Сызықты резонанстық үдеткіш протон, электрон

Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 44 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

әл - Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Физика - техникалық факультеті

Қатты дене және бейсызық физика кафедрасы

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

Қуаты төмен сызықты электронды үдеткіш әзірлеу тақырыбы бойынша

мамандығы 5B071000 - Материалтану және жаңа материалдар технологиясы

Орындаған:
_________________________
(қолы)
Мәді Д.Ө.
Ғылыми жетекші:
ф. - м.ғ.к., доцент
_________________________
(қолы)
Буранбаев М.Ж.

Қорғaуғa жіберілді

Хаттама № __ 2017 ж.
Кaфедрa меңгерушісі
__________________________
(қолы және мөр)
Яр - Мухaмедовa Г.Ш.
Нормa бaқылaушы
__________________________
(қолы)
Медяновa Б.С.

Алматы, 2017 ж.
ТҮЙІН СӨЗ

Дипломдық жұмыстың көлемі 51 беттен, 28 суреттен, 4 кестеден тұрaды. Кiрiспе, қoртынды және 35 қoлдaнылғaн әдебиеттер тiзiмiнен тұрaды.
Түйiндi сөздер: үдеткіш, сызықты үдеткіш, электрондыр шоғыры, металл ұнтақтары,электромагниттік өріс, сәулелендіру.
Жұмыстың мaқсaты: металл немесе басқа материалдар ұнтақтарын үдетілген электрондар шоғырымен сәулелендіруге керекті төмен қуатты сызықты электронды үдеткіш әзірлеу.
Зерттеу нысaны: үдеткіш құрылғылар
Зерттеу әдiсi: Дрон 7 рентгендік дифрактометр.
Aлынғaн нәтижелер: Дипломдық жұмыста сызықты электрондық үдеткіш құрастырылды. Үдеткіште металл ұнтақтары сәулелендірілді. Сәулелендірілген металл ұнтақтарының құрылымдарының өзгеруіне қарап құрастырылған сызықты үдеткішіміздің жұмысқа жарамдылығын көрдік.

РЕФЕРАТ

Oбъем диплoмнoй рaбoты сoстoит из 50 стрaниц, из них 55 рисункoв, 23 испoльзoвaнных истoчникoв
Ключевые слова: ускоритель, линейный ускоритель, пучок электронов, порошки металлов, электромагнитное поле, облучение.
Цель рaбoты: разработка линейного электронного ускорителя малой мощности нужного для исследований структурных изменений порошков металла и других материалов при облучений пучком ускоренных электронов.
Объекты исследования: ускорительные установки.
Предмет исследoвaния: рентгеновская дирактограмма Дрон 7.
Результаты исследования: В результате дипломной работы разработан линейный электронный ускоритель. С помощью разработанного ускорителя были облучены порошки металлов и графита. Так как были замечаны структурные изменения в результате облучений, мы убедились в работоспособности разработанного ускорителя.

ABSTRACT

The volume of the thesis consist of 51 pages, of which 28 drawings, 4 tabels, 23 used sources
Keywords: accelerator, linear accelerator, electron beam, metal powders, electromagnetic field, irradiation.
The purpose of the study: The development of a linear low-power electronic accelerator needed for investigations structural changes in metal powders and other materials when irradiated a beam of accelerated electrons is irradiated.
The object of the study: Accelerators
Methods: X-ray Draktogram Dron 7
Main results: As a result of the thesis, was developed a linear electronic accelerator. Powders of metals and graphite were irradiated with the help of a developed accelerator. Since structural changes were observed as a result of irradiation, we were convinced of the operability of the accelerator developed.

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ 6
1 БӨЛШЕКТЕРДІ ҮДЕТКІШТЕР 7
1.1 Үдеткіштердің даму тарихы 8
1.2 Үдеткіштердің жұмыс істеу принципі 10
1.3 Үдеткіштердің классификациясы 14
1.3.1 Циклдық үдеткіштер 16
1.3.2 Сызықты үдеткіштер 23
1.4 Сызықтық электрондық үдеткіште жүргізілген зерттеулер 26
2 ТӨМЕН ҚУАТТЫ СЫЗЫҚТЫ ҮДЕТКІШ ҚҰРАСТЫРУ 34
2.1 Үдеткішті құрастыру жұмыстары 34
3 ТӘЖІРИТЕБЕ НӘТИЖЕЛЕРІ 46
ҚОРЫТЫНДЫ 49
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 50

КІРІСПЕ

Үдету техникалары дәуірінің бастамасын 1930-дары бөлшектерді шамамен 1МэВ энергияға дейін үдетудің бірден екі схемасның пайда болуымен байланыстырады. 1932 жылы ағылшын Джон Кокрофд (John Cockcroft) пен ирландық Эрнест Уолтон (Ernest Walton) Кембриджде каскадтық 800 кВ тұрақты кернеу генераторын құрастырды. Өздерінің алғашқы тәжірибелерінде олар үдетілген протондарды нысанаға бағыттаған болатын [1]. Қазіргі кезде көптеген елдерде қуаты жоғары үдеткіштер құрастырылып, сынақтар жүргіліп жатқаны белгілі. Әлемдегі ең үлкен бөлшектерді үдеткіш Швейцариядағы үлкен адрондық коллайдерде көптеген тәжірибелік жұмыстар жүргізілуде.
Үдеткіштердің қазіргі таңда қолдану аясы өте кең. Үдеткіштерді ғылымда радиоизотоптар алуда, материалдарды радиациямен өңдеуде қолданылады. Энергия көздерінің дамуында да үлесі көп. Үдеткіштердің адам өміріндегі ең маңызды рөлі медицинадағы қолданылуы: ядролық медицинада, радиациялық терапияда, диагностикалық медицинада және т.б.[2].
Металл ұндақтарын электрондармен сәулелендіру нәтижесінде олардың құрылымы өзгеріп, жаңа қасиеттер алуға болатыны белгілі. Осыдан зертханада электрондар үдеткішін құрастырудың маңыздылығы көрінеді. Сол мақсатта бұл дипломдық жұмыста төмен қуатты электрондар үдеткішін құрастыру қолға алынып отыр. Жұмысқа жарамды үдеткішті қолда бар құрал-жабдықтармен құрастырып, металл ұнтақтарын электрондармен сәулелендіру бұл дипломдық жұмыстың негізгі мақсаты болып келеді.
Құрастырған үдеткішіміз арқылы мыс, алюминий, графит, мырыш ұнтақтарын электрондармен сәулелендіру нәтижесін бақылау, құрылымдық өзгерістерін салыстыру біздің екіншілік мақсатымыз болып табылады.

1 БӨЛШЕКТЕРДІ ҮДЕТКІШТЕР
Зарядталған бөлшектерді үдеткіштер - зарядталған бөлшектерді физикалық зерттеулерде, өндірісте және медицинада пайдалануға болатындай энергияға дейін үдетуге арналған құрылғылар. Салаыстырмалы түрде төмен энергияларға дейін үдетілген бөлшектерді, мысалы, теледидар немесе электрондық микроскоп экранында сурет алу үшін, рентген сәулелерін алуда, қатерлі ісік жасушаларын жоюда, бактерияларды жоюда қоладанады. Егер зарядталған бөлшектерді 1 мегаэлектронвольттан (МэВ) жоғары энергияларда үдетсе, оларды микрообъекттердің (мысалы, атом ядроларының) құрылымын және фундаменталды күштердің табиғатын зерттеуде қолданады.
Заманауй тәжірибедегі үдеткіштің рөлі 1-суретте түсіндіріледі. Коллимирленген бөлшектер ағыны қандай да бір химиялық элемент ядраосынын тұратын, зерттелетін жұқа қабықшалы нысанаға бағытталады, және нысанадан шашырыған немесе нысана ядросымен әрекеттесу нәтижесінде пайда болатын өнімдерді детектор немесе детекторлар жүйесі арқылы тіркейді. Тәжірибе нәтижелерінің анализі зерттелініп отырған объектінің әрекеттесу табиғаты және құрылымы туралы мәлімет береді.

Сурет 1. Үдеткіштің физикалық тәжірибедегі орны [3].

Үдеткіштерді атом ядролары және элементар бөлшектер сияқты микрообъекттерді зерттеуде қолдану қажеттілігі мынадай себептерге байланысты. Біріншіден, атом ядролары және элементар бөлшектер кеңістікте өте кішкентай ауданды алады (R 10-12 см), және бұл аудандарға өту зонттаушы ағын энергиясы жоғары болу керек, және ол энергия жеке микрообъект пен жеке атқылаушы бөлшек арасында әрекеттесуді қамтамасыз ету керек. Екіншіден, микрообъект қаншалықты кіші болса, соншалықты ол берігірек және бұндай объекттің ішкі құрылымын бұзу немесе өзгерту тәжірибелерін жүргізу де көбірек энергияны қажет етеді [3].

1.1 Үдеткіштердің даму тарихы
Зарядталған бөлшектерді үдеткіштердің дамуына түрткі болған жоғарғы энергиялы зарядталған бөлшектер ағынын қажет еткен, атом ядроларының құрылымын зерттеу жұмыстары еді. Алғашында зарядталған бөлшектер ағынының көзі ретінде қолданылған радиоактивті элементтер интенсивтілігі жағынан да, бөлшектердің шығаратын энергиялары жағынан да шектеулі болды. Радиоактивті элементтен шығатын α-бөлшектер ағыны арқылы атом ядроларын жасанды түрде түрлендіру (1919, Э. Резерфорд) жұмыстары басталғаннын бастап үдетілген зарядталған бөлшектер ағынын алу әдістері ізделіне бастады [4].
Үдеткіштердің дамуының алғашқы кезеңдерінде (1919-1932 жж.) негізгі зерттеулер жоғары кернеулер алу және оны зарядталған бөлшектерді үдетуде қолдану мақсаттарында жүргізілді. 1931 жылы американдық физик Р. Ван-де-Граф электростатикалық генратор құрастырды, ал 1932 жылы ағылшын физиктері Дж. Кокфорт пен Э. Улотон Резерфордтың зертханасынан каскадтық генератор жасап шығарды. Бұл құрылғылар энергиясы бирнеше миллион эВ болатын үдетілген бөлшектер ағынын алуға мүмкіндік берді. 1932 жылы алғаш рет жасанды түрде үдетілген бөлшектер арқылы қоздырылатын ядролық реакция - литий ядросын протондармен ыдырату жүзеге асырылды.
1931-1944 жылдар аралығы - үдетудің резонантық әдісі пайда болып, дамыған кезең болды. Яғни, үдетілетін бөлшектер белгілі бір үдетуші аралықты бірнеше рет өту арқылы орташа үдетуші кернеу шамасында да жоғары энергияға ие болатындай әдіс пайда болды. Осы әдіске негіздерген циклдық үдеткіштер - циклотрондар (Э.О.Лоуренс) электростатикалық үдеткішті даму жағынан озып түсті. Осы кезеңнің аяғына қарай циклотондарда протондар энергиясы 10-20 МэВ-қа жетті. Резонастық үдетуді сызықтық үдеткіштерде де қолдануға болады. Алайда, сызықтық резонанстық үдеткіштер ол уақыттарда радитехниканың жеткілікті түрде дамымағанның себесінен кең тарамаған еді. 1940 жылы американдық физик Д.У.Керст циклдық индукциялық электрондар үдеткішін (бетатрон) жасады [5].
Қазіргі заманғы типті үдеткіштерді құрастыру 1944 жылы советтік физик В.И.Векслер және одан бөлек американдық физик Э.М.Макмиллан, резонастық үдеткіштерде қолданылатын және үдетілген бөлшектердің энергиясын біршама арттыруға мүмкіндік беретін автофазировка механимін ашқан кезден басталды. Осы принцип негізінде резонастық үдеткіштердің жаңа типтері - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон ұсынылды. Сонымен қатар, радиотехниканың дамуы эффективті резонанстық сызықты электрондар және ауыр зарядталған бөшектер үдеткішін жасауға мүмкіндік берді.
50-ші жылдардың басында циклдіқ және сызықтық үдеткіштердегі энергия шекерін арттырған, таңбасы ауыспалы фокусировка принципі ұсынылды. 1956 жылы Векслер бөлшектерді когеренттік немесе ұжымдық үдету әдісі ұсынылған ғылыми жұмысын жарыққа шығарды.
Бұдан арғы екі онжылдықтарды айтылған жаңалықарды іске асыру және зарядталған бөлшектерді үдеткіштерді техникалық дамыту жылдары деп айтса болады. Электрондарды үдетуде дамытуға қолайлырақ болғаны - сызықтық резонанстық үдеткіштер болды. Бұндай үдеткіштердің ең ірісі болып, 22 ГэВ-тық, 1966 жылы американдық физик В. Пановскиймен (АҚШ, Стэнфорд) шығарылды. Ал протондар үшін ең үлкен энергия синхрофазотронда алынды. Протондар үшін сол уақыттағы ең ірі синхрофазотрон, 10 ГэВ энегияға, 1957 жылы КСРО, Дубна қаласында іске қосылған болатын. Бірнеше жылдан соң Швейцария мен АҚШ-та фокусировка күші 25-30 ГэВ болатын синхрофазотрон іске қосылды, ал 1967 жылы КСРО-да 76 ГэВ энергиялы синхрофазотрон қосылды, және ол біраз уақытқа дейін әлемдегі ең ірі үдеткіш болып келді. 1972 жылы АҚШ-та 200-400 ГэВ энергилы синхрофазотрон жасалды. Уақыт өте келе КСРО-де де АҚШ-да да 1000-5000 ГэВ энергияға дейінгі үдеткіштердің проекттерінің құрастырылуы жүргізілді.
Қазіргі кездегі үдеткіштердің дамуы олардың энергиясын арттырумен қатар интенсивтілігін арттыруға (тоқ күшін) және үдетілген шоғырлардың сапасын жоғарлату (энергияның кординат пен жылдамдықтарға байланысты шашырауын азайту) мақсатында, үдетілген шоғырдың импульс ұзақтығы мәселелерінде жұмыстар жүргізіліп жатыр. Бөлшектерді үдетудің жаңа тәсілдерін ашумен қатар дәстүрлі әдістердін де дамыту қолға алынып жатыр: асқын өткізгіш материалдардың қасиеттері және оларға тән төмен температурадағы жұмыс істеу қабілеттерінің зерттелуі жүргізіліп, олардың магнит жүйелерінің көлемін кішірейту және энергетикалық шығындарды қысқартуға мүмкіндік беретіндігі анықталып, сол асқын өткізгіш материалдарды магнит және үдету жүйелерінде қолдануы қолға алынуда; үдеткіштердегі автоматикалық жұмыс режімдерінің қолданылу аумағы кеңейюде; үдеткіштерде қарсы әсер етуші шоғырлардағы әрекеттесулерді зерттеуге мүмкіндік беретін жинақтауыш сақиналар орнатылуда. Сонымен қоса, құрылғылардың бағасын төмендетуге көп назар аударылуда [5].

