Fizika-texnika

F_R = - (1-n) m ² R (2.1.3)
F_Z = - n m ² z (2.1.4)
Bu erda m - massa, w - zarrachaning burchak tezligi, DR va Dz - zarrachaning og'ishlari radius bo'ylab va vertikal ravishda muvozanat orbitasidan. Ushbu fokuslash kuchlari ta'sirida zarralar chastotalar bilan muvozanat orbitasi atrofida tebranadi (betatron tebranishlari deb ataladi):
, (2.1.5)
Bu chastotalar inqilob chastotasi w dan kamroq, ya'ni zarracha bir aylanishda bir betatrondan kamroq tebranish bajaradi. Fokuslash kuchlari n ning ruxsat etilgan maksimal qiymatlari bilan cheklangan. Bunday fokuslanish bir hil yoki zaif deb ataladi.
Vertikal bo'ylab fokuslash kuchini oshirish uchun kuchli pasayuvchi maydonni qo'llash kerak (n > 1). Aksincha, radius bo'ylab katta fokuslash kuchini olish uchun n ning katta manfiy qiymatlari bo'lgan maydonni qo'llash kerak (ya'ni, radius bo'ylab kuchli ortib boradi). Bu talablar bir vaqtning o'zida mos kelmaydi. Biroq, ma'lum bo'lishicha, ma'lum cheklovlar ostida ularni navbatma-navbat amalga oshirish mumkin, bu esa radius bo'ylab ham, vertikal ravishda ham kuchli fokuslashni ta'minlaydi. Bu o'zgaruvchan fokuslash printsipi uchun asosdir (8-rasm). Muvozanat orbitasining butun uzunligi ko'p sonli bir xil davrlarga bo'linadi, ularda magnitlar o'rnatiladi, ular radius bo'ylab yoki vertikal bo'ylab muqobil ravishda kuchli fokuslanadi. Magnit maydonning parchalanish indeksi qiymatlari, magnitlarning uzunligi va davrlar soni o'rtasidagi ma'lum bir munosabat bilan bunday tizim ikkala ko'ndalang yo'nalishda ham kuchli fokuslash ta'siriga ega. Jismoniy jihatdan, bu fokuslangan magnitlarda zarrachaning muvozanat holatidan uzoqroq joylashganligi bilan izohlanadi (chunki. oldingi fokuslash magniti uni o'z orbitasidan chetga surib qo'ydi), shuning uchun fokuslash magnitlarining ta'siri defokuslanganlarning ta'siridan kuchliroqdir. Bunday fokuslangan zarrachalarning tebranish chastotasi aylanish chastotasidan sezilarli darajada yuqori bo'lib chiqadi, shuning uchun bir aylanishda zarracha bir nechta tebranishlarni amalga oshiradi. Fokuslash kuchining oshishi turli xil tebranish omillari ta'sirida zarrachalar tebranishlari amplitudasining pasayishiga olib keladi, bu esa vakuum kamerasi va magnitlarning ko'ndalang o'lchamlarini kamaytirishga imkon beradi va natijada , o'rnatishning og'irligi va narxini sezilarli darajada kamaytiradi. Shuning uchun, yuqori energiya uchun barcha yirik tsiklik tezlatgichlarda, o'zgaruvchan belgilar (kuchli) fokuslash qo'llaniladi.. Kuchli fokuslanishning yoqimsiz xususiyati zarracha tebranishlarining yuqori chastotasi tufayli ko'plab rezonanslarning mavjudligi: agar qismning bir to'liq aylanishida vertikal yoki radius bo'ylab zarrachaning tebranishlari soni bo'lsa.ts yoki ularning yig'indisi yoki farqi butun yoki yarim butun sonlar bo'lib chiqadi, keyin tebranishlarning rezonans to'planishi sodir bo'ladi. Shu munosabat bilan magnitlarni ishlab chiqarishning aniqligiga katta talablar qo'yish kerak.
Magnit maydon tomonidan belgili o'zgaruvchan fokuslanish chiziqli tezlatgichlarda ham qo'llaniladi, farqi bilan muvozanat orbitasida (to'g'ridan-to'g'ri) magnit maydon nolga teng. Bu holda fokuslash tizimi magnitlar to'plamidir (magnit to'rt kutupli linzalar) tizimning O o'qida nolga teng magnit maydon hosil qiladi va o'qdan og'ish bilan chiziqli ravishda ortib boradi (4-rasm). Bir tekislikda magnitlar zarrachalarni fokuslaydi (F kuchi o'q tomon yo'naltiriladi), ikkinchisida ular defokuslanadi (F o'qdan uzoqqa yo'naltiriladi). Ushbu fokuslash tekisliklari magnitdan magnitga o'zgaradi, bu esa o'zgaruvchan fokusga olib keladi.
Kam zarrachalar energiyalarida magnit fokuslash bilan bir qatorda elektr maydonini fokuslash (siklik va chiziqli tezlatgichlarda ham) qo'llaniladi, buning uchun ob'ektning tezlashtiruvchi elektr maydoni qo'llaniladi. An'anaviy tezlatuvchi bo'shliqda elektr maydoni odatda bo'shliqning markazida ichkariga "chayqaladi". Shuning uchun, bo'shliqning birinchi qismida bo'shliq o'qi tomon yo'naltirilgan komponentga ega (fokuslash), ikkinchisida - bo'shliq o'qidan uzoqda (defokuslash). Fokuslash harakati fokuslashdan kattaroq bo'lsa, natijada fokuslash effekti olinadi. Zarracha bo'shliqdan o'tayotganda tezlashgani uchun, bo'shliqning ikkinchi qismida tezroq uchadi, ya'ni.. u erda birinchisiga qaraganda kamroq vaqt qoladi, shuning uchun diqqatni jamlash harakati ustunlik qiladi. Zarrachalar tezligining o'zgarishiga asoslangan bu ta'sir elektrostatik fokuslanish deb ataladi. U faqat past zarracha tezligi uchun sezilarli qiymatga ega, shuning uchun uni tezlatgichlarda qo'llash cheklangan.. Bo'shliqning birinchi va ikkinchi qismlarida elektr maydonining ta'siridagi farq elektr maydonining vaqt bo'yicha o'zgarishi (elektrodinamik fokuslash) bilan ham bog'liq bo'lishi mumkin: agar parvoz vaqtida elektrMaydon kamayishi bilan fokuslash harakati fokuslashdan kamroq bo'ladi. Ushbu turdagi fokuslanish siklotron va fazotronda qo'shimcha sifatida sodir bo'ladi. magnit fokuslanish omili. Biroq, chiziqli proton tezlatgichlarida salbiy fazasi (yuqoriga qarang) barqaror bo'lib, maydon vaqt o'tishi bilan ortadi. Shuning uchun chiziqli tezlatgichlarda elektr maydoni defokuslanadi va zarrachalarni fokuslash uchun maxsus qo'shimcha choralar talab qilinadi.
Elektr maydoniga o'zgaruvchan fokuslash tamoyilini qo'llash mumkin. Masalan, murakkab shakldagi elektrodlar yordamida fokuslash kuchining belgisini bo'shliqdan bo'shliqqa o'zgartirishni ta'minlash mumkin yoki muvozanat fazasining belgisini bo'shliqdan bo'shliqqa o'zgartirib, uni olish mumkin. muqobil fokusli tizimsilliq va ishorali o'zgaruvchan bosqichlar. Bunday tizimlar taklif qilingan va ishlab chiqilgan, ammo ulardan foydalanish juda cheklangan.Tezlashtirilgan nurlarning yuqori intensivligida nurning alohida zarralari orasidagi o'zaro ta'sir ko'rsatila boshlaydi; Xuddi shunday zaryadlangan zarralarning Kulon qonuniga ko'ra itarilishi fokuslash kuchlarining zaiflashishiga olib keladi.l. Tsiklik U. z.da. zarralar tomonidan chiqariladigan elektromagnit nurlanish (sinxrotron nurlanishi deb ataladigan narsa, quyida ko'rib chiqing) ham harakatning beqarorligiga olib kelishi mumkin.. Turli tezlatgichlarda zaryadlangan zarrachalarning o'zaro ta'siri har xil ta'sir qiladi, lekin deyarli har doim u erishish mumkin bo'lgan maksimal intensivlikni aniqlaydi (shu bilan birga, ba'zida u aniqlovchi kuch bo'lib chiqadi,nurni tezlashtirish uchun talab qilinadi).
Zamonaviy tezlatgichlarning asosiy turlari
Sinxrofasotron (proton sinxrotron) - vaqt o'zgaruvchan magnit maydoni (5) va tezlashtiruvchi elektr maydonining o'zgaruvchan chastotasi (wu) bo'lgan tsiklik rezonansli proton tezlatgichi.. Bunday holda, wy va B bir-biriga qat'iy mos ravishda o'zgaradi, shuning uchun muvozanat orbitasining radiusi R doimiy bo'lib qoladi. Sinxofazotronda zarracha aylanish chastotasi = _y /q orbitadagi magnit induksiya qiymati quyidagi munosabat bilan bog'liq:
(2.2.6)
Bu shart (3) va (2) formulalardan kelib chiqadi. Formuladan (7) ko'rinib turibdiki, magnit maydonning ortishi bilan aylanish chastotasi dastlab maydonga mutanosib ravishda ortadi, keyin esa tobora sekin o'zgarib, zarrachaning harakatiga mos keladigan chegara qiymatiga yaqinlashadi. yorug'lik tezligi; tezlashtiruvchi maydonning chastotasi mos ravishda wu = wq o'zgarishi kerak. Muvozanat orbitasi radiusining doimiyligi sinxofazotron magnitini nisbatan tor halqa shaklida qilish imkonini beradi, bu esa o'rnatish narxini sezilarli darajada kamaytiradi. Barcha zamonaviy U. z.dan. shu jumladan sinxrofazotronlar zarrachalarning eng yuqori energiyalarini olish imkonini beradi. 1972 yilgacha dunyodagi eng katta tezlatgich Serpuxov sinxrofasotroni (SSSR) bo'lib, protonlarni 76 GeV energiyaga tezlashtirdi. 1972 yilda AQSHda (Bateiviya) 200 GeV sinxrofasotron ishga tushirildi, 1975 yilda uning energiyasi 400 GeV ga, 1976 yilda esa 500 GeV ga oshirildi. 1976 yilda Yevropa yadroviy tadqiqotlar markazida (CERN, Jeneva yaqinida) 400 GeV tezlatkich ishga tushirildi. 1000 GeV va undan yuqori quvvatli sinxrofazotronlar ishlab chiqilmoqda.
Magnit maydonning chegaraviy qiymati texnik imkoniyatlar bilan cheklanganligi sababli, (2) munosabatdan kelib chiqqan holda, energiyaning oshishi muqarrar ravishda o'rnatish radiusining oshishi bilan bog'liq. Maksimal erishilgan energiya uchun tezlatgichlarning radiusi yuzlab metrlarni, o'ta yuqori energiyalar uchun mo'ljallangan tezlatgichlarda esa bir necha kilometrni tashkil qiladi. O'rnatishning o'lchami va shuning uchun uning narxi tezlatgichdagi maksimal erishish mumkin bo'lgan energiyani cheklaydi. Sinxrofazotronlar qo'llaniladigan eng past energiya taxminan 1 GeV ni tashkil qiladi; past energiyali protonlarni olish uchun fazotrondan foydalanish tavsiya etiladi (pastga qarang).
Protonlar sinxrofasotronga tashqaridan quyi energiyaning boshqa tezlatgichidan kiritiladi (in'ektsiya qilinadi). Bunday oldingi tezlatgich chiziqli tezlatgich, ba'zan esa yordamchi (kuchaytiruvchi) halqali tezlatkich bo'lib, buning uchun o'z navbatida chiziqli tezlatgich injektor vazifasini bajaradi. Bunday ko'p bosqichli sxema, in'ektsiya energiyasini oshirib, asosiy tezlatgichning ishlashini osonlashtiradi (in'ektsiya paytida magnit maydonning ko'payishining to'g'riligiga tolerantliklarni qondirish osonroq; tezlashtiruvchi maydonning chastotasini o'zgartirish) va uning narxini pasaytirish, shuningdek, tezlatgichda erishish mumkin bo'lgan tezlashtirilgan nurning intensivligini oshirish.
Zaif fokusli sinxofazotronda magnit tizim to'g'ri chiziqli bo'shliqlar bilan ajratilgan bir nechta magnit sektorlardan iborat (8-rasm). Ularning orasida inyeksiya tizimlari, tezlashtiruvchi qurilmalar, nurni kuzatish tizimlari, vakuum nasoslari va boshqalar mavjud.Kirish moslamasi zarrachalarni injektordan asosiy tezlatgichning vakuum kamerasiga o'tkazish uchun xizmat qiladi.. Odatda, in'ektsiya impuls deflektori yordamida amalga oshiriladi, uning elektr yoki magnit maydoni kiruvchi zarralarni "o'rab", ularni orbitaga yo'naltiradi. Muvozanat orbitasi atrofidagi maydonni qoplaydigan uzluksiz yopiq quvur bo'lgan vakuum kamerasida etarlicha past (~ 10^-6 mm Hg).) tezlashtirilgan zarrachalarning qoldiq gazga tarqalishi nurning kengayishiga va zarrachalarning yo'qolishiga olib kelmasligi uchun bosim. Kameraning yumaloq bo'limlari elektromagnitlarning qutblari orasidagi bo'shliqlarda joylashgan bo'lib, ular kamera ichida magnit maydon hosil qiladi, bu yopiq orbitadagi zarrachalarning harakatini nazorat qilish uchun zarur (zarrachalarni orbitada o'rash muvozanat orbitasining radiusi doimiy bo'lib qolishi kerak, tezlashuv paytida magnit maydon in'ektsiya energiyasiga mos keladigan qiymatdan yakuniy qiymatga mos keladigan maksimal qiymatgacha oshishi kerak. Magnit maydonning o'sishi elektromagnitlarning sariqlari orqali o'tadigan oqim kuchini oshirish orqali amalga oshiriladi. Magnit qutblarning shakli zarrachalarning ko'ndalang yo'nalishda barqaror harakatlanishi uchun zarur bo'lgan (2.1.5) shartga muvofiq radius bo'ylab magnit maydonning zaif tushishini ta'minlaydigan tarzda tanlanadi.. Bir yoki bir nechta bo'shliqlarda o'zgaruvchan elektr maydonini yaratadigan tezlashtiruvchi qurilmalar mavjud. Maydonning chastotasi magnit maydonning o'zgarishiga qat'iy muvofiq ravishda o'zgaradi [qarang. formula (9)]. Kerakli chastota aniqligi juda yuqori. Bunga odatda zarrachalarning holatiga ko'ra chastotani avtomatik kuzatish tizimi yordamida erishiladi: chastotadagi xato zarrachalarning muvozanat holatidan chiqib ketishiga olib keladi, sezgir sensorlar energiyani qayd qiladi.Ular uzoqlashganda, ularning signali kuchaytiriladi va chastotaga kerakli tuzatishlar kiritish uchun ishlatiladi.

