close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Реферат

код для вставки
МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ «ЛИЦЕЙ»
Исследовательская работа
«Модель ускорителя элементарных частиц»
Естественные науки
Выполнил:
ученик 4 «Б» класса
МБОУ «Лицей»
Маленков
Владимир Александрович
Руководитель:
Учитель русского языка и
литературы
Купряшина
Ольга Александровна
ПРОТВИНО 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение……………………………………………………………...3
2. Что такое ускоритель заряженных частиц и как он работает……4
3. Классификация ускорителей………………………………………...5
4. Ускоритель в Протвино……………………………………………...8
5. Практическое применение ускорителей…………………………….9
6. Модель ускорителя заряженных частиц……………………………10
7. Список использованных источников и литературы…....................11
2
Актуальность
В настоящее время широкое применение в науке и технике нашли
ускорители заряженных частиц – установки для получения пучков
заряженных частиц (протонов, электронов, античастиц, ядер других атомов)
высоких энергий – от десятков кэВ (10 3 эВ) до нескольких ТэВ (1012 эВ). В
технике
такие
ускорители
используются
для
получения
изотопов,
упрочнения поверхностей материалов и производства новых материалов, для
создания источников электромагнитного излучения (от микроволнового до
рентгеновского излучения), широко применяются в медицине и т.д. Однако,
по-прежнему, к числу основных областей применения ускорителей относятся
ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители
заряженных частиц – главные источники информации для физиков,
изучающих вещество, энергию, пространство и время. Подавляющее
большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в
естественных условиях на Земле и получены на ускорителях. Именно
потребности физики элементарных частиц являются главным стимулом для
развития ускорительной техники, и в первую очередь для повышения
энергии, до которой могут быть ускорены заряженные частицы.
Силы взаимодействия частиц мира атомов настолько велики, что
справиться с ними могут только равносильные им машины - ускорители,
создающие необходимые по мощности электромагнитные поля.
Как же устроены ускорители заряженных частиц? Что заставляет
частицы двигаться по ускорителю?
Проблема: как электромагнитное поле может двигать частицы?
Цель: построить модель ускорителя заряженных частиц.
Задачи:
- изучить действие электромагнитного поля на заряженные частицы;
- на практике понять и изучить принципы работы ускорителей
заряженных частиц;
3
- вызвать интерес у одноклассников к физике элементарных частиц.
Этапы работы:
 Изучение литературы по интересующему меня вопросу
 Формирование цели и задач
 Подбор материала для изготовления модели ускортеля
 Сборка модели ускорителя заряженных частиц
Что такое ускоритель заряженных частиц и как он работает
Исследуя явление радиоактивности и, обнаружив, что некоторые
частицы имеют электрический заряд, физики смогли воспользоваться этим
явлением. Создавая определенные электромагнитные поля, стало возможно
удерживать и разгонять заряженные частицы по определенным траекториям
до необходимых энергий, ударяя эти частицы в специально подготовленные
мишени, исследовать структуру материи, по разлетающимся осколкам
«снаряда» и частиц мишени. Электрическое поле способно напрямую
совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию.
Современные
ускорители
заряженных
частиц
являются
самыми
крупными экспериментальными установками в мире, причем энергия частиц
в ускорителе линейно связана с его размером. Так, линейный ускоритель
электронов SLC на энергию 50 ГэВ в Стэнфордском университете (США)
имеет длину 3 км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию
900 ГэВ в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США) составляет 6,3 км, а в
Женеве (ЦЕРН) длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км.
Постоянно возрастающие размеры ускорителей уже достигли границы
разумного соотношения физических характеристик и финансовых затрат,
превращая строительство ускорителей в проблему национального масштаба.
Можно говорить, что чисто инженерные решения тоже близки к своему
пределу. Очевидно, что дальнейший прогресс в ускорительной технике
должен быть связан с поисками новых подходов и физических решений,
4
делающих ускорители компактнее и дешевле в сооружении и эксплуатации.
Последнее также немаловажно, так как энергопотребление современных
ускорителей близко к энергопотреблению небольшого города. Пришло время
обратиться к новым достижениям в радиофизике, физики плазмы, квантовой
электронике и физике твердого тела, чтобы найти достойные решения.
