Fizika-texnika

II-BOB YADRO REAKTORLARNING ISHLASH PRINSIPI
2.1. TEZLATGICHLARNING TURLARI VA KLASSIFIKATSIYASI
Zaryadlangan zarracha tezlatgichlari yuqori energiyali zaryadlangan zarrachalarni (elektronlar, protonlar, atom yadrolari, ionlar) hosil qilish uchun qurilmalardir. Tezlanish elektr zaryadiga ega bo'lgan zarrachalarning energiyasini o'zgartira oladigan elektr maydoni yordamida ishlab chiqariladi. Magnit maydon faqat zaryadlangan zarrachalarning harakat yo'nalishini tezligini o'zgartirmasdan o'zgartirishi mumkin, shuning uchun tezlatgichlarda zarrachalar harakatini (traektoriya shakli) boshqarish uchun ishlatiladi. Odatda tezlashtiruvchi elektr maydoni tashqi qurilmalar (generatorlar) tomonidan yaratiladi. Ammo tezlashtirish boshqalar tomonidan yaratilgan maydonlar yordamida mumkin. zaryadlangan zarralar; tezlanishning bunday usuli kollektiv usul deb ataladi (qarang Zaryadlangan zarrachalarning tezlashishi, Kollektiv usullar). V. h. h.ni plazma tezlatgichlaridan farqlash kerak, bunda tezlanish zaryadlangan zarrachalarning (plazma) oʻrtacha elektr neytral oqimida sodir boʻladi.
Tezlatgichlar birlamchi tezlashtirilgan zaryadlangan zarralar nurlarining ham, birlamchi tezlashtirilgan zarrachalarning materiya bilan oʻzaro taʼsiridan olingan ikkilamchi zarrachalar (mezonlar, neytronlar, fotonlar va boshqalar) nurlarining ham manbalaridir. Yuqori energiyali zarrachalar nurlari yadro fizikasida, qattiq jismlar fizikasida elementar zarralarning tabiati va xossalarini oʻrganish uchun ishlatiladi. Ular, shuningdek, boshqa sohalarda: kimyo, biofizika va geofizikada tadqiqotlarda tobora ko'proq foydalanilmoqda. qiymati kengayib bormoqda. Metallurgiyada turli energiya diapazonlari - qismlar va konstruktsiyalardagi nuqsonlarni aniqlash uchun (defektoskopiya), yog'ochni qayta ishlash sanoatida - mahsulotlarni tez sifatli qayta ishlash uchun, oziq-ovqat sanoatida Ob'ektlar - mahsulotlarni sterilizatsiya qilish uchun, tibbiyotda - radiatsiya terapiyasi, "qonsiz jarrohlik" va boshqa bir qator sohalarda.
Akseleratorlarning rivojlanish tarixi yuqori energiyali zaryadlangan zarralar oqimini talab qiladigan atom yadrosining tuzilishini o'rganish, shu jumladan. Dastlab ishlatilgan zaryadlangan zarrachalarning tabiiy manbalari - radioaktiv elementlar - chiqarilgan zarrachalarning intensivligi va energiyasi bilan cheklangan edi. Radioaktiv manbadan a-zarralar oqimi yordamida yadrolarning birinchi sunʼiy transformatsiyasi (1919, E. Rezerford) dan boshlab tezlashtirilgan zarrachalar nurlarini olish yoʻllarini izlash boshlandi.
Dastlabki davrda (1919-32) tezlatgichlarning rivojlanishi yuqori kuchlanishlarni olish va ulardan bevosita zaryadlangan zarralarni tezlashtirish uchun foydalanish yo'lidan bordi. 1931 yilda Amer. fizik R. Van de Graaff elektrostatik generatorni qurdi va 1932 yilda inglizlar. Rezerford laboratoriyasidan fiziklar J. Kokkroft va E. Uolton kaskad generatorini yaratdilar. Ushbu qurilmalar million elektron volt (MeV) energiyaga ega tezlashtirilgan zarrachalar oqimlarini olish imkonini berdi. 1932 yilda birinchi marta sun'iy tezlashtirilgan zarrachalar tomonidan qo'zg'atilgan yadro reaktsiyasi amalga oshirildi - litiy yadrosining protonlar bilan bo'linishi.
1931-44 yillar davri rezonans tezlashtirish usulining tug'ilishi va gullab-yashnashi davri bo'lib, bunda tezlashtirilgan zarrachalar tezlashtiruvchi bo'shliqdan qayta-qayta o'tib, o'rtacha tezlashtiruvchi kuchlanishda ham yuqori energiyaga ega bo'ladi.va. Bu usulga asoslangan siklik tezlatgichlar - siklotronlar (E. O. Lorens) tez orada oʻz rivojlanishida elektrostatik tezlatgichlarni ortda qoldirdi. Davr oxiriga kelib siklotronlarda 10^-20 MeV darajasidagi proton energiyasiga erishildi. Chiziqli tezlatgichlarda rezonans tezlanish ham mumkin. Ammo o‘sha yillarda radiotexnika yetarli darajada rivojlanmaganligi sababli chiziqli rezonans tezlatgichlar keng tarqalmagan. 1940 yilda Amer. fizik D. V. Kerst ilgari ilgari surilgan g'oyasi ilgari ilgari surilgan tsiklik induksion elektron tezlatgichni (betatron) amalga oshirdi (amerikalik fizik J. Slepyan, 1922; Shveytsariya fizigi R. Videryo, 1928).
Zamonaviy turdagi tezlatgichlarni ishlab chiqish 1944 yilda, Sov. fizik V. I. Veksler va mustaqil ravishda (birozdan keyin) Amer. fizik E.M.Makmillan rezonansli tezlatgichlarda ishlaydigan va tezlashtirilgan zarrachalar energiyasini sezilarli darajada oshirish imkonini beruvchi avtofaza mexanizmini kashf etdi. Bu tamoyil asosida rezonans tezlatgichlarning yangi turlari - sinxrotron, fazotron, sinxrofasotron, mikrotron taklif qilindi. Shu bilan birga, radiotexnikaning rivojlanishi elektronlar va og'ir zaryadlangan zarralar uchun samarali rezonansli chiziqli tezlatgichlarni yaratishga imkon berdi.
50-yillarning boshlarida. zarrachalarni muqobil fokuslash tamoyili taklif qilindi (amerikalik olimlar N. Kristofilos, 1950; E. Courant, M. Livingston va H. Snyder, 1952), tsiklik va chiziqli ultratovush to'lqinlarida erishish mumkin bo'lgan energiyaning texnik chegarasini sezilarli darajada oshirdi. 1956 yilda Veksler zarrachalarni tezlashtirishning kogerent yoki kollektiv usuli g'oyasi ilgari surilgan maqola chop etdi.
Keyingi ikki oʻn yillikni bu gʻoyalarni amalga oshirish va U. zni texnik jihatdan takomillashtirish yillari deb atash mumkin. Elektronlarni tezlashtirish uchun chiziqli rezonans tezlatgichlar yanada istiqbolli bo'lib chiqdi. Ulardan eng kattasi, 22 GeV, 1966 yilda Amer tomonidan ishga tushirilgan. fizik V. Panofskiy (AQSh, Stenford). Protonlar uchun eng yuqori energiya sinxrofazotrlarda erishilgan. 1957 yilda SSSRda (Dubna) o'sha davr uchun eng katta sinxofazotron ishga tushirildi, uning quvvati 10 GeV. Bir necha yil o'tgach, Shveytsariya va AQShda 25-30 GeV kuchli fokusli sinxrofazotronlar, 1967 yilda SSSRda Serpuxov yaqinida ko'p yillar davomida dunyodagi eng katta bo'lgan 76 GeV sinxofazotron ishga tushdi. 1972 yilda AQSHda 200-400 GeV kuchlanishli sinxrofasotron qurildi. SSSR va AQShda 1000-5000 GeV uchun tezlatgichlar loyihalari ishlab chiqilmoqda.
Tezlatgichlarning zamonaviy rivojlanishi tezlashtirilgan zarrachalar energiyasini oshirish yo'li bo'ylab ham, tezlashtirilgan nurning intensivligini (joriy kuchi) va impuls davomiyligini oshirish, nurning sifatini yaxshilash (energiya tarqalishini kamaytirish) yo'li bo'ylab boradi. Tezlashtirishning yangi usullarini ishlab chiqish bilan bir qatorda an'anaviy usullar ham takomillashtirilmoqda: magnit va magnitlarda o'ta o'tkazuvchan materiallardan (va tegishli past haroratli texnologiyadan) foydalanish imkoniyatlari. magnit tizimlar hajmini va energiya xarajatlarini keskin kamaytirish imkonini beruvchi tezlashtiruvchi tizimlar; tezlatgichlarda avtomatik boshqarish usullarini qo'llash doirasi kengaymoqda; tezlatgichlar saqlash bilan to'ldiriladito‘qnashuvchi nurlardagi elementar o‘zaro ta’sirlarni o‘rganish imkonini beruvchi halqalar (qarang. To‘qnashuvchi nurlardagi tezlatgichlar). O'rnatish xarajatlarini kamaytirishga alohida e'tibor qaratilmoqda.
Zarrachalar traektoriyalarining tabiatiga ko‘ra, zarracha traektoriyalari to‘g‘ri chiziqqa yaqin bo‘lgan chiziqli tezlatgichlar (aniqrog‘i, to‘g‘ri chiziqli tezlatgichlar) va zarracha traektoriyalari aylanaga yaqin bo‘lgan siklik tezlatgichlar farqlanadi. Suyaklar (yoki spirallar).
Tezlashtiruvchi maydonning tabiatiga koʻra soatlar rezonans tezlatgichlarga bo'linadi, ularda tezlanish o'zgaruvchan yuqori chastotali (HF) elektromagnit maydon tomonidan amalga oshiriladi va muvaffaqiyatli tezlashtirish uchun zarralar maydonning o'zgarishi bilan rezonansda harakatlanishi kerak va rezonansli tezlatgichlar yo'nalishi bo'yicha. tezlanish vaqtida maydonning o'zgarmaydi. Ikkinchisi, o'z navbatida, induksion tezlatgichlarga bo'linadi, ularda elektr tezlatuvchi maydon magnit maydonni (induksion emf) o'zgartirish orqali hosil bo'ladi va yuqori kuchlanishli tezlatgichlar, bu tezlashuvchi maydonto'g'ridan-to'g'ri qo'llaniladigan potentsial farq tufayli.
Zarrachalar harakatining orbitaga perpendikulyar yo'nalishlarda barqarorligini ta'minlaydigan mexanizmga ko'ra (fokuslash) bir xil fokusli tezlatgichlar ajralib turadi, ularda fokuslash kuchi yo'llar bo'ylab doimiy bo'ladi.torii (hech bo'lmaganda belgida) va fokuslash kuchi traektoriya bo'ylab ishorani o'zgartiradigan o'zgaruvchan fokusli tezlatgichlar, ya'ni fokuslash va fokuslash joylari muqobil ravishda o'zgaradi.. Siklik tezlatgichlarning ayrim turlariga (sinxrotron va sinxrofasotron) nisbatan qo‘llanganda “bir xil” va “belgi o‘zgaruvchan” fokuslash atamalari o‘rniga “zaif” va “kuchli” (“qattiq”) fokuslash atamalari qo‘llaniladi.
Rezonansli siklik tezlatgichlarni boshqarish xususiyatiga ko'ra yana tasniflash mumkin - "etakchi" - magnit maydon va tezlashtiruvchi elektr maydon: doimiy va o'zgaruvchan vaqtga ega tezlatgichlarmagnit maydon va shunga mos ravishda tezlashtiruvchi maydonning doimiy va o'zgaruvchan chastotasiga ega tezlatgichlar. Yuqoridagi tasnif to'qnashuv nurlari bilan tezlatgichlarni va kollektiv tezlashtirish usullaridan foydalangan holda tezlatgichlarni qamrab olmaydi. Birinchi tur - bu Jadvalda keltirilgan navlarning bir turi. 1 tezlatgichlar: u yoki bu turdagi tezlatgichlarning zarracha nurlari bir-biriga yo'naltiriladi. Ikkinchi tur tasvirlangan tezlatgichlar yig'indisidan tezlashtiruvchi maydonning manbai bo'yicha farqlanadi.
Rezonans tezlatgichlarda bosqichma-bosqich o'tish, keyingi tezlanishlar orasidagi vaqt oralig'ining energiyaga bog'liqligi tufayli avtofazalash mexanizmi bilan ta'minlanadi. Bir xil fokusli siklik tezlatgichlarda inqilob davri energiya ortishi bilan ortadi, chunki (1) ga nisbatan orbitaning o'rtacha radiusi energiya ortib borishi bilan zarracha tezligidan tezroq o'sadi.. O'zgaruvchan fokusli tezlatgichlarda o'rtacha orbita radiusining energiyaga bog'liqligi ancha zaif; shuning uchun past energiyalarda inqilob davri odatda energiya ortishi bilan kamayadi (u tezroq o'sadi), va yuqori energiyalarda u energiya ortishi bilan ortadi ( yorug'lik tezligi bilan chegaralangan u dan tezroq o'sadi). Energiya bilan o'sadigan davr uchun, shakldagi o'ng faza: agar zarra tasodifan j₁ > j₀ fazaga kirsa, u muvozanatdan kamroq energiya oladi, shuning uchun uning aylanish davri muvozanat davridan kamroq bo'ladi, zarracha fazada orqada qoladi va shuning uchun; uning fazasi muvozanatga yaqinlashadi th faza j₀. Agar energiya ortishi bilan davr kamaysa, j₀ faza beqaror bo'lib qoladi va unga simmetrik bo'lgan j₀ faza barqaror bo'ladi. Qanday bo'lmasin, agar eV0 etarlicha katta bo'lsa, har doim barqaror muvozanat fazasi va unga yaqin bo'lgan fazalar mintaqasi (tutish mintaqasi) mavjud bo'lib, uning ichida zarralar muvozanat atrofida tebranadi.. Muvozanat zarrasi eV₀cos₀ energiyasining ortishi rezonans sharti bilan aniqlanadi: T = qT_y, bu yerda q butun son, chastota ko'paytmasi yoki tezlanish ko'paytmasi deyiladi. Shunday qilib, tsiklik tezlatgich uchun muvozanatli zarrachaning energiyasi
(2.1.1)
Bu erda w_y = 2p/T_y - tezlashtiruvchi maydonning chastotasi, shuning uchun muvozanat energiyasini oshirish uchun magnit maydonni (sinxrotron) oshirish yoki tezlashuvchi maydonning chastotasini (fasotron) kamaytirish yoki ikkalasini ham o'zgartirish kerak. (sinxrotron).rophasotron), yoki, nihoyat, tezlashtirish koeffitsientini o'zgartiring q (mikrotron). Magnit maydonning o'zgarish qonuni, tezlanish chastotasi va ko'pligi muvozanat zarrasi uchun j₀ fazasining qiymatini belgilaydi; avtofazalanish tufayli muvozanat zarrasi (2.1.1) munosabat bilan aniqlangan energiyaga ega bo'ladi. Energiyaga mos ravishda muvozanat orbitasining radiusi o'zgaradi, bu formula (1.2.3) bilan aniqlanadi.
Tutib olish hududida joylashgan nomutanosib zarralar uchun energiyaning ko'payishi notekis sodir bo'ladi, lekin o'rtacha hisobda ular muvozanat zarrasi bilan bir xil energiya oladi. Bu zarralar tezlashuv rejimida "qo'lga olinadi". Faza yoki energiya jihatidan muvozanatdan juda farq qiladigan zarralar odatda o'rtacha energiya olmaydilar, chunki. tezlashtiruvchi yoki sekinlashtiruvchi maydonga tushadi ("tezlashtiruvchi kuchlanish fazasi bo'ylab sirpanish").
Xuddi shunday fazali mexanizm chiziqli rezonans tezlatgichlarda ham sodir bo'ladi, farqi bilan qo'shni bo'shliqlar orasidagi masofalarni bosib o'tish vaqti har doim energiya ortishi bilan kamayadi, shuning uchun barqaror muvozanat fazasi doimo - ga teng bo'ladi.
Tezlatgichlarda zarrachalar fokuslanishi. Tsiklik tezlatgichlarda fokuslanish asosan magnit maydon shaklini maxsus tanlash orqali amalga oshiriladi. Agar magnit maydon qat'iy bir xil bo'lsa, u holda zarracha tezligining orbita tekisligidan har qanday og'ishi uchun tezlashtirilgan zarracha muvozanat orbitasini magnit o'qi yo'nalishi bo'yicha (vertikal z bo'ylab) tark etadi. Ammo agar magnit maydon ortib borayotgan radius bilan kamayib ketsa, u "barrel shaklidagi" shaklga ega bo'ladi (bu oqimlar bo'lmaganda magnit maydon irrotatsion bo'lishi bilan bog'liq), buning natijasida zarrachaga ta'sir qiluvchi F kuch ega F_z komponenti muvozanat orbitasining tekisligiga qarab
Radius bo'ylab maydonning o'zgarishi odatda dalaning parchalanish indeksi bilan tavsiflanadi. Shunday qilib, vertikal (eksenel) yo'nalishdagi harakatning barqarorligi uchun n > 0 sharti bajarilishi kerak, ya'ni maydonning radius ortishi bilan kamayishi kerak. Radial yo’nalishdagi harakat eBu/c zarrachaga ta’sir etuvchi magnit maydon kuchi va R radiusiga mos keladigan markazga tortish kuchi mu2/R o’rtasidagi nisbat bilan aniqlanadi. Muvozanat orbitasida bu miqdorlarning ikkalasi ham teng bo’ladi. Agar bir xil tezlikka ega bo'lgan zarra kattaroq radiusda bo'lsa, u holda radial yo'nalishda barqarorlikni ta'minlash uchun bu eBu/c radiusdagi magnit maydon kuchi 2/R dan katta bo'lishi kerak, ya'ni. magnit maydon 1/R dan sekinroq kamayadi. Agar zarrachaning kichikroq radiuslar tomon tasodifiy og'ishini hisobga olsak, xuddi shunday xulosaga keladi. Bu., radial yo'nalishdagi barqarorlik sharti magnit maydonning pasayish tezligiga cheklov qo'yadi: maydon yemirilish indeksi n 1 dan kam bo'lishi kerak (n <1). Radial va vertikal yo'nalishlarda bir vaqtning o'zida barqarorlik uchun quyidagi shart bajarilishi kerak:
0Radius bo'ylab va vertikal bo'ylab ta'sir qiluvchi fokuslash kuchlari quyidagilarga teng ekanligini ko'rsatish mumkin: