділік графигі келтірілген.
Қортынды
Сынақ зарядтың қозғалыс жылдамдығы аз болған кезде
ортаның иондық кіші жүйесі және бөлшектер аралық
әсерлесу потенциалындағы кванттық эффектілер тежелуге
үлкен үлес қосады. Осыған ұқсас нәтижелерді сызықты
диэлектрлік үндестік заңы арқылы да алуға болады. Бірақ
кулондық потенциалды және плазманың локальды өрісінің
динамикалық функциясын қолдану керек. Кванттық
эффектілерді есепке алған кезде плазмадағы протонның
тежелуінің артуы ортаның қума тербеліс жиілігінің артуымен
байланысты. Себебі, ол сынақ зарядтың аз жылдамдықпен
қозғалысы кезінде толқын тудыруына әкеледі және осыдан
тежелу артады.
• Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1 Архипов Ю.В., Баимбетов Ф.Б., Давлетов А.Е., Стариков
К.В. Псевдопотенциальная теория плотной,
высокотемпературной плазмы Алматы: Қазақ университеті,
2002 112 ст.
2 Соросовский образовательный журнал, №11, 1999
3 Архипов Ю.В., Баимбетов Ф.Б., Давлетов А.Е., Стариков
К.В. Потери энергии ионом при движении в плотной
высокотемпературной плазме Тезисы докладов 3-го
международного рабочего совещания "Организованные
структуры в открытых системах". – Алматы. – 2000. – С. 14.

Ұқсас жұмыстар

Мелликен - Иоффе тәжірибесі

Сутегі атомына

Электр қорғау құрылғылары оқу және оларды пайдалану ережелері

Атомның ядролық моделі

Электродинамика. Электр құбылыстары

Атом ядросы

Биохимияның зерттеу әдістері

Электр кернеуі. Электр кернеуінің бірліктері

Комплексті қосылыстардың биологиялық рөлі

Металдар мен электролитт ердегі электр тогы

Пәндер