Курсова робота на тему:

«Циклічні прискорювачі елементарних частинок»

План:

1. Вступ:

1.1 Історія розвитку прискорювачів

1.2 Класифікація прискорювачів

2. Циклічні прискорювачі з сталим полем:

2.1 Циклотрон

2.2 Ізохронний циклотрон.

2.3 Фазотрон

2.4 Мікротрон

3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти:

3.1 Синхротрон

3.2 Бетатрон

3.3 Синхрофазотрон

3.4 Колайдер

4. Висновок

5. Література

1. Вступ:

1.1 Історія розвитку прискорювачів

Поштовхом до розвитку прискорювачів заряджених частинок послужили дослідження будови ядра, що вимагали потоків заряджених частинок високої енергії. Природні джерела заряджених частинок, що застосовувалися спочатку, - радіоактивні елементи - були обмежені як по інтенсивності, так і по енергії частинок, що випускаються. З моменту здійснення першого штучного перетворення ядер (1919, Э. Резерфорд ) за допомогою потоку б-частинок від радіоактивного джерела почалися пошуки способів отримання пучків прискорених частинок.
У початковий період (1919-1932) розвиток прискорювачів йшов по шляху отримання високої напруги і їх використання для безпосереднього прискорення заряджених частинок. У 1931 амер. фізиком Р. Ван-де-Граафом був побудований електростатичний генератор, а в 1932 англ. фізики Дж. Кокрофт і Э. Уолтон в лабораторії Резерфорда розробили каскадний генератор. Ці установки дозволили отримати потоки прискорених частинок з енергією близько мільйона електрон-вольт (Мев). У 1932 вперше була здійснена ядерна реакція, що порушується штучно прискореними частинками, - розщеплювання ядра літію протонами.
Період 1931-1944 - час зародження і розквіту резонансного методу прискорення, при якому прискорювані частинки багато разів проходять прискорюючий проміжок, набираючи велику енергію навіть при помірній прискорюючій напрузі. Засновані на цьому методі циклічні прискорювачі - циклотрони - незабаром обігнали в своєму розвитку електростатичні прискорювачі. До кінця періоду на циклотронах була досягнута енергія протонів близько 10-20 Мев. У 1940 амер. фізик Д. У. Керст реалізував циклічний індукційний прискорювач електронів (бетатрон), ідея якого раніше вже висувалася (амер. фізик Дж. Слепян, 1922; швейц. фізик Р. Відерое, 1928).
Розробка прискорювачів сучасного типу почалася з 1944, коли рад. фізик В. И. Векслер і незалежно від нього (дещо пізніше) амер. фізик Э. М. Макміллан відкрили механізм автофазування , що діє в резонансних прискорювачах і дозволяє істотно підвищити енергію прискорених частинок. На основі цього принципу були запропоновані нові типи резонансних прискорювачів - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, мікротрон. В цей же час розвиток радіотехніки зробив можливим створення ефективних резонансних лінійних прискорювачів електронів і важких заряджених частинок.
На початку 50-х рр. був запропонований принцип знакозмінного фокусування частинок (амер. учений Н. Крістофілос, 1950; Е. Курант, М. Лівінгстон, Х. Снайдер, 1952), істотно підвищила технічну межу досяжних енергій, в циклічних і лінійних прискорювачах заряджених частинок . В 1956 Векслер опублікував роботу, в якій була висунута ідея когерентного, або колективного, методу прискорення частинок.
Наступні два десятиліття можна назвати роками реалізації цих ідей і технічного удосконалення прискорювачів заряджених частинок. Для прискорення електронів перспективнішими виявилися лінійні резонансні прискорювачі. Найбільший з них, на 22 Гев, був запущений в 1966 амер. фізиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонів найбільші енергії досягнуті в синхрофазотронах. У 1957 в СРСР (Дубна) був запущений найбільший для того часу синхрофазотрон - на енергію 10 Гев. Через декілька років в Швейцарії і США вступили в лад синхрофазотрони з сильним фокусуванням на 25-30 Гев, а в 1967 в СРСР під Серпуховом - синхрофазотрон на 76 Гев, який протягом багатьох років був найбільшим в світі. У 1972 в США був створений синхрофазотрон на 200-400 Гев. У СРСР і США розробляються проекти прискорювачів на 1 000-5 000 Гев. В середині 1990-х років найкрупнішим протонним синхротроном був «Теватрон» Національної прискорювальної лабораторії ім. Э.Ферми в Батавії (США). Як підказує сама назва, «Теватрон» прискорює згустки протонів в кільці діаметром 2 км. до енергії близько 1 Тев.
Сучасний розвиток прискорювачів йде як по шляху збільшення енергії прискорених частинок, так і по шляху нарощування інтенсивності (сили струму) і тривалості імпульсу прискореного пучка, поліпшення якості пучка (зменшення розкиду по енергії, поперечним координатам і швидкостям). Паралельно з розробкою нових методів прискорення удосконалюються традиційні методи: досліджуються можливості застосування надпровідних матеріалів (і відповідної ним техніки низьких температур) в її прискорюючих системах, що дозволяють різко скоротити розміри систем і енергетичні витрати; розширюється область застосування методів автоматичного управління в прискорювачах; прискорювачі доповнюються нагромаджувальними кільцями, що дозволяє досліджувати елементарні взаємодії в стрічних пучках. При цьому особлива увага приділяється зменшенню вартості установок.

1.2 Класифікація прискорювачів

Прискорювачі заряджених частинок можна класифікувати за різними ознаками. За типом прискорюваних частинок розрізняють електронні прискорювачі, протонні прискорювачі і прискорювачі іонів.
По характеру траєкторій частинок розрізняють лінійні прискорювачі (точніше, прямолінійні прискорювачі), в яких траєкторії частинок близькі до прямої лінії, і циклічні прискорювачі, в яких траєкторії частинок близькі до кола (або спіралі).
По характеру прискорюючого поля прискорювачі заряджених частинок ділять на резонансні прискорювачі, в яких прискорення проводиться змінним високочастотним (ВЧ) електромагнітним полем і для успішного прискорення частинки повинні рухатися в резонанс із зміною поля, і нерезонансні прискорювачі, в яких напрям поля за час прискорення не змінюється. Останні у свою чергу діляться на індукційні прискорювачі, в яких електричне прискорююче поле створюється за рахунок зміни поля , і високовольтні прискорювачі, в яких прискорююче поле обумовлене безпосередньо прикладеною різницею потенціалів.

2. Циклічні прискорювачі з сталим полем:

2.1 Циклотрон

Циклотрон - циклічний прискорювач нерелятивістських важких заряджених частинок (протонів, іонів), в якому