ГОУ ВПО «Всероссийский заочный финансово – экономический институт»
Филиал в г. Омске
Контрольная работа
по предмету «Концепция современного естествознания»
на тему: «Что такое ускорители заряженных частиц, и какие
проблемы естествознания они решают?»
Выполнила:
студентка ФНО МО
Поток №3 группа№2
1 год обучения
л/д 10ММД46052
Проверил: профессор
Омск 2010
Что такое ускорители заряженных частиц, и какие проблемы
естествознания они решают?
Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника – наука о свойствах и закономерностях организованных в технических устройствах движений атомов и элементарных частиц с целями их применения в познавательной и промышленной деятельности людей.
Пучки заряженных частиц широко применяются в научной, промышленной и бытовой аппаратуре.
Зарямженная частимца - частица, обладающая электрическим зарядом. Заряженными могут быть как элементарные частицы, так и атомы, молекулы и многоатомные комплексы (кластеры, пылинки, капли). Заряд частиц всегда кратен элементарному заряду.
Физическим зарядом называется физическая величина источника специфического физического поля, образующегося возле каждой из вещественных частиц и обеспечивающего взаимодействие этих частиц. Исследуются классы зарядов: слабый цветовой, электрический. Наиболее практически значим и используется электрический заряд ионов, протонов, электронов.
Пучками электрически заряженных частиц являются организованные особыми техническими устройствами потоки однородных частиц, в том числе и по преимуществу ионные протонные, электронные пучки.
Во многих случаях пучок имеет цилиндрическую форму и состоит из заряженных частиц, движущихся в направлении, примерно параллельном оси цилиндра. Ось пучка может быть искривленной, если он проходит через поперечное электрическое или магнитное поле. В большинстве практических случаев частицы пучка движутся под малым углом к оси.
Ускоримтель зарямженных частимц - класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.
В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.
Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор.
Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия) (В. У.) – это ускоритель заряженных частиц (электронов), в котором ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В. У. по сравнению с др. типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях. Электростатический ускоритель - идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.
Разновидности:
Ускоритель Ван де Граафа. Ускоряющее напряжение создаётся генерато-ром Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения ~20МВ определяют максимальную энергию частиц ~20МэВ.
Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.
Линейные ускорители электронов небольших энергий часто используются, как часть самых разных электровакуумных приборов (электронно-лучевая трубка, кинескоп, рентгеновская трубка и др.).
Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1931 году Лоуренсом, за что ему была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.
Бетатрон, его другое название: индукционный ускоритель. Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан лишь в 1940—1941 гг. в США.
Микротрон - ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения. Фазотрон (синхроциклотрон), его принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ. Синхрофазотрон - циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Синхротрон - циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем. Лазер на свободных электронах (ЛСЭ) - специализированный источник когерентного рентгеновского излучения. Линейный ускоритель, также часто называется лимнак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускоритель, в котором частицы пролетают однократно. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени (!) энергии частиц. Колламйдер, он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.Сильноточные импульсные ускорители находят применение в установках для экспериментальных исследований в области инерциального термоядерного синтеза, для имитации воздействия на аппаратуру электромагнитного и проникающего излучения, возникающего при ядерных взрывах, в некоторых технологических процессах промышленного производства. Генерация мощных импульсов рентгеновского излучения для тестирования стойкости военной техники. Используются для модификации поверхностного слоя покрытия, и распыления материала для дальнейшего его осаждения — создание пленок и покрытий.
Нуклотромн — базовая установка Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), в Лаборатории физики высоких энергий им. и (ЛВЭ), предназначенная для получения многозарядных ионов (ядер) с энергией до 6 ГэВ на нуклон, пучков протонов, а также поляризованных дейтронов.
Ускоритель «Нуклотрон» был сооружён в Дубне в течение 1987—1992 годов в качестве модернизации ускорителя Синхрофазотрон. Он создан на основе уникальной технологии сверхпроводящих магнитов, предложенной и развитой в Лаборатории высоких энергий, которая в настоящее время носит имя академиков и . Производство структурных элементов осуществлено в Центральных экспериментальных мастерских ОИЯИ.
Применение ускорителей. Кроме научного, ускорители имеют и практическое применение. Так, линейные ускорители используются для создания нейтронных генераторов для радиационного испытания материалов, активно обсуждаются электроядерные методы наработки ядерного горючего и ускорения тяжёлых малозарядных ионов для управляемого инерционного термоядерного синтеза. В Лома-Линде (США) заканчивается сооружение специализированного комплекса с протонным синхротроном для лучевой терапии. Аналогичный проект рассматривается в России.
Перспективы развития ускорителей. Среди проектов крупных ускорителей, которые находятся в стадии разработки, строительства или уже вступили в строй, можно перечислить следующие: в России (г. Троицк, Мос. обл.) заканчивается сооружение "мезонной фабрики" на энергию 600 МэВ со ср. током 70 мкА. В 1993 она уже выдавала пучок с энергией 430 МэВ. Для производства изотопов используется пучок протонов с энергией 160 МэВ и со ср. током 100 мкА, в Протвино ведётся сооружение ускорительно-накопительного комплекса (УНК), рассчитанного на ускорение протонов до 3 ТэВ. УНК располагается в подземном туннеле с периметром 21 км. Ожидается интенсивность частиц в импульсе ~5.1012, в ФРГ (Гамбург) вступил в строй ускоритель на встречных пучках (HERA), предназначенный для изучения взаимодействия протонов (820 ГэВ) с электронами и позитронами (30 ГэВ), в Германии разрабатывается также проект линейного коллайдера DESY с энергией частиц 250x250 ГэВ (1-й вариант) или 500 х 500 ГэВ (2-й вариант), в ЦЕРНе (Швейцария) в тоннеле кольцевого электронно-позитронного ускорителя (LEP) начинается сооружение коллайдера для тяжёлых частиц LHC (Large Hadron Collider). На нём можно будет изучать столкновения протонов (2x7 ТэВ), протонов и электронов, протонов и ионов (включая свинец, 1148 ТэВ).
Ускорение тяжёлых ионов может производиться на нуклотроне (Дубна, Россия). Начиная с 1977 на протонном синхротроне в Дубне ускорялись различные ионы вплоть до углерода (4,2 ГэВ/нуклон, а с 1992-до 6 ГэВ/нуклон). На ускорителе "Сатурн" в Сакле (Франция) ускоряются ионы вплоть до аргона (до 1,15 ГэВ/нуклон). Ускоритель SPS (ЦЕРН) позволяет ускорять ионы кислорода и серы до 200 ГэВ/нуклон. В США разработан проект наиболее крупного сверхпроводящего суперколлайдера (SSC) на энергию 2 х 20 ТэВ. Сооружение этого ускорителя отложено.
Ускоримтели зарямженных частимц находят свое применение в научных исследованиях, в медицине для стерилизации продуктов питания, медицинского инструмента, при лечении онкологических заболеваний, в радиодиагностике, в производстве полупроводниковых устройств (инжекция примесей), в радиационной дефектоскопии, в радиационном сшивании полимеров, при радиационной очистке топочных газов и сточных вод.
Теоретическая физика элементарных частиц (ФЭЧ) строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля (раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы — квантовых полей; является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений). В рамках этой теоретической схемы любая элементарная частица рассматривается, как квант возбуждения определенного квантового поля. Для каждого типа частиц вводится собственное поле. Квантовые поля взаимодействуют, в этом случае их кванты могут превращаться друг в друга.
На сегодняшний день основным инструментом создания новых моделей в ФЭЧ является построение новых лагранжианов (лагранжиан - функция Лагранжа 
динамической системы, названа в честь Жозефа Луи Лагранжа, является функцией обобщённых координат 
и описывает эволюцию системы). Лагранжиан состоит из динамической части, которая описывает динамику свободного квантового поля, и частью, описывающей либо самодействие поля, либо взаимодействие с другими полями.
Главным результатом современной теоретической ФЭЧ является построение Стандартной Модели (теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, не включает в себя гравитацию) физики элементарных частиц. Данная модель базируется на идее калибровочных взаимодействий полей и механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии (механизм Хиггса). В настоящее время она — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10−18 м.
Стерилизация ионизирующим излучением проводится двумя методами: радиационным или лучевой стерилизацией г-лучами, применяют в специальных установках при промышленной стерилизации однократного применения - полимерных шприцев, систем переливания крови, чашек Петри, пипеток и других хрупких и термолабильных изделий. Источники УФ-излучения — ртутные кварцевые лампы. Их мощное бактериостатическое действие основано на совпадении спектра испускания лампы и спектра поглощения ДНК микроорганизмов, что может является причиной их гибели при длительной обработке излучением кварцевых ламп, при недостаточно мощном действии УФ в прокариотической клетке активизируются процессы световой и темновой репарации, то есть клетка восстанавливается. Метод применяется для стерилизации воздуха приточно-вытяжной вентиляции, оборудования в биксах, а также для стерилизации дистиллированной воды.Лечение злокачественных опухолей осуществляется с помощью радиотерапими, лучевой терапии — лечение ионизирующей радиацией (рентгеновским, гамма-излучением, бета-излучением, нейтронным излучением, пучками элементарных частиц из медицинского ускорителя).
Современное развитие ускорительной техники позволяет создавать мощные высокоэффективные ускорители протонов, дейтронов и других частиц на энергии в сотни и тысячи мегаэлектронвольт. Высокие технологические параметры ускорителей делают их перспективным средством решения проблем ядерной безопасности реакторов и проблемы уничтожения образующихся в них радиоактивных отходов. Использование мощных высокоэнергетических ускорителей заряженных частиц позволяет решить и проблему уничтожения радиоактивных отходов (РАО), возникающих в ядерно-топливном цикле при эксплуатации энергетических и иных ядерных реакторов. Обычная современная процедура обращения с РАО — это захоронение в земле или в морских глубинах. Но это не решение проблемы, а лишь отстранение ее на более поздние времена, « на потом», в расчете на будущее развитие науки и техники. настоящее время признается реальным (реализуемым) и физически допустимым способом уничтожение РАО трансмутацией, т. е. преобразованием наиболее опасных ( радиотоксичных и долгоживущих) радионуклидов в менее опасные (короткоживущие и менее токсичные) под воздействием пучков частиц, полученных на ускорителях.
Список использованной литературы:
1. Баранов, современного естествознания: физические науки: учеб. пособие/.-Омск:Изд-во ОмГТУ, 2010. – 304 с.
2. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. Перевод с английского канд. физ.-мат. наук . под редакцией д-ра физ.-мат. наук, профессора . Издательство «МИР», Москва. 1980г.
3. , Лебедев циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962
4. Википедия. Свободная энциклопедия. http://ru. wikipedia. org/wiki/ Заряженная частица
5. Электронный источник – сайт Лаборатории
Физики высоких энергий им. и http://www. lhe. jinr. ru/index_rus. html
6. Электронный источник – Эксперимент. , , http://nuclphys. sinp. msu. ru/experiment/
7. Электронный источник – Физическая энциклопедия http://www. femto. /articles/part_2/4241.html
8. Электронный источник – Использование ускорителей заряженных частиц в ядерно-топливном цикле. http://www. eco. nw. ru/lib/data/06/1/030106.htm
9. A. Chao, M. Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999