1.2 Үдеткіштердің жұмыс істеу принципі
Үдеткіштер бірнеше МэВ-тен бірнеше жүздеген ГэВ энергияға ие зарядталған бөлшектер шоғырын алуға мүмкіндік береді. Үдетілген шоғырлардың интенсивтілігі секундына 1016 бөлшек шамасына дейін жетеді және де осындай шоғырларды ауданы бирнеше миллиметр квадрат болатындай кішкентай ауданды нысанаға жинақтауға болады. Осындай үдеткіштерде атқылаушы бөлшектердің шоғыры ретінде көбіне электрондар мен протондар қолданылады. Қазіргі кезде жұмыс істеп тұрған көптеген электрондар мен протондарды үдететін сызықтық үдеткіштер бар. Солардың ішіндегі ірі сызықтық үдеткіштер 1-кестеде келтірілген.

Кесте 1
Ірі сызықтық үдеткіштер [6]
Орналасқан орны

Харьков (Украина)
Стэндфорд (АҚШ)

Серпухов
(Россия)
Батейвия
(АҚШ)
Қосылу уақыты

Э
1964
1966

П
1967
1970
Максималды энергиясы, МэВ
ЛЕК
1800
22300
РОТ
100
200
Ұзындығы, м
ТР
240
3050
ОН
80
145
Үдетілетін бөлшектердің импульс ұзақтығы, мкс
ОНДЫ
1,4
1,6
ДЫҚ
300
400
Максималды орташа ток, мкА
Қ
0,8
48

Импульстағы максималды ток, мА

180
120

Жаңа бөлшектерді алу немесе алдын алынған бөлшектердің жаңа күйлерін алу, және де субатомдық объекттердің құрылымын түбегейлі зерттеу сияқты мәселелерді тек үдеткіштердің көмегімен ғана шешуге болады. Табиғатта аз ғана тұрақты бөлшектер кездеседі, олар - протон, электрон, нейтрино және фотон. Жер құрылымында шектеулі ғана атом ядроларының жиынтығы кездеседі және олар дерлік барлық кезде негізгі күйде болады.
Жерде табиғи жолмен біздің қолымызға түсетін объекттерді ғана қолданудағы шектерден шығу үшін, басқа объекттермен зерттеулер жүргізу үшін, бөлшектер мен ядролардың жаңа күйлерін қолдан қоздыруымыз қажет. Осындай, қандай да бір m массалы жаңа күй алу үшін, аз дегенде,

E=mc2 (1)

энегия керек. Әлі де, жаңа қозған күйдегі бөлшектердің масса шамасының шектері анықталған жоқ, ол шектердің барлығында да күмән бар. Бұл сұрақтарға жауап алу үшін әлдеқайда қуатты, үлкен энергиялы үдеткіштер қажет. Жоғары шамадағы энергиялар тек жаңа күйдегі бөлшектер алу үшін ғана керек емес. Бұндай үдеткіштер кезінде ашылған субатомды объекттердің бөлшектерін анықтау үшін де қажет. Барынша ұсақ бөлшектер мен ядроларды зерттеу үшін барынша көп энергиялар кажет екендігі көрініп тұр. Яғни, қаншалықты ұсақ бөлшектерді зерттеу керек болса, соншалықты энегия шамасы да артып отыру керек. Шындығында да, P импульсті бөлшектің дебройль толқын ұзындығы

hP (2)

тең. Әдетте, келтірілген дебройль толын ұзындығы қолданылады

ƛ ћP,(ћ h2

Сызықтық өлшемдері d болатын объекттің құрылымдық бөліктерін бақылау үшін толқын ұзындықтары d шамасында немесе d-дан кіші: λ=d болуы керек. Басқаша айтқанда, импульсі P болатын бөлшектер керек. Зерттелінетін объектілердің бөліктерінің өлшемдері қаншалықты кіші болса, соншалықты ипульс шамасы жоғары болуы тиіс, импульс шамасы жоғары болса энергия шамасы да соған байланысты жоғары болуы тиісті. Мысал ретінде, өлшемі d=1 фм болатын объект, ал атқылаушы құрал ретінде протонды алайық. Протонның минималды кинетикалық энергиясы

Екин = p22mp = ћ2mpd2 (4)

болуы керек.
Осы мысалды қолдана отырып, Екин сияқты басқа да шамаларды ыңғайлы жолмен есептеудің әдісін көрсетейік. Фомулаға кіретін барлық шамаларды өлшемсіз қатынастар деп қарап көрейік. Екин шамасы энергия өлшеміне ие. Бұндай өлшемге mpc2=938 МэВ протондардың еркін энергиясы да ие. Осыған қарап біз мына өлшемсіз қатынасты жаза аламыз

Екинmpc2 = 12d2(ћmpc)2 . (5)

Жақшадағы өлшем - протонның комптон толқын ұзындығы болып табылады

ƛp = ћ m p c = 0,21фм. (6)

Бұдан, протонның кинетикалық энергиясы үшін

Eкин mp c2 = (1 2) (ƛ p d) 2 = 0,02. (7)

Бұл нәтижеге сүйенсек, сызықтық өлшемдері 1фм болатын объектінің бөліктерін бақылау үшін протондардың кинетикалық энергиясы шамамен 20 МэВ болуы керек. Бұл кинетикалық энергия бір нукллонның тыныштық энергиясынан көп есе аз болғандықтан, біздің релятивистік емес шамалауымыз орынды болып отыр. Табиғатта бұндай жоғары энергиядағы интенсивті протондар шоғыры жоқ болғандықтан, оларды үдеткіштерде жасанды түрде қолдан алуға тура келеді. Ғарыштық сәулелерде, әрине, бұдан да жоғары энергиялы бөлшектер кездеседі, бірақ олардың шоғыр интенсивтілігі төмен болғандығы соншалық, бұл бөлшектер көмегімен тек шектеулі ғана зерттеулер жүргізіге болады.
Жоғары энергиялы бөлшектер шоғырын алудың ең қарапйым жолы - оларды электр өлісінде үдету. q зарядты бөлшекке E электр өрісінде әсер ететін күш

F = qE (8)

формуласымен анықталады. Қарапайым үдеткіште V потенциалдар айырымы берілген, бір-бірінен d ара-қашықтықта орналасқан екі тор бар. Ондағы орташа өріс кернеулігі

E = V d (9)

тең, ал бөлшектің алатын энергиясы

W=F·d=qV (10)

Екі тор да энергия шығыны болмас үшін вакуумде болуы тиіс. Сондықтан вакуумдық насос үдеткіштің құрамдыс бөлігі болып табылады. Сонымен қатар, иондар көзі болады - ол зарядталған бөлшектерді шығарады. Иондар көзі, үдететін құрылғы, вакуумдық насос - кез-келгкен үдеткіштің құрамдас бөлігі болып келеді. Ал енді, осындай қарапайым ғана үдеткіш арқылы энергиясы 20 МэВ болатын бөлшектер ағынын алуға бола ма? Бұл өте күрделі техникалық мәселе. Бірнеше киловатт кернеудің өзінде пробой болуы мүмкін. 100 кэВ энергиядан асырудың өзінде де, бұл қиындықты шешу үшін, арнаулы техникалық схемаларды қажет етеді. Көптеген ғалымдардың жұмысының арқасында энергиялары 10 МэВ шамасындағы үдетілген бөлшектерді беретін электростатикалық генераторлар жасалынды. Бірақ электростатикалық генераторлар көмегімен бұдан артық энергиялар алынбады. Жаңа шешімдер қажет бола бастады. Бөдшектерді басқаша қалай үдетуге болады? Бұл сұрақтың да жауабы табылды. Бұл жауап - бір бөлшекке потенциалдар айырымымен қайта-қайта көп рет әсер ету. Ары қарай да осылай, бөлшек енді максималды энергияға жетті дегенде, бөлшектер одан да жоғары энергияға дейін үдетілді. Міне осылайша, әрбір қиындықтар жаңа ойлап табылған әдістер арқылы шешіліп отырды [6].
Барлық жұмыс істеп тұрған үдеткіштерде зарядталған бөлшектердің энергиясын өсіру үдетілетін бөлшектер бағытына бағыттас әсер ететін элетр өрісі арқылы жүзеге асып отыр.
Үдеткіштер келесі элементтерден тұрады: үдетілетін бөлшектер көзі (элетрондар, протондар, антибөлшектер); үдетуші электр немесе магнит өрістері; үдету барысында бөлшектер қозғалатын вакуумдық камера (газды ортада камераны толтырып тұрған газ молекулалары үдетілетін зарядталған бөлшектермен әрекеттесетіндіктен, оларды үдету мүмкін емес); бөлшектер шоғырын үдеткішке кіргізетін (инжекция) және үдеткіштен шығаратын (эжекция) құрылғылар; үдетілетін бөлшектерді ұзақ уақыт бойы вакуумды камера қабырғаларына соқтығысуды болдырмайтын фокустаушы құрылғы; үдетілетін шоғырларды зерттеу және орналасуы мен конфигурациясын реттеуге арналған құрылғы. Үдеткіштің ерекшеліктеріне байланысты айтылған бөліктердің бір немесе бірнешеуі болмауы мүмкін.
Радиациялық қауіпсіздік мақсатында үдеткіштер қорғаныс қабырғаларымен қоршалады. Материалдың түрі мен қалыңдығы үдетілген бөлшектердің энергиясы мен интенсивтілігіне байланысты таңдалады. Энергиялары бирнеше ГэВ-тен жоғары үдеткіштерді қауіпсіздік мақсатында жер асына орналастырады [7].

1.3 Үдеткіштердің классификациясы
Зарядталған бөлшектер үдеткішін әр түрлі белгілеріне қарай классификациялауға болады. Үдетілетін бөлшектер типіне қарай электрондық үдеткіштер, протондық үдеткіштер және иондар үдеткішін бөледі.
Бөлшектердің траектория сипатына қарай: бөлшектердің траекториясы түзу сызыққа жақын болатын сызықтық үдеткіштер (дәлірек, түзусызықты үдеткіштер), бөлшетердің траекториясы шеңберге (немесе спираль) жақын циклдық үдеткіштер деп ажыратады.
Үдетуші өріс сипатына қарай үдеткіштерді: үдетілуі ауыспалы жоғары жиілікті электромагниттік өріс арқылы жүретін және бөлшектер үдетілуі үшін олар өрістің өзгеруімен бірге қозғалуы қажет болатын резонанстық үдеткіштер, және үдету уақытында өріс бағыты өзгермейтін резонанстық емес үдеткіштер деп бөледі. Соңғысының өзі индукциондық үдеткіш - үдетуші электр өрісі магнит өрісінің өзгеруінен пайда болатын үдеткіш, және жоғары вольтті үдеткіштер - үдеткіш өріс потенциалдар айырымы арқылы алынатын үдеткіштер.
Бөлшектердің орбитаға перпендикуляр бағытта тұрақты қозғалысын (фокусировканы) қамтамасыз ету механизмдеріне байланысты: траектория бойынша фокустаушы күш тұрақты болатын біртекті фокустаушы үдеткіштер және траектория бойында фокустаушы күш таңбасын өзгертіп отыратын, яғни, фокусировка мен дефокусировка аумағы кезектесіп ауысып отыратын таңбасы ауыспалы фокусировкалы үдеткіштер болып бөлінеді.
Резонанстық циклдық үдеткіштер, сонымен қатар, басқаратын магнит өрісі және үдететін электр өрісінің сипатына қарай: уақыт бойынша тұрақты және айнымалы магнит өрісті үдеткіштер және сәйкесінше үдету өрісі тұрақты және айнымалы үдеткіштер түрлері бар. Келтірілген классификация қарсы шоғырлы үдеткіштер мен ұжымық үдету әдістерін қолданатын үдеткіштерді қамтымайды.
Әдетте электрондық үдеткіштер деп аталатын, жеңіл бөлшектер (электрондар және позитрондар) үдеткіштері мен ауыр бөлшектер (протондар және иондар) үдеткішін де ажыратып кету керек.
Элетрондық үдеткіштер екі себеппен ерекшеленеді. Элетрондар мен позитрондардың жылдамдығы аз шамадағы энергиялардың өзінде (бірнеше МэВ) жарық жылдамдығына жақын жылдамдықта болады және әдетте ол тұрақты болып есептеледі, ал бұл, үдеткіштің құрылысын біршама жеңілдетеді және арзандатады. Бірақ, электрондар мен позитрондар магнит өрісінде электромагниттік сәулеленуге көп энергиясын жоғалтады. Бұл синхроторндық сәулелену деп аталады. Циклдық үдеткіштерде бұл шығындар үдеткіштің өте үлкен өлшемдеріне (үлкен қисықтық радиус кезінде синхроторндық сәулеленуге жоғалатын энергия шығыны азаяды), немесе үдеткіштің бағасын қымбаттататын қуатты үдеткіш станциялар орнату қажеттілігін тудырады. Синхротрондық сәулеленудің жағымды жақтары да бар: ол үдетілетін шоғырдың өлшемінің кішірейюіне алып келеді, ал бұл өз кезегінде қарсы шоғырларға тәжірибелер жүргізуге мүмкіндік беретін жинағыштар құрастыруды жеңілдетеді.
Сақиналы электрондық үдеткіштерді ултракүлгін және рентгендік аумақта синхротрондық сәулелену көзі ретінде қолданады. Сәулеленудің жоғарғы тығыздығы мен оның бағытталуының арқасында циклдық үдеткіштер ултракүлгін және рентгендік аумақтағы электромагниттік тоқындардың қайталанбас көзі болып табылады. Электрондардың жиі болатын шығындары сызықтық үдеткіштерге ауысуды қажет етіп отыр.
Ауыр бөлшектер үдеткіштері электрондық үдеткіштерден қатты ерекшеленеді. Қазіргі кезде қол жеткізілген энергияларда, бинеше ТэВ, синхротрондық сәулеленуге кететін энергия шығыны жоқтың қасы, және үдетудің жоғары қалпын ұстап тұру әдетте тиімсіз болады. Өйткені, үдетуші станцияларды қуаттандырушы қуат шамасы электр өрісінің кернеулігінің квадратына пропорционал және де үдеу артқан сайын тез өсіп отырады. Синхротрондық сәулеленудің болмауы үдету циклі кезінде бөлшектердің тербеліс амплитудасы салыстырмалы түрде баяу сөнеді, және салыстырмалы түрде әлсіз қозу кезінің өзінде, арнайы шаралар қолданылмаса, бөлшектердің қозғалыс тұрақтылығының бұзылуына алып келеді. Барлық жоғары энергиялы ауыр бөлшектер үдеткіштері циклдық типке жатады [7].
Үдеткіштердің классификациясына байланысты олардың негізгі типтері 2-кестеде көрсетілген.
Үдеткіштердің негізгі типтерін қарастырсақ:

Кесте 2
Үдеткіштердің негізгі типтері [5]
Траектория типі
Үдеткіш
өрісінің
сипаты
Аты
Үдетілетін бөл-шектер
Шеңбер немесе спираль
Циклдік
үдеткіштер

Резонанстық емес,
Индукциондық
Бетатрон
электрон

Резонанстық
Циклоторн,
микротрон
протон,
электрон

Изохрондық циклотрон, секторлық микротрон
протон
электрон

фазотрон
Протон

Синхотрон
Электрон

Синхро-фазатрон

Протон
Түзу
Сызықтық
үдеткіштер

Резонанстық емес
Электростатикалық
Электростатикалық үдеткіш, каскадтық үдеткіш
протон,
электрон

Резонанстық емес, индукциондық
Сызықты
резонанстық
үдеткіш
Электрон

Резонанстық
Сызықты резонанстық үдеткіш
протон, электрон

1.3.1 Циклдық үдеткіштер
Циклотрон. Циклотрондар - ең қарапайын және ең алғашқы циклдық типтегі үдеткіштер. Қазіргі кездегі түсінік бойынша циклотрондар деп - уақыт бойынша өзгермейтін жүргізуші магнит өрісінде және тұрақты жоғары жиілікті үдетуші өрісте жұмыс істейтін резонанстық циклдық үдеткіштерді айтады. Әдеттегі циклотрондарды магниттік өріс үдетілетін бөлшектердің траектория радиусына тәуелді емес және айналдырылған спираль күйінде болады. Әдеттегі циклотрондарды ауыр релятивисттік емес бөлшектер - протондар мен иондарды үдетуде қолданады. Циклотронның вакуумды камерасы цилиндр формалы ішкі қабырғамен және екі тік орнатылған жұқа қақпақпен шектелген. Электромагнит полюстері қарапайым циклотрон камерасында, дерлік, біртекті магниттік өріс орнатады. Үдетуші бөлік камерада орнатылған, бір-біріне қаратылған жартылай цилиндр формаға ие екі бөлшектен - дуанттардан құралады. Дуанттар жоғары вольті генератор полюстеріне жалғанады [8].
Дуанттар диаметрі бойынша бір-бірінен аздап ажыратылған және бірнеше МГц жиілікте жұмыс істейтін радиожиілікті генераторға қосылған, 2-суретте көрсетілгендей. Дуанттарды индукциясы бирнеше Тл-ға жететін магнит өрісін тудыратын вакуумды камерадағы қуатты магнит полюстары арасына орналастырады. Зарядталған бөлшек дуанттар арасында, ортада тұрған иондар көзінен v0 жылдамдықпен ұшып шығады. Магнит өрісі ұшып шыққан бөлшекке

F = q[v0 ,B] (11)

күшпен әсер етеді, ал v0 B болғандықтан,

F = qv0B. (12)

Ньютонның екінші заңын қолдансақ

qvB = mv02 r0, (13)

мұндағы, m - бөлшек массасы. Бөлшек радиусы

r0 = mv0 qB (14)

жартышеңбер бойымен қозғалады. Дуанттардан шыққан бөлшек радиожиілікті генератор тудыратын электр өрісіне түседі. Жоғары жиілікті өріс, бөлшек бір дуанттан шыққан соң оны итеру арқылы екінші дуантқа үдетілген күйде өткізетіндей етіп үйлестіріледі. Енді бөлшек екінші дуантта жоғары жылдамдық алғандықтан үлкен радиусты траекториямен қозғалады

r = mv0 qB . (15)

Бөлшектің дуант ішіндегі траекториясы айлалған спираль күйін қабылдайды. Бергілі бір максималды радиусқа дейін үдету жалғасады. Бұдан кейін бөлшекті циклотроннан шығарып нысанаға бағыттайды.
Бөлшектің циклотрондағы айналу жиілігі

f v2PIr qm B2PI

тең болады.

Магнит өрісі сызба жазықтығына перпендикуляр. 1 - иондар көзі; 2 - үдетілетін бөлшек орбитасы (спираль); 3 - үдетуші электродтар;4 - шығарушы құрылғылар; 5 - үдетуші өріс көзі.

Сурет 2. Циклоторндағы бөлшектердің қозғалу схемасы [4]

Бөлшектің циклотоннан шыққан кездегі максималды кинетикалық энергиясы

K = 12mv2max = 12q2B2rmax2m (17)

шамасына тең.
r = 0,5 м болғанда, циклотронның α-бөлшетерді 20 МэВ энергияға дейін үдету үшін қажетті конструктивті параметрлері келесідей:

B = (2mKq2r2)12 = 1,3 Тл (18)

f =qmB2PI = 9,9 МГц (19)

Алғашқы циклотрон 1930 жылы салынды. Ол бір-бірінен кейбір бөліктерінде айырмашылығы бар, бірақ басты қасиеті: үйлесімді жоғары жиілікті электромагниттік өріс қолданылатыны біріктіретін үдеткіштер типінің бастамасы болды [7].

Бетатрон. Бетатрон 1941 жылы Иллинойс университетінде құрастырылды. Бұл құрылғы арнайы электрондарды үдету үшін арналған. Бетатронның көлденең кесіндісі және негізгі құрылым сызбасы 3-суретте көрсетілген [7].
Бетатрондарда үдету барысында айлалатын бөлшектің қозғалу орбитасы тұрақты болып қалады. Бағыттаушы магнит өрісі бөлшектер қозғалатын сақиналы вакуумдық камераның ішіндегі жіңішке жолда ғана тудырылады [8].
Сақина тәрізді вакуумдық камера ішінде, қуатты электромагнит полюстары арасына орнатылған электрондар көзі бар. Бетатрондардың көбісі әдетте жиілігі 60 Гц кернеу көзінен қуаттанады.

1 - магнит полюстары; 2 - сақиналы вакуумдық камераның беті; 3 - орталық жүрекше; 4 - электромагнит орамдары; 5 - магнит ярмосы.

Сурет 3. Бетатронның сызбалық суреті [4]

Магнит өрісі уақыт өтумен өзгерген кезде,

ε = - dϕ dt (20)

тең ЭҚК индукция қоздырылады, мұндағы

ϕ = PIr2Bср (21)

- электронның шеңбер тәрізді траекториямен шектелген магнит ағыны, Вср - шеңбер тәрізді траектория ішіндегі магнит өрісінің орташа индукция шамасы. Тудырылатын құйында электр өрісінің кернеулігі шеңбер тәрізді траекторияға жанама бойымен бағытталған және оның абсолюттік шамасы:

Е= - ε2PIr = rdBсрdt (22)

тең.
Электрон импульсі

mv=qBr (23)

бұдан шығатыны, тұрақты r радиус кезінде dB магнит индукциясы өрісінің өзгерісі импультің өзгеруіне алып келеді

d(mv)=qrdB. (24)

Бұл импуль өзгерісі

d(mv)= Fdt=qEdt=qr2dBср (25)

шамасына тең. Алдыңға формуламен салыстыра отырып,

dBср=2dB (26)

теңдеуін аламыз, немесе

Bср=2В. (27)

Қорытндылай келе, магнит өрісіне тұрақты орбитада қалуы үшін шеңбер тәрізді орбитамен шектелетін, аудан бойынша магнит өрісі индукциясының орташа мәні орбитадағы өріс индукциясынан екі есе артық болуы керек. Магнит полюстеріне айнымалы манит өрісі тек электрондарға энергиясын хабарлап отыратындай ғана емес, сонымен қатар, электрондарды тұрақты орбитада ұстап тұратындай етіп геометриялық пішін таңдалады. Электрон орбитада жеткілікті рет айнағаннан соң, магнит өрісін өзгертіп электронды нысанаға соқтығыстырады.
100 МэВ энергиялы, өндірістегі бетатрон полюстер диаметрі 2 м және 130т магнит массасына ие. Электрондарға 100 МэВ энергия, бөліктермен әр айналым сайын 420 эВ энергия беріліп отырады, сонда үдетілетін электрон барлығы 2,4·105 айналым жасайды, яғни, 1280 км ара-қашықтықты жүріп өтеді.
Бетатронда алынатын ең жоғарғы энергиялар екі фактормен шектеледі. Біріншіден, электрондар жарық жылдамдығына жақын жылдамдықтарға дейін үдетілетіндіктен, релятивисттік әсерлер байқалып электронды одан ары үдету мүмкін болмайды. Екіншіден, электродар - зарядталған бөлшек болғандықтан және олар шеңбер орбитамен қозғалатындықтан, яғни, үнемі үдетіліп отыратындықтан, олар сәулеленуге энергия жоғалтуы керек [8].
Синтротрон. Синтротрон - бұл релятивисттік эффектілер әсері қарастырылған бетатронның бір нұсқасы.
Синхротрон идеясын 1945 жылы В.Векслер ұсынған болатын. Оның негізгі бөліктері 4-суретте көрсетілген. Инжектор бөлшектерді Еi бастапқы энергиямен үдеткіш сақинаға қіргізеді. Екі полюсті магниттер бөлшектерді қисықтық радиусы ρ шеңбер тәрізді траекторияда ұстап тұрады, ал төрт полюсті магнит жүйесі ω жиілікте жұмыс істейтін, полюстармен үдететін бөлшек шоғарларының коллмелирлығын сақтап тұрады. Бөлшектердің реалды траекториясы - бөлшектерді ұстап тұрған магниттердің ішінде орналасқан фокустаушы және басқа элементтер және олардың шеңберлі траектория аумағынның ішіндегі резонанстық беттер ішінен өтетін түзу аумақтардан тұрады. Сондықтан, үдеткіш сақинаның R радиусы ρ қисықтық радиустан үлкен болады.

1 - инжектор; 2 - кіргізу жүйесі; 3 - вакуумдық камера; 4 - электромагнит секторы; 5 - түзусызықты аралық; 6 - удетіші құрылғы.
Магнит өрісі сурет жазықтығына перпендикуляр бағытта.

Сурет 4. Синхротрон сызбасы [4].

Инжекциядан кейін (радиожиілікті үдеткіш құрылғылар қосылмаған уақытта) бөлшектер Т уақыт аралығында толық айналам жасап сақина бойымен v жылдамдықпен қозғалады. Ол уақыт

T = 2PI R v (28)

қатынасымен анықталады. Энергия мен импульс мына формуламен байланысқан

Е[2]=р[2]с[2]+m[2]с[4]. (29)

Β = v c = pc E (30)

формуласын есепке ала отырып, периодтың формуласы

Т = 2PIEiRc2pi (31)

түріне келеді, ал мұндағы, Еi және Рi - бөлшектін бастапқы энергия мен импульсі. Айалым жиілігі

Ohm = 2PIT = pic2REi (32)

тең.
Бөлшектерді траекторияда ұстап тұруға қажетті магнит өрісі

B = piqρ (33)

формуласынан анықталыды. Радижиілікті үдеткіш құрылғылар қосылғанда жағдай өзгереді. Ең алдымен, ω радиожиілік Ω айналым жиілігінен көп болуы керек (к есе). Бұл шарт бөлшекті керек уақытта итермелеп отыру үшін қажет болады. Ары қарай, (32) формуладан, бөлшектерді толықтай релятивисттік деп санауға болатындай, яғни,

рс=Е (34)

болатындай режимге дейін бөлшектердің үдетуші энегиясы өскен сайын радиожиілікті өрістің түсіретін жиілігі артып отыруы керек екендігін көреміз. Магниттік өріс те солай өсуі керек:

ω = kOhm = kcRpcE ⇒kcR (35)

және

B = pqB (36)

Егер осы екі шарт орындалса, бөлшектер үдетіледі. Толық үдету процессі келесідей түрде болады. t=0 кезінде энергиясы Еi бөлшектер жиынтығы инжекцияланады. Кейін, магнит өрісі мен радиожиілікті, (35) жене (36) қатынастары толық процесс уақытында орындалатындай етіп, бастапқы Bi және ωi мәнінен соңғы Bf және ωf мәніне дейін үздіксіз арттырады. Бөлшектердің энергиясы толық процесс барысында бастапқы Еi энергиядан соңғы Еf энергияға дейін өсіп отырады. Бөлшектердің энергиясы Еf мәніне дейін жету үшін кететін уақыт, құрылғының өлшемдеріне байланысты болады. Өте үлкен үдеткіш машиналар үшін бұл уақыт 1 с шамасында болады. (35) және (36) қатынастары үлкен көлемді синхроторндардың тағы бір ерекше сипатын ашып көрсетеді. Оларда бөлшектерді бірден толық энергиясына дейін тек бір ғана синхротрон көмегімен үдету мүмкін емес. Ондай болса,радиожиілік пен магнит өрісінің өзгеру диапазоны өте кең болып кетуші еді. Сондықтан, бөлшектерді кіші үдеткіш машиналарда алдын ала үдетіп алып, содан соң ғана оларды синхроторнға инжекциялауға тура келеді.
Синхротрондар электрондарды да протондарды да үдетуде қолданыс тапқан. Электрондық синхротрондар басқа сақиналы электронды үдеткіштермен бір ортақ қасиетке ие: олар қысқа толқынды синхротрондық сәулелердің интенсвті көзі болып тадылады. e зарядты υ=βс жылдамдықпен радиусты R орбитамен қозғалатын бөлшектің қуаты

P = 2e2c2R2β4(1-β2)2 (37)

формуласымен анықталады [8].