Безусловно крупнейшим достижением ускорительной техники является
Большой Адронный Коллайдер (БАК), с помощью его мощностей физики
хотят заглянуть в тайны мироздания. Это сложнейший комплекс на котором
работает более 10000 человек из более чем 100 стран мира. Длина основного
кольца ускорителя 26659 метров. В ускорителе сталкиваются протоны с
энергией 14 ТэВ, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ. Благодаря работе
ускорителя учёнными были открыты новые элементарные частицы: бозон
Хиггса, тетракварк и пентакварк.
Классификация ускорителей
Современные ускорители классифицируют по разным признакам:
 По типу ускоряемых частиц (различают электронные ускорители,
протонные ускорители и ускорители ионов);
 По характеру траекторий частиц (линейные ускорители, в которых
траектории частиц прямолинейны, и циклические ускорители, в
которых траектории частиц близки к окружности или спирали).
 По характеру ускоряющего поля (резонансные и нерезонансные).
 По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в
перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировке).
Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители,
там, где не нужны высокие энергии частиц - линейные ускорители.
Линейный ускоритель
5
В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к
прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются
ускоряющие станции.
В линейных ускорительных системах высокочастотные поля были
впервые применены в 1929, когда норвежский инженер Р.Видероэ
осуществил
ускорение
ионов
в
короткой
системе
связанных
высокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазовая
скорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения в
ускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае
подобно скольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов
или ионов в процессе ускорения могут сильно увеличиваться.
Преимущество линейных ускорителей над циклическими — отсутствие
громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие
плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической
системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают
возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока
применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей.
Циклический ускоритель
В циклических ускорителях реализуется способ ускорения пучка путем
многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с
помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по круговой
орбите и много раз проходить один и тот же ускоряющей промежуток.
Впервые этот способ был реализован в 1930 году Э.Лоуренсом и
С.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне.
В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает
траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые
ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны,
бетатроны и микротроны).
6
Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств,
к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного
цикла.
Типы циклических ускорителей
Деление осуществляется в зависимости от особенностей режимов
ускорения:
 если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны
во времени - «циклотрон»,
 если магнитное поле нарастает во время цикла ускорения «синхротрон»,
 если
при
этом
изменяется
и
частота
ускоряющего
поля
-
«синхрофазотрон».
В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода
ускорения скорость частиц увеличивается настолько, что они обращаются по
круговой
орбите
практически
с
постоянной
частотой,
поэтому
синхрофазотроны для протонов высоких энергий называют «протонными
синхротронами».
Коллайдеры
Коллайдеры — ускорители заряженных частиц на встречных пучках,
предназначенные для изучения продуктов их соударений. В коллайдерах
элементарным частицам вещества сообщается наиболее высокая энергия, так
как при встречном движении растёт относительная скорость. Это чисто
экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов
столкновения частиц высоких энергий.
7
Ускоритель в Протвино
В 1958 году было принято решение о строительстве в СССР нового, в
то время самого мощного в мире, ускорителя элементарных частиц. По
техническому проекту ускоритель должен быть на монолитном основании,
так как опоры огромного кольцевого магнита, являющегося основой
ускорителя, должны быть очень устойчивы. К тому же район должен быть
благоприятным в сейсмическом отношении, так как требовалась точнейшая
постоянная фиксация оси вакуумной камеры. В результате исследования 40
площадок в 14 областях страны, в том числе в Сибири, на Урале и Дальнем
Востоке, был принят «Серпуховский вариант». Здесь, когда-то в древности,
было море, бывшее дно которого, плотная известняковая скала, так
называемое Приокское плато, и послужило основанием фундамента
ускорителя. В 1960 году было начато строительство Института Физики
Высоких Энергий (ГНЦ ИФВЭ).
У-70 — протонный синхротрон рассчитанный на энергию 70 ГэВ,
сооружённый в 1967 году в Институте физики высоких энергий, Протвино.
На момент сооружения энергия ускорителя была рекордной. За разработку и
ввод в действие синхротрона У-70 коллектив учёных был удостоен
Ленинской премии в 1970 году.
Комплекс работает в импульсном режиме. Протоны ускоряются до 30
МэВ в линейном ускорителе УРАЛ-30, и инжектируются в быстроцикличный
бустерный синхротрон У-1.5 периметром 100 м, где ускоряются до энергии
1,32 ГэВ, после чего перепускаются в У-70. Далее в течение ~9 с следует
цикл ускорения до максимальной энергии 76 ГэВ, и пучок используется для
формирования различных вторичных пучков частиц. Система медленного
вывода протонного пучка дает возможность выводить ускоренные протоны
равномерно в течение длительного (до 2 с) промежутка времени.
Многие сотрудники ИФВЭ из нашего города принимают активное
участие в международных ускорительных проектах, включая БАК.
8
Практическое применение ускорителей
Физика - фундаментальная наука. Процесс изучения строения материи
очень сложен, и дорог. Часто результаты исследований и практическое их
применение находится не сразу, и не всем заметно в жизни. Но с
результатами этих экспериментальных установок в современной жизни мы
сталкиваемся повсюду.
Давайте разберёмся подробнее, где используются ускорители.
 Научные исследования - понять как что-то устроено и как «работает»
можно только разобрав механизм устройства и взаимодействия всех
«винтиков». Вот для решения этих задач и работают ускорители
 Стерилизация продуктов питания, медицинского инструмента - в
настоящее
время
таким
методом
стерилизуется
более
50%
медицинских изделий одноразового пользования. Для стерилизации
применяют
электронные
пучки.
Энергия
электронных
пучков
составляет в основном 5 – 10 МэВ. Пучки с более низкой энергией
находят применение для стерилизации упаковки медицинских изделий.
 Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика) Одно из наиболее быстро развивающихся направлений использования
ускорителей заряженных частиц. Известно, что в наиболее развитых
странах лучевая терапия применяется для 70% всех больных раком, в
России же этот вариант лечения применяется пока лишь в 20% случаев.
Эффективность излечивания оценивается за рубежом уровнем порядка
60%, в России же – ниже 40%.
 Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
 Радиационная дефектоскопия - комплекс физических методов и
средств неразрушающего контроля качества материалов, заготовок и
изделий с целью обнаружения дефектов их строения. Этим методом
выявляются
трещины,
непровары,
подрезы и другие дефекты в изделиях.
9
непропаи,
включения,
поры,
 Радиационное модифицирование материалов (например, сшивание
полимеров для производства проводов и кабелей, что приводит к
повышению их механической прочности, термостойкости, улучшению
электроизоляционных свойств).
 Радиационная очистка топочных газов и сточных вод, обработка
природной воды, обработка твердых отходов.
Модель ускорителя заряженных частиц
Я представляю условную модель линейного ускорителя заряженных
частиц.
Для наглядности происходящих процессов в качестве частицы (пучка
частиц) я использовал намагниченный стальной шарик. Прозрачная трубка
это канал, по которому движутся частицы и удерживаются в нем магнитным
полем. Обмотками электропровода обозначили ускоряющие станции,
которые разгоняют частицы до необходимых энергий.
В
существующих
ускорителях
работа
ускоряющих
станций
представляет собой процесс, рассчитываемый по сложным формулам. В
представленной модели для упрощения я использовал кнопки, каждая из
которых подключает свою обмотку. В качестве источника питания
установлена
аккумуляторная
батарея
12
Вольт.
Нагрузкой
является
автомобильная лампа 85 Ватт.
Как
видите,
этих
параметров
достаточно,
чтобы
создать
электромагнитное поле оказывающее существенное воздействие на шарик, и
заставляющее его двигаться в «канале» нашего ускорителя.
10
Список литературы
1. В.Н Забаев. Применение ускорителей в науке и промышленности.
Томск: Изд-во ТПУ, 2008.
2. Э. Роджерс. Физика для любознательных. Т 3. Электричество и
магнетизм. Атомы и ядра. МИР 1973.
3. http://protvino.ru
3. http://ihep.ru
4. http://protvinolib.ru/kraevedenie/istoriya-g.protvino.html
11
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
24
Размер файла
82 Кб
Теги
рефераты
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа