Материалтану
Зарядталған бөлшектердің үдеткіштері
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
Зарядталған бөлшектердің үдеткіштеріЗарядталған бөлшектердің үдеткіштерін жіктеудің негізгі белгілері бөлшектердің траекториясының формасы және жеделдетілген бөлшектерге энергия беретін электр өрісінің түрі болып табылады. Траектория түзу сызықты болуы мүмкін (оның бөлшектері бір рет өтеді) немесе бірнеше рет қайталанатын дөңгелек немесе спираль болуы мүмкін. Тиісінше, үдеткіштер осы негізде сызықтық және циклдік болып бөлінеді. Бөлшектерді жеделдету үшін әртүрлі тәсілдермен алынған тұрақты және ауыспалы электр өрістері қолданылады. Тұрақты электр өрісіндегі үдеу бөлшектердің түзу сызықты қозғалысы кезінде ғана мүмкін болады, айнымалы электр өрістері циклдік үдеткіштерде және бөлшектердің түзу сызықты қозғалысы бар үдеткіштерде қолданылады. Циклдік үдеткіштерде қисық сызықты траекториялардың қалыптасуы магнит өрістерінің көмегімен жүзеге асырылады. Тұрақты электр өрісі бар жоғары вольтты үдеткіштердің қарапайым жұмыс принципі, кейде тікелей әсер ететін үдеткіштер деп аталады. Мұндай үдеткіштерде бөлшектер тікелей сызықты траекториялар арқылы екі электродтың арасындағы алшақтықты алады, оған u потенциалдар айырмасы қолданылады. q заряды мен массасы бар бөлшек осындай аралықтан өткеннен кейін E = qU энергиясын алады және жылдамдық v = (2 qU / m)1/2. Мұндай үдеткіштердегі U үдеткіш кернеуінің мәні 5-20 МВ жетуі мүмкін. Сондықтан, олардың электрлік беріктігін қамтамасыз ететін нақты құрылымдарда, яғни электрлік бұзылуларды болдырмау үшін жоғары вольтты саңылаулар ауыспалы металл электродтардан және оларды бөлетін оқшаулағыштардан мерзімді құрылымдар түрінде жасалады (сурет. 5.71) үдеткіш түтікті құрайды. Электродтардың конфигурациясы түтік ішіндегі бөлшектердің сәулесіне бағытталған әсер ететін етіп таңдалады. U потенциалының астында орналасқан үдеткіш түтіктің ұшына жылдамдатылатын зарядталған бөлшектердің көзі, ал қарама – қарсы Жерге тұйықталған ұшына зерттелетін үлгілері мен бақылау - өлшеу аппаратурасының сенсорлары бар эксперименттік камера орнатылады. Үдеткіш түтіктің аралық электродтары кернеу бөлгішінің буындарына қосылады, бұл түтіктің ұзындығы бойымен үдеткіш иірімнің біркелкі таралуын және оның жеке бөлімдерінде потенциалдар айырмашылығының төмендеуін қамтамасыз етеді. Үдеткіш түтіктер тігінен де, көлденең де орналасуы мүмкін. Сур. 4.71. Үдеткіш түтік фрагментінің схемасы Сипатталған үдеткіштерде қолданылатын тұрақты жоғары кернеу екі негізгі жолмен алынады. Олардың бірі кернеуді көбейтудің каскадты диодты схемасын қолдану арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде оны қолдану арқылы құрылған үдеткіштер каскадты үдеткіштер немесе каскадты генераторлар деп аталады. 1931 жылы ұсынылған тағы бір ерекше әдіс. Американдық физик Ван де Грааф кондуктор деп аталатын жоғары вольтты үдеткіш электродта үлкен электр зарядын және сәйкесінше зарядты үздіксіз қозғалатын диэлектрлік таспамен немесе диэлектрлік кірістері бар металл тізбекпен тасымалдау арқылы жоғары потенциалды құрудан тұрады деген тұжырымдама жасады. Осы схема бойынша салынған үдеткіштер Ван де Граафтың электростатикалық үдеткіштері (генераторлары) деп аталады. Жоғары вольтты үдеткіштердің электр беріктігін қосымша арттыру үшін олардың үдеткіш түтіктері герметикалық қаптамамен жабылады, оның ішіне 10-15 атмосферадағы қысымға дейін сорылады, N 2 + CO2 газ қоспасы немесе жоғары электр оқшаулағыш қасиеттері бар күкірт гексафториді SF6, сонымен қатар элегаз деп аталады. Сур. 4.72. AN-2500 электростатикалық үдеткіштің үдеткіш түтігі 4.72 - сур. бірнеше жыл бұрын ММУ ҒЗИЯФ-да пайдалануға берілген 2,5 МэВ дейінгі энергияға HVE (Голландия) фирмасының өндірген AN-2500 электростатикалық үдеткіштің түтігінің жалпы көрінісін көрсетеді. Үдеткіш қорғаныс корпусынсыз көрсетілген, бұл түтіктің дизайнын жақсы көруге мүмкіндік береді. Жоғары тұрақты үдеткіш кернеуді қолданудың баламасы-зарядталған бөлшектерді жеделдету үшін суретте көрсетілгендей екі топқа электрлік біріктірілген қуыс цилиндрлік электродтар жүйесіне (дрейф түтіктері) қолданылатын салыстырмалы түрде төмен (30-40 кВ) жоғары жиілікті айнымалы кернеуді қолдану. 4.73. Бөлшек электродтар арасындағы саңылаулардағы үдеткіш электр өрісінің әсерінен қосымша энергия алады. Түтіктердің ішінде өріс жоқ және бөлшектердің қозғалысы инерция арқылы жүреді. Айнымалы кернеудің жиілігі және электродтар жүйесінің геометриялық параметрлері әр саңылауда бөлшек электр өрісінің үдеткіш фазасына түсетін етіп таңдалады. Бұл жағдайды қамтамасыз ету үшін дрейф түтіктерінің ұзындығы бөлшектердің жылдамдығының өсуіне сәйкес электродтар жүйенің кіріс ұшынан алыстаған сайын артады. Сур. 4.73. Дрейф түтіктері бар сызықтық үдеткіштің схемасы: И-ион көзі; 1-5-дрейф түтіктері Қазіргі сызықтық ион үдеткіштерінде дрейф түтіктерінен тұратын сипатталған құрылымдар цилиндрлік резонаторларға орналастырылады, онда электр өрісінің бойлық компоненті бар тұрақты электромагниттік толқын жасалады. Мұндай жүйе тиімдірек және үдеткіштің жұмыс істеуі үшін қажет электр қуатын едәуір төмендетеді. Жоғары жиілікті сызықты электронды үдеткіштер жұмыс істейтін толқыны бар диафрагмалық толқындар негізінде жасалады. Бұл жүйелерде үдетілген электрондардың қосымша энергия беретін толқынның бойлық электр өрісімен үздіксіз өзара әрекеттесу шарттары қамтамасыз етіледі. Үдеткіштердің келесі өте кең класы-әртүрлі типтегі циклдік үдеткіштер. Тарихи тұрғыдан алғанда, осы кластағы үдеткіштердің алғашқы өкілі-циклотрон, оның өнертабысы электростатикалық генератор сияқты 1930 жылдардың басына жатады. Циклотронда зарядталған бөлшектер үдеткіш саңылаудың бірнеше рет өтуі нәтижесінде соңғы энергияны алады, оған салыстырмалы түрде аз электр кернеуі қолданылады. Бұл үдеу принципін жүзеге асыру үшін циклотр жұмыс камерасында электр өрісінен басқа, бөлшектердің траекториясы орналасқан жазықтыққа перпендикуляр бағытталған магнит өрісі жасалады. Көлденең магнит өрісінде қозғалатын зарядталған бөлшектерге әсер ететін Лоренц күші олардың траекториясын қисайтады, бірақ бөлшектерге қосымша энергия бермейді. Бөлшектердің үдеуі тек электр өрісінің энергиясына байланысты болады. Циклотрон схемасы суретте көрсетілген. 5.74. Жұмыс камерасында арнайы қорлар арқылы жоғары жиілікті кернеу берілетін қуыс металл электродтар орналастырылған. Камераның ортасында ион көзі орналасқан. Көзден шыққан бөлшектер жұмыс камерасында спиральды траектория бойымен қозғалады, дуанттар арасындағы алшақтық өткен кезде жеделдейді. Осылайша, циклотрондағы бөлшектерді жеделдетудің қажетті шарты-бұл бөлшектердің магнит өрісіндегі айналым жиілігінің дуанттардағы айнымалы электр кернеуінің жиілігімен сәйкес келуі, яғни, жоғарыда қарастырылған жоғары жиілікті сызықтық үдеткіштердегі резонанс жағдайына ұқсас резонанс жағдайы. Шартты сақтауды қажет ететін үдеткіштер резонанстық деп аталады.
Сур. 4.74. Циклотрон схемасы: 1-дуанттар; 2, 4 – электромагнитті полюстер; 3-вакуумдық камера; 5-ион көзі Траекторияның белгілі бір максималды радиусына және сәйкесінше берілген циклотрон үшін максималды энергияға жеткенде, бөлшектер жұмыс камерасынан ион өткізгішке арнайы құрылғы-дефлектор арқылы шығарылады. Сипатталған циклотронда дуанттарға қолданылатын кернеу жиілігі және көлденең магнит өрісінің индукциясы өзгеріссіз қалады. Уақыт пен кеңістіктегі осы параметрлерді өзгерту арқылы үдеу процесінің тиімділігін арттыруға және бөлшектердің жоғары энергиясына қол жеткізуге болады. Изохронды циклотрондарда орталықтан периферияға белгілі бір заңға сәйкес өсетін магнит өрісі қолданылады, бұл олардың энергиясының өсуіне және орбиталар радиусының тиісті ұлғаюына қарамастан тұрақты иондардың айналу жиілігін сақтауға мүмкіндік береді. Бұл көптеген циклдардың созылуында иондарды жеделдетуге, демек олардың соңғы энергиясын арттыруға мүмкіндік береді. Ауыр иондарды жеделдету үшін қолданылатын фазотрондарда (синхроциклотрондарда) сол түпкілікті нәтижеге қол жеткізуді қабылдау – иондардың энергия өсуімен олардың қалпына келу кезеңінің ұлғаюына қарай дуанттарға қолданылатын кернеу жиілігін төмендету есебінен қамтамасыз етіледі. Электрондарды да, иондарды да жеделдету үшін қолданылатын синхротрондар электр өрісінің тұрақты жиілігінде жұмыс істейді, бірақ уақыт өте келе магнит өрісі жоғарылайды. Иондарды жеделдету үшін қолданылатын синхрофазотрондарда магнит өрісінің индукциясы мен айнымалы электр өрісінің жиілігі уақыт өте келе өзгереді. Тағы екі кең таралған электронды осцилляторды атап өткен жөн: микