Реакции с тяжелыми ионами предоставляют уникальную возможность получить ядра вблизи границ стабильности и проникнуть в область химических элементов второй сотни. В курсе рассматриваются основы физики тяжелых ионов, а также современные тенденции в исследовании ядерных реакций. Предметом курса является одно из новых направлений ядерной физики — физика тяжелых ионов, занимающаяся исследованием ядерных реакций, переходом одних ядер в другие, синтезом новых ядер. Физика тяжелых ионов позволяет изучать коллективные ядерные процессы, характеризуемые предельно большими изменениями ядерной формы, сильным перераспределением энергии между различными степенями свободы систем. Дана классификация ядерных реакций с тяжелыми ионами и их анализ с точки зрения новых изотопов у границ ядерной стабильности. Рассматриваются возможности современных ускорителей для синтеза ядер с использованием ядерных реакций с тяжелыми ионами. На примерах показана связь исследований в области физики тяжелых ионов с прикладными исследованиями: ядерная медицина, радиационная физика твердого тела. Отдельный модуль курса посвящен вопросам истории образования Вселенной с точки зрения физики элементарных частиц, ядерной физики. Обсуждается проблема нуклеосинтеза и непосредственная связь ядерно-физических экспериментов, с астрофизическими явлениями.
Развитие методов ускорения. Часть 2
Loading...
From the course by National Research Nuclear University MEPhI
Физика тяжелых ионов
оценки
Meet the Instructors
Пенионжкевич Юрий ЭрастовичДоктор физико-математических наук
Кафедра экспериментальных методов ядерной физики
Давайте поговорим о классификации
и развитии методов ускорения.
Вспомним, как начинались первые ускорители,
с какой целью они создавались
и их развитие по мере необходимости получения частиц,
пучков частиц тяжелых ионов в более высоких энергиях.
Первая ядерная реакция была осуществлена
в 32 году Кокрофтом и Уолтоном в Кембридже, в Англии.
Там ускорялись протоны до энергии всего лишь 150 кэВ.
Это первый ускоритель заряженных частиц,
который был создан в 32 году и на нем были получены
достаточно интересные результаты по атомной физике,
это энергии, конечно, ближе по своим характеристикам к атомной физике.
Через несколько лет после этого,
американский ученый Ван де Грааф,
создал электростатический генератор,
который позволил иметь энергию частиц, заряженных частиц,
уже до нескольких мегаэлектронвольт.
Это было оригинальное решение, когда
использовался кондуктор, специальный сферический,
и на него с помощью специальной ленты из шелка, шелковой ленты,
подавался заряд и накапливался на этом кондукторе сферическом,
полусферическом, заряд, с помощью специального высоковольтного источника.
Вся проблема состояла в том, что естественно
кондуктор не мог выдержать большое напряжение,
и начинались пробои, при определенном критическом
значении этого напряжения, поэтому
вот электростатический генератор ограничивал
так же получение более высокой энергии частиц.
Развитием этого генератора явился тандем Ван де Граафа.
Здесь уже было применено более, так сказать,
оригинальное решение, когда дважды
частица проходила через ускоряющее напряжение и меняла свой заряд.
Частицы, имеющие заряд ZE,
в таком ускорителе приобретало кинетическую энергию T = Z*E*V.
Существенное преимущество таких ускорителей,
которые в принципе существует до сих пор,
например в Лаборатории Нейтронной Физики в ОИЯИ,
до сих пор работает тандем,
генератор Ван де Граафа, получают пучки легких ядер,
вплоть до дейтронов и α-частиц.
Их преимущества. Первое, это непрерывный пучок
не импульсный, непрерывный, что позволяет использовать
достаточно большие интенсивности пучков.
И второе, это их высокое энергетическое разрешение.
Вот сейчас я перейду дальше к линейным ускорителям,
уже другого поколения, и вот только линейные ускорители,
только генераторы, позволяют получать пучки
с энергетическим разрешением до 10 в -4.
Это уникальные установки для экспериментов, когда требуется
высокое энергетическое разрешение, изучение
резонансов ядерных реакций,
с высоким энергетическим разрешением.
Вот еще раз схема генератора Ван де Граафа.
Мы видим, вот снизу, источник напряжения,
с которого потенциал снимается с помощью вот этой ленты,
которая движется непрерывно
в специальной вакуумной колонне и отдает свой заряд,
с помощью специальных электродов, на полусферу,
которая является неким, так сказать, катодом в этой системе.
Вот в этой системе, уже в генераторе Ван де Граафа,
уже энергия частицы может достигать до 20 МэВ.
Ее более высокая величина лимитируется
высоким напряжением, или пределом по высокому напряжению,
которое подается на колонну.
Дальше развитием вот этого генератора Ван де Граафа,
является электростатический генератор,
который позволяет ускорять частицы и ионы
до более высоких энергий,
до энергии порядка 5 МэВ на нуклон уже.
Идея состоит в том, что происходит
в ионном источнике отрицательное получение
или генерация отрицательных ионов,
которые в специальной ускоряющей трубке
идут в специальном баке, наполненном инертным газом,
поступает на перезарядный газовый канал,
и перезаряжаясь и получая положительный заряд, они
вторично ускоряются во второй части
этого электростатического генератора.
Таким образом, энергия получаемая в электростатическом генераторе
удваивается, и с их помощью удается получать уже
более высокоэнергичные частицы и тяжелые ионы, и
этот аппарат используется до сих пор во многих
лабораториях, которые занимаются прецизионными измерениями
характеристик или структуры ядерной материи.
Однако, энергии интенсивности пучков ионов
в тандемах, и вот в таких линейных ускорителях, невелики.
Их преимущество высокое, как я уже говорил высокая стабильность
и высокое энергетическое расширение до 10 в –4 ΔЕ/Е.
Теперь естественно идем дальше по повышению энергии,
которая необходима для экспериментов, связанных
с более тонкими эффектами,
с ядро-ядерными взаимодействием при больших энергиях.
Как я уже отмечал, дальнейшее повышение
напряжения на кондукторе, вот этого Ван де Граафа генератора,
связано с проблемами из-за электростатических пробоев.
Мы не можем повысить сильное напряжение на катоде
и на кондукторе, потому что начинаются пробои.
Есть некоторые технологические хитрости,
наполняют специальным газом этот генератор или тандем, но
все равно энергия лимитирована.
Эта проблема, проблема повышения энергии,
увеличения энергии тяжелых ионов
решается уже в линейных высокочастотных ускорителях.
Это ускорители другого типа, где используются
многочисленные электроды, на которых подается частота,
переменная частота, и частицы проходят по прямолинейной
прямой траектории через вот эти высокочастотные электроды.
Значит в этом случае естественная энергия
частицы зависит от длины ускорителя,
от количества этих высокочастотных электродов,
но в разумных пределах — где-то 50 метров до 100 метров.
Высокочастотный ускоритель, позволяет получать
тяжелые ионы с энергией до 10 в 9 эВ, т. е. до 1 ГэВ.
Это уже большое преимущество ускорителя,
учитывая его высокое разрешение
и учитывая его высокую стабильность,
и естественно нецикличность. Т. е. это
постоянная интенсивность, постоянный пучок,
неимпульсный пучок ускоряемых тяжелых ионов,
что немало важно при проведении различных экспериментов.
Но между тем, и этот метод
по энергии имеет ограничения,
связанные с тем, что мы не можем длину ускорителя
увеличивать бесконечно по причинам чисто технологическим.
И возникают другие факторы,
которые при увеличении размера линейного ускорителя
не позволяют ускорять частицы до высоких энергий.
Это различные флуктуации,
это необходимость очень высокого вакуума и прочее.
Таким образом, следующим этапом в развитии ускорителей
тяжелых ионов явилось использование
циклических ускорителей — так называемых циклотронов.
Это ускорители, опять, совершенно иного типа,
нежели линейные ускорители.
В этих ускорителях ускоряемые ионы
многократно пресекают ускоряющие электроды — дуанты —
т. е. движение частицы, которая инжектируется внутрь
этой системы, внутрь циклотрона.
Она специальными высокочастотными электродами — дуантами,
попеременно меняющими полярность,
притягивается поочередно то к одному, то к другому дуанту,
ускоряется, увеличивает радиус ускорения,
удерживается магнитным полем в горизонтальной плоскости
и достигает уже энергий довольно высоких. Т. е.
в циклотронах современных,
обычных циклотронах, классических, эта энергия
может достигать до 100–200 МэВ.
Вот это следующий этап наиболее популярный в настоящее
время способ ускорения тяжелых ионов, который
используется в большинстве лаборатории,
научных лабораторий мира, для исследований
в области ядерной физики, физики тяжелых ионов.
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2018 Все права защищены.
