Akcelerator ze stałym gradientem pola
Akcelerator ze stałym gradientem pola – rodzina akceleratorów kołowych cząstek obejmująca, m.in. synchrotrony, mikrotrony, betatrony i synchrotrony protonowe (ze słabym ogniskowaniem). Ich wspólną cechą jest zmniejszanie pola magnetycznego wzdłuż promienia elektromagnesu.
Zasada działania
edytujW akceleratorach cyklicznych pole magnetyczne działając (siła Lorentza) prostopadle do kierunku ruchu pełni rolę siły dośrodkowej zmuszają cząstkę do lotu po trajektorii, która jest okręgiem o promieniu
co prowadzi do wzoru:
Z zależności tej wynika, że cząstka poruszająca się szybciej porusza się po większym promieniu.
W akceleratorach o stałym promieniu ruchu cząstki w miarę wzrostu prędkości cząstki trzeba zwiększać pole magnetyczne. Wzrost pola magnetycznego wywołuje powstanie pola elektrycznego, przyspieszającego cząstki. W akceleratorach o średnich i dużych energiach cząstki przebywają długą drogę wykonując wiele obrotów, niewielkie nawet rozbieżności wiązki na początku sprawiają, że tylko niewielka liczba cząstek dotrze do celu.
W celu ogniskowania wiązki (przestrzennie i czasowo) postanowiono wykorzystać niejednorodności pola magnetycznego. Zakłada się, że pole magnetyczne zmienia się wraz z promieniem i opisuje je zależność:
gdzie – pole magnetyczne na orbicie stabilnej o promieniu – pole magnetyczne na orbicie o promieniu
- Gdy wykładnik n równa się zeru, pole jest jednorodne (nie ma gradientu). Akceleratory takie nazywane są akceleratorami z zerowym gradientem (ang. zero gradient synchrotron (ZGS)), w akceleratorach tych pole magnetyczne nie skupia wiązki.
- Gdy pole zmniejsza się gdy wzrasta promień ruchu cząstki.
W akceleratorze czas wykonania jednego obiegu przez cząstkę jest równy:
Gdyby wszystkie cząstki poruszały się w jednakowym polu magnetycznym czas jednego obiegu byłby dla nich jednakowy, niezależnie od prędkości zależałby tylko do stosunku masy do ładunku cząstki. Cząstki poruszające się z większą prędkość poruszają się po większym promieniu, co wykorzystuje się do ogniskowania wiązki cząstek, akcelerator konstruuje się tak, by cząstka poruszająca się szybciej poruszała się w słabszym polu magnetycznym. Czas wykonania jednego obiegu w słabszym polu jest większy niż cząstki w silniejszym polu. I odwrotnie cząstki poruszające się z mniejszą prędkością wykonają obieg szybciej. Dlatego wyrównuje się czas dotarcia cząstek do szczeliny przyspieszającej polem elektrycznym (patrz synchrotron) oraz do wyjścia akceleratora.
W akceleratorach cyklicznych przyspieszanie odbywa się zmiennym polem elektrycznym. Przebieg napięcia w szczelinie przyspieszającej jest określony funkcją sin wt, dobiera się go tak, by wiązka cząstek docierała do szczelin przyspieszających w momencie wzrostu napięcia. Co powoduje, że cząsteczki szybsze docierają wcześniej i są słabiej przyspieszane, cząsteczki wolniejsze docierają później i są przyspieszane silniejszym polem. Ale cząstki, które przybędą zbyt późno, w czasie gdy napięcie już spada, będą słabiej przyspieszane a ich opóźnienie zwiększy się i wypadną z wiązki.
Zobacz też
edytujBibliografia
edytuj- red. nacz. tomu Jan Zienkiewicz: red. nacz. Heliodor Chmielewski: Encyklopedia Techniki. T. Energia jądrowa. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1970, s. 16, seria: Encyklopedia Techniki.