1.3.2 Сызықты үдеткіштер
Сызықтық үдеткіште бөлшек үдетілу барысында электростатикалық үдеткіштердегідей түзу сызық бойымен қозғалады. Алайда, сызықтық үдеткіште бөлшектер үдетуші аумақты көп рет қайта-қайта өтеді, бұл жағынан сызықтық үдеткіштер циклдық үдеткіштерге ұқсайды. Үдету жоғары жиілікті электр өрісімен жүзеге асады.
Сызықтық үдеткіш жүйелерінде жоғары жиілікті өрістерді қолдану ең алғаш 1929 жылы норвегиялық инженер Р. Видероэ жоғары жиілікті резонаторлардан байланысқан қысқа жүйеде иондарды үдетуді жүзеге асырған кезден басталды. Егер резонаторлар, өрістің фазалық жылдамдығы әрқашан бөлшек жылдамдығына тең болса, бөлшек үдеткіште қозғалу барысында тоқтаусыз үдетіледі. Бұл кездегі бөлшектің қозғалысы тоқындағы серфердің қозғаласына ұқсас болады. Сонымен қоса, протондар мен иондардың жылдамдығы үдету барысында қатты өсуі мумкін. Сәйкесінше, толқынның фазалық жылдамдығы vф да өсіп отыруы керек. Электрондар үдеткішке жарық жылдамдығына c жақын жылдамдықпен инжекциялануы мүмкін, бұндай жағдайда фазалық жылдамдық тұрақты болады: vф = с.
Жоғары жиілікті электрлік өрістің тежеуші фазасының әсерін жою үшін қолданылатын келесі тәсіл - шоғырды белгілі жарты период кезінде өрістен экрандаушы металл құрылғы қолдану болып тадылады. Алғаш бұл әдіс 1932 жылы Э. Лоуренцпен қолданылды. Оның сызықтық үдеткіші ішінде металл дрейфтық трубкалар орналастырылған ұзын вакуумды трубка түрінде болды. Әрбір трубка жоғары жиілікті генератормен тізбектей, жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен қозғалатын үдетуші кернеу толқыны өтетін ұзын сызық бойымен жалғанған (5-сурет). Соның арқасында барлық трубкалар кезекпен жоғары кернеу астында болады. Керекті уақыт мезетінде инжектордан шыққан зарядталған бөлшек бірінші трубкаға қарай үдетіледі де белгілі энергияға ие бола бастайды. Бұл трубка ішінде бөлшек тұрақты жылдамдықпен қозғалады. Егер трубка ұзындығы дұрыс таңдалған болса, бөлшек одан үдетуші кернеу бір толқын ұзындығына жылжыған мезетте шығады. Бұл ретте, екінші трубкадағы кернеу де үдетуші болады, және де ол жүз мыңдаған вольтты құрайды. Бұндай процесс қайта-қайта көп рет қайталанады, және әр кезеңде бөлшек қосымша энергияға ие болады. Бөлшектердің қозғалысы өрістің өзгеруімен үйлесімді болуы үшін, сәйкесіше, олардың жылдамдығы артқан сайын трубканың ұзындығын да арттыруымыз керек. Соңына қарай бөлшектің жылдамдығы жарық жылдамдығына өте жақын болады, сол кезде трубканың шекті ұзындығы тұрақты болып қалады [9].

1 - иондар көзі(инжектор); 2 - үдетуші кернеу; 3 - дрейфтік трубка; 4 - ұзын сызық; 5 - шоғыр.
Әрбір дрейфтік трубканың ұзындығы алдыңғысынан аздап ұзынырақ болып, соңына қарай бөлшектер жарық жылдамдығына жақындаған аймақта тұрақты болады, және ол айырмашылық 10-20 см арасында өзгеріп отырады.

Сурет 5. Сызықтық үдеткіш [9]

Бұндай типті үдеткіштерде бөлшектердің шығу мезетінде интенсивтілігінің артуын қатамасыз ететін автофазировка орын алады. Алайда, бөлшектерді осьтің орбитасында ұстап тұру үшін шара қолдану қажет. Ол бізге үдету барысында бөлшектердің шашырап жоғалудан қорғанысты қамтамасыз етеді. Келтірілген схеманы ауыр бөлшектерді үдетуде қолданады.
Электрондарды үдетуді цилиндрлік толқын арнасындағы(волновод) қума электромагниттік толқын арқылы жүзеге асырған тиімді болады. Диафрагмалары бар металл құбыр түрінде келген толқын арнасы ішінде электр өріс бөлігі бар қума электромагнитті толқын тудырылады. 6-суретке қараңыз.

1 - инжектор; 2 - үдетуші жүйе.

Сурет 6. Қума толқынды сызықты үдеткіштің сызбасы [10]

Егер электрондар шығу көзінен үдетуші жартытолқынға түскен болса, олар толқын арнасы бойымен қозғала бастайды. Электрон жылдамдығы артқан сайын үйлесімді түрде электромагниттік толқын жылдамдығы да артатындай етіп жасасақ, электрон сол бір толқын фазасында қалатын болады. Тоқын жылдамдығының артуы толқын арнасында орналасқан, ортасында тесігі бар металл диафрагма өлшемдерін өзгерту арқылы қол жеткізіледі. Бұндай электрондардың ақырғы энергиясын толқын өрісінің кернеулігі және толқын арнасының ұзындығы белгілі болған жағдайда анықтауға болады. Элетрондар шоғырының аз көлденең ауданын сақтап, ұстап тұру, яғни оның фокусировкасы, үшін бойлық тұрақты магнит өрісін қолданады.
Басқа да кең тарау алмаған үдетуші ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.