8-rasm
Tezlashtiruvchi maydon ta'sirida AOK qilingan nurning zarralari barqaror muvozanat fazalari atrofida guruhlangan to'dalarga parchalanadi. Tezlatgichning aylanasi bo'ylab joylashgan bunday to'plamlar soni tezlanishning ko'pligiga teng q. Tezlanish jarayonida shamchalar uzunligi qisqaradi, muvozanat fazasiga qarab qisqaradi. Bir vaqtning o'zida, tezlashuvning boshida vakuum kamerasining deyarli butun kesimini egallagan nurning ko'ndalang o'lchamlarining pasayishi kuzatiladi.
Kuchli fokusli sinxrofasotron, birinchi navbatda, magnit maydonning kuchli tushishi va radius bo'ylab kuchli o'sishi muqobil bo'lgan ko'p miqdordagi magnitlardan iborat magnit tizimning dizayni bilan ajralib turadi.su. Bu holda zarrachalarning fokuslanishi zaif fokusli tezlatgichga qaraganda ancha kuchliroqdir. Har bir magnit (9-rasm) ikkita funktsiyani bajaradi: u zarrachalarni orbitaga o'rab, ularni fokuslaydi (funksiyalari birlashgan tizim). Ajratilgan funktsiyalar magnit strukturasidan ham qo'llaniladi, unda zarrachalarni o'rash uchun bir xil maydonga ega magnitlar qo'llaniladi va yoyilgan magnit to'rt kutupli linzalar yordamida fokuslash amalga oshiriladi.magnitlar orasiga joylashtirilgan.

9-rasm
Kuchli fokusli magnit tizimlarga o'tish magnitlarni ishlab chiqarish va o'rnatishning aniqligiga qo'yiladigan talablarning oshishi bilan bog'liq; halqa magnitining uzunligi 1 km dan ortiq bo'lsa, o'rnatish aniqligi mm ning o'ndan va yuzdan bir qismi bilan o'lchanadi. Bu nurning rezonans to'planishi bilan bog'liq bo'lgan magnit maydonning turli xil tasodifiy og'ishlariga zarracha harakatining yuqori sezgirligi bilan bog'liq. Kuchli fokusli tezlatgichning yana bir xususiyati - bu deb ataladigan narsaning mavjudligi. kritik yoki o'tish energiyasi. Zarrachalar energiyasi kritikdan kam bo'lsa, barqaror muvozanat fazasi kuchlanish egri chizig'ining ko'tarilgan qismida joylashgan energiya ortishi bilan davr kamayadi (chiziqli tezlatgichdagi kabi). Zarrachalar energiyasi kritikdan yuqori bo'lsa, energiyaning ko'payishi, aksincha, aylanish davrining oshishiga olib keladi (zaif fokusli tezlatgichdagi kabi) va faza muvozanat + ga aylanadi.. Kritik energiyaning o'tishida nur yo'qotishlarining oldini olish uchun, kritik energiyadan o'tish paytida, tebranishlar fazasining 2 ga tez siljishi tizimga kiritiladi, shuning uchun tezlashtirilgan zarrachalar tanqidiyik energiyalar barqaror fazaga - ga yaqin guruhlangan bo'lsa, yangi barqaror faza + yaqinida bo'lib chiqdi.

10-rasm
Sinxrofasotronda tezlashtirilgan nur kamera ichida ishlatiladi (ichki nishonga qaratilgan) yoki tezlatgichdan in'ektsiya tizimidagi kabi bir xil turdagi, lekin zarracha tezligi yuqori bo'lganligi sababli kuchliroq bo'lgan chalg'ituvchi moslama orqali chiqariladi. Shundan so'ng, tezlashtirish aylanishi boshlanadi. Zamonaviy sinxropazotronlarda tezlanish sikllarining takrorlanish tezligi daqiqada 5-30 siklni tashkil qiladi. Har bir siklda 10¹¹-10¹² zarracha tezlashadi. Printsipial jihatdan cheklovchi intensivlik kosmik zaryadning cheklovchi ta'siri bilan belgilanadi.