Үдеткіштер және оның түрлері

1.

Үдеткіштер және оның
түрлері

2.

ҮДЕТКІШ
СЫЗЫҚТЫҚ
ЦИКЛДІК
МАҚСАТЫ
БОЙЫНША

3.

Жоғары
вольтты
үдеткіш
СЫЗЫҚТЫҚ
ҮДЕТКІШ
Сызықтық
резонанстық
үдеткіш
Сызықтық
индукциялық
үдеткіш

4.

БЕТАТРОН
СИНХРОТР
ОН
ЦИКЛОТРОН
СИНХРОФАЗОТ
РОН
МИКРОТРОН
ФАЗОТРОН

5.

Үдеткіштер
• Үдеткіш – электр және магнит өрісітерінің
көмегімен жоғары энергиялы зарядталған
бөлшектер ағындарын үдетуге арналған
қондырғы.
Үдеткіштердің
басты
көрсеткіштері: бөлшектің энергиясы мен
шоқтың қарқыны, яғни бірлік уақыт ішінде
ұшып шығатын бөлшектер саны. Шоқтың
қарқынын ол түзетін шоқтың күшімен жиі
сипаттайды. Тоқ күші, әрине, уақыт бірлігінде
ұшып шығатын бөлшектердің саны мен
олардың зарядының көбейтіндісіне тең.
• Үдетілген бөлшектердің ағынын үдету ең
қарапайым әдісі – оларды электр өрісінен
өткізу.
Электр
өрісінде
потенциалдар
айырмасы V екі нүкте аралығын өткен,
заряды q бөлшектің энергиясы Е=qV болады.

6.

• Осыдан ең қарапайым үдеткіш,
потенциалдар айырымы V, бірбірінен d қашықтықта орналасқан екі
электродтан
тұрады.
Әрине,
эдектродтар вакуумде орналасуы
қажет. Әйтпесе, бөлшектердің аув
молекулаларымен
соқтығысуынан
оларды үдету мүмкін емес болады.
Үдетілген
бөлшектердің
электр
өрісіне кіруі мен шығуын қамтамасыз
ету үшін электродтар тор немесе
сақина түрінде орналасады.

7.

• Оларға қоса, үдеткіштің құрамына бөлшектер көзі кіруі
тиіс. Аталған элементтер – бөлшектер көзі, үдеткіш
қондырғы, вакуумдық сорғыш – кез келген үдеткіштің
құрамына кіреді.
• Үдететін электр өрісінің сипатына қарай, үдеткіштер
резонанстық емес және резонанстық болып бөлінеді.
• Резонанстық емес үдеткіштерде электр өрісінің бағыты
үдету кезінде өзгермейді. Резонанстық үдеткіштерде
айнымалы электр өрісі қолданылып, бөлшектер
қозғалысы өрістің өзгеруімен резонанста болып, онымен
бірге қозғалады.

8.

Резонанстық емес үдеткіштер
• Резонанстық емес үдеткіштер қатарына: электростатикалық үдеткіш,
жоғары энергиялы трансформаторлы үдеткіш, сатылы үдеткіш,
бетатрон, сызықтық индукциялық үдеткіш кіреді.
• Бұлардың алғашқы үшеуін жоғары вольттық деп айтайды және өзара
осы, үдететін аралыққа түсірілетін, жоғары кернеуді алу әдісімен
айнытылады. Бөлшектер үдетілетін аралық бір түтік бойына
орналасқан шыны немесе фарфор сақиналармен бөлінетін металл
шайбалардың бірталай санынан тұрады. Электродтарға кернеу
резизсторлардан тұратын бөлгіштен беріледі. Электродтардың заты,
пішіндері олар шоқтарды тиімді қалыптастыратындай етіп таңдалады.
• Электростатикалық үдеткіштер тура үдететін үдеткіштердің ең кең
таралған түрі. Ең алғаш бұндай үдеткішті 1931 ж. Ван-де-Графф
құрастырды.

9.

Ван-де-Графф генераторы электр бағанының
басына
орналасқан қуыс металл электродтан, оның ішіне жоғары
шеттері кіріп тұратын, тұйық электр лента мен үдеткіш
түтіктен тұрады. Бағананың төменгі жағында лентаға
зарядтағыш қондырғы заряд жапсырылады. Лентамен жоғары
көтерілген заряд разрядтағыш қондырғының көмегімен
индукторға беріледі. Қуыс өткізгіштің ішінде электр өрісі
болмайтындықтан, заряд оның сырт бетіне жайылады.
индукторға ен үдеткіш түтіктің потенциалы ең жоғары
электроды жалғанған.
Үдетілетін иондар кондуктордың ішінде үдеткіш түтіктің
бас жағында орнатылған иондық көзден алынады. Олар
түтікте үдетілгеннен кейін, магнит
өрісінің көмегімен бұрылып, нысанаға бағытталады.

10.

• Электростатикалық үдеткіштердің беретін бөлшектердің
энергиясының ең көп мәні бағана мен қоршаған газдың
аластатқыштық қасиетімен анықталады. Дағдылы
атмосфералық қысымда жұмыс істейтін үдеткіштер беретін
бөлшектердің энергиясын бірнеше МэВ-қа шейін, ал
жоғары қысымды инертті газ атмосферасында орналасқан
үдеткіштер үшін 12 МэВ-қа шейін жеткізуге болады.
• Ең жоғары энергияны қайта зарядтағыш немесе тандемдік
Ван-де-Графф генераторының көмегімен екі есе көбейтуге
болады. Ол индукторларға біріккен екі үдеткіштен тұрады.
Қондырғының бір шетінде орналасқан иондық көзден
үдеткіш түтіктердің біреуіне теріс зарядталған иондар
енгізіледі. Олар индукторға дейін үдетіліп, оның ішінде
орналасқан қайта зарядтағышта сындырылып, оң
зарядталады. Оң зарядталған иондар екінші үдеткіште
үдетіледі.

11.

• Электростатикалық үдеткіштердің шектік тоғын лентаның
бетінің зарядының шектік тығыздығы σ, оның қозғалу ν
және l ені анықтайды. Оның ең үлкен қол жеткізетін мәні
500 мкА. Трансформаторлық үдеткіште кернеу
жоғарылатқыш трансформатордың көмегімен көтеріліп,
жартылай өткізгіш түзеткішпен түзетіледі. 200 кэВ-тан
жоғары кернеу алу үшін трансформатордық екінші ретті
орамасын өзара аластатылған бөліктерге бөліп, олардың
әрқайсысының кернеуін түзетіп, тізбектей жалғайды. Бұл
кезде трансформатордың магнит өзегі де өзара
аластатылған бөліктерге бөлініп, әр бөлік өзара сәйкес
түзеткішке жалғанады.
• Каскадтық үдеткіште кернеу, түзетілу барысында,
каскадтық көбейту тізбектерінің көмегімен
жоғарылатылады.

12.

• Бетатронның жұмысы электромагниттік индукция
құбылысына негізделген. Егер тұйық орам қамтитын
магнит ағыны өзгерсе, онда ол орамда электр қозғаушы
күш пайда болады. Егер орамның орнына ауасы
сорылған, ішінде еркін қозғала алатын зарядталған
бөлшектер бар түтік қойылса, онда тұйық
траекторияны өткен зарядталған бөлшектің энергиясы
өзгереді. Бөлшектің радиусы r шеңбер бойымен
қозғалу үшін, магнит өрісі P=qBr шартын
қанағаттандыру керек. Ал, электр өрісіндегі бөлшек
импульсі dP/dt=qE формуласымен анықталады. Егер
түтік ішіндегі өріс біркелкі болса, жоғарыда айтылған
өрнектерден бөлшек үдетілетін, радиусы R стационар
орбита үшін, магнит өрісінің индукциясы келесідей
болады: В(орб)= Φ(t)/2πR²

13.

• Екінші жағынан бұл орбита қамтитын аудан арқылы өтетін
магнит ағыны Φ(t)=πR²B(орт) болатынын ескерсек,
В(орт)=2В(орб) шығады. Мұнда, В(орб)- зарядталған
бөлшектің орбитасындағы магнит өрісінің индукциясы,
В(орт)- осы орбита қамтитын аудан үшін магнит өрісі
индукциясының орташа мәні.
• Сонымен, бөлшек тұрақты орбитада қозғалу үшін, оның
бойындағы магнит өрісінің индукциясы әрдайым, ол орбита
қамтитын бет үшін есептелген магнит өрісінің
индукциясының орташа мәнінің орташа мәнінің жартысына
тең болу керек.
• Бетатронның жұмысы трансформатордың жұмысына ұқсас.
Бірінші орам арқылы өтетін айнымалы тоқ темір өзекте
айнымалы магнит өрісін туғызады. Екінші реттік орам
қызметін вакуумдық түтікте қозғалатын түтіктер атқарады.

14.

• Бетатронда үдетілетін электрондардың энергиясының
ең үлкен мәні олардың радиациялық нұрлануымен
шектеледі. Бетатронда үдеткіштер центрге тартқыш
үдеумен қозғалады. Олардың энергия шығыны да
негізінен осы үдеу салдарынан болады. Энергия
шығынының бұл түрін синхротрондық деп атайды.
Радиусы r орбитамен қозғалатын, энергиясы Е
электронның бір айналымдағы энергия шығыны:
• Сызықтық индукциялық үдеткіштің жұмыс істеу приципі жағынан
бетатронға ұқсас. Ол үдеткіш түтіктің бойында орналасқан
трансформаторлардан тұрады. Индуктордың бірінші реттік
орамдары импульстік тоқ генераторынан қоректендіреді.

15.

• Ал, олардың екінші реттік орамдарының шеттері үдеткіш
электродтарға жалғанған. Әр үдеткіш саңлаудан өткен
зарядталған бөлшектің энергиясының өсуі ΔW=qE
формуласымен анықталады. Ал, N-индукторлы
үдеткіштің шығысындағы бөлшектердің энергиясы
W= qNdФ/dt= qSN∆B/τ
. болады. Мұндағы S-индуктордың өзегінің қимасының
ауданы, ∆В-өзектегі магнит өрісінің индукцияның өзгерісі,
τ-бір үдеткіш саңылаудағы үдету уақыты.

16.

17.

Резонанстық
үдеткіштер
• Резонанстық үдеткіште бөлшектер жоғары жиілікті
айнымалы электр өрісімен үдетіледі және бөлшектер
қозғалысы өрістің өзгеруімен резонанста болады.
• Үдеткіштің резонанстық тәртібі, салыстырмалы
төмен кернеулер қолданып, жоғары энергиялы
бөлшектер ағынын түзуге мүмкіндік береді. Ол үшін
бөлшектер, бір үдеткіш саңылаулы бірнеше рет
немесе бірінен кейін бірі орналасқан бірнеше
саңылаудан өтеді. Бұлардың біріншідері циклдік,
екіншілері сызықтық деп аталады. Сызықтық
үдеткіштерде өрістің саңылаудан саңылауға немесе
үдеткіш жүйе бойымен бөлшектердің қозғалысымен
үйлесімді орын ауыстыруы қамтамасыз етіледі.
• Бірінші циклдық үдеткіш – циклотронды 1931-жылы
Лоуренс құрастырды. Оның жұмысы магнит өрісіне
перпендикуляр бағытта қозғалатын релятивисттік
емес ионның айналу Τ периодының оның
энергиясына тәуелділігіне негізделген:

18.

• Циклотрон үлкен электромагниттің полюстерінің арасындағы
вакуумдық камера ішінде орналасқан екі қуыс электроддуантардан тұрады. Магнит өрісінің сызықтары дуанттардың
орта жазықтығына перпендикуляр бағытталған. Дуанттардың
арасындағы саңылаудың ортасына үдетілетін иондар көзі
орналасқан. Дуанттарға жоғары жиілікті жоғарғы вольтті
синусоидал
U=U0 cosωt
кернеу беріледі. Иондар көзінен жылдамдықсыз шыққан оң
иондар осы кезде теріс зарядталған дуантқа қарай үделеді, оның
қуысына енеді. Бұл кезде оның энергися qE-ға тең болады.
Дуанттың қуысында ион магнит өрісінің әсерінен жарты шеңбер
жасап, t=πm/qB уақыттан кейін саңлауға қайтып келеді. Егер осы
уақытта саңлаудағы кернеу кері бағытқа өзгертсе, сонда тағы
үдетіледі. Оның энергиясы тағы qU-ға өседі. Одан кейін цикл тағы
қайталанады. Бұл цикл көп рет қайталанып, саңдауды әр өткен
сайын бөлшек энергиясы артып отырады.

19.

Циклотрон құрылғысы. 1-бөлшектердің түсу орны, 2 — олардың қозғалыс
траекториясы, 3 — электродтар, 4-ауыспалы кернеу көзі. Магнит өрісі сурет
жазықтығына перпендикуляр бағытталған

20.

Бөлшек үнемі үлетіліп отыру үшін, оның шеңбер бойымен
айналу периоды мен дуанттарға берілетін айнымалы тоқтың
периоды 2π/ω бірдей болу керек:
Бұл жағдайда бөлшек қозғалатын шеңбер радиусы:
өрнегімен анықталады. Яғни, ионның жылдамдығы өскенде, оның
траекториянсының радиусы да өзгереді. n-толық айналым жасаған
ионның энергиясы келесідей артады:
W=2nU0
.

21.

• Циклотронда протондардың, дейтрондардың, альфабөлшектердің, иондардың шоқтарын ондаған
мегаэлектронвольтқа дейін үдетуге болады. Одан жоғары
жүздеген МэВ-қа дейін үдетуге циклотрон жарамайды. Өйткені,
жоғары энергиялы бөлшектер үшін Т=2πm/qB формуласына
релятивистік эффекті ескеретін түзету енгізу қажет:
• Осының әсерінен, электр өрісінің жиілігі тұрақты болса,
бөлшектер дуаттар арасындағы саңылауға кешігіп келетін
болады. Бұл кешігу салдарынан ақырында, бөлшектердің
дуанттар арасындағы саңылауға, электр өрісі үлететін емес,
тежейтін кезде келуі ықтимал болады.

22.

• Циклдық резонанстық үдеткіштерде бөлшектерді релятивистік энергияға дейін үдетуге
болатындығы 1944-45 жылдары В.И. Векслер мен Э.М. Макмиллан автофазировка магнит
өрісінің механизмін ашқаннан кейін ғана анықталды. Оған сәйкес, егер үдеткіш өрістің
жиілігі ω(t) мен уақыт бойынша баяу өзгерсе, онда индукциясы B(t) бөлшектің энергиясы
өздігінен резонанстыққа жақын мән кабылдайды.
• Сөйтіп, бөлшектің шеңбер бойымен қозғалысының периоды мен дуанттарға берілетін
кернеудің периодын өзара үйлестіру мүмкін болды. Ол үшін үдеткіш өрістің жиілігін
уақытқа тәуелді кеміту немесе магнит өрісінің кернеуін уакыт өткен сайын арттыру керек.
• Магнит өрісі тұрақты, электр өрісінің жиілігі уақытқа тәуелді өзгертілетін үдеткіш
фазотрон деп аталады. Оның құрылымы циклотронның құрылымына ұқсас.
• Синхротронда электр өрісінің жиілігі өзгермейді, магнит өрісінің индукциясы иондардың
энергиясы өскенде өседі. Сонымен, қатар оның сипаттамаларын жақсарту және құнын
төмендету мақсатында құрылымдық өзгерістер де енгізіледі. Синхротронда электрондар
радиусы тұрақты орбитада жарық жылдамдығына өте жақын жылдамдыққа дейін
үдетіледі. Сондықтан, олардың магнит жүйесін (әлбетте, секторларға бөлінген) сақина
пішінді, ал дуанттардың орнына сақина түтік қолданылады.

23.

• Синхрофазатронда электр өрісінің жиілігі де, магнит өрісінің
индукциясы да, өзара тәуелді, иондар радиусы тұрақты
тепе-теңдік орбиталарымен қозғалатындай етіп,
өзгертіледі. Осыдан олардың құрылымы, синхротронның
құрылымына ұқсас.
• Олар ауыр бөлшектерді (протондар, иондар) үдетуге
колданылады. Олардың көмегімен үдетілген протондардың
энергиясы 400 ГэВ-қа дейін жеткізілді.
• Резонанстық циклдық үдеткіштің ерекше, арналған түрімикротрон. Оның құрылымы циклотронның құрылымына
ұқсас. Онда электрон айнымалы электр өрісімен үдетіледі.
Бірақ, үдеткіш саңылау орнына резонатор қолданылады.
Электрондар тұрақты және біркелкі электр өрісінде
козғалады. Электрондардың шеңбер бойымен айналу
периоды, осыдан олардың энергиясы да еселеп өзгереді.
Әлбетте, бір айнымалы электронның энергиясының
өзгерісі mc2 = 0,511 МэВ-қа тең.

24.

• Сызықтық үдеткіштердің жұмыс істеу принципі циклдық
үдеткіштердікімен бірдей. Оларда бөлшектер бір өстің
бойында бірінен соң бірі орналасқан қуыс цилиндрлер
араларындағы саңылауларда үлетіледі. Түтікшелерге
кернеу жоғары жиілікті айнымалы кернеу генераторынан
беріледі. Түтікшелердің ұзындықтары, бөлшектер
саңылауларға кернеудің үдету фазасында келетіндей етіп,
алынады
.
l=υt/2
мұндағы υ-бөлшек жылдамдығы, Т=2π/ω – үдеткіш
кернеудің тербелу периоды.

25.

• Нуклондардың және басқа элементар бөлшектердің ішкі
құрылымын, микроәлемде 10-¹⁷м және одан кіші
қашықтықта өтетін құбылыстардың заңдылықтарын
бақылап, зерттеу энергиялары жүздеген
тераэлектронвольтка тең бөлшектерді қажет етеді. Осыдан,
бөлшектерді осындай өте жоғары энергияға дейін үдету
міндеті ғана емес, олардың энергияларын тиімді пайдалану
талабы туады.
• Бұл талапты орындау мүмкіндігін түсіну үшін екі
релятивтік бөлшектің массалар (инерция) центрі жүйесі
мен лабораториялық жүйеде соқтығысуын қарастырайық
.
а+b-->c+d
Лабораториялық жүйеде а –оқ қозғалыста болады да, bнысана тыныш күйде тұрады. Нысана толық энергиясы
Е(лаб) импульсы Р(а) оқтармен атқыланады. Соқтығысудан
кейін екі болған бөлшектердің бәрі) қозғалыста болады.
Импульс пен энергияның сақталу заңдары бұл жүйеде
былайша жазылады

26.

АҚШ, Fermilab үдеткіш орталығының көрінісі. Тэватрон
(артқы жағындағы сақина) және инжектор сақинасы

27.

Венгриядағы алғашқы сызықтық үдеткіш үшін Ван де
Грааф генераторы. Онда 1952 жылы 1 МВ кернеу алынды

28.

Австралиялық синхротрон үшін сызықтық
электронды үдеткіш

29.

РҒА СБ ЯФИ, Новосибирск қаласындағы БЭП
электрондары мен позитрондарының шағын 900 МэВ
синхротрон — бустері

30.

МАҚСАТЫ
БОЙЫНША
ҮДЕТКІШ
Еркін
электрондардағы
лазер
Коллайдер

31.

Еркін электрондардағы лазер
.

32.

Коллайдер

33.

Қорытынды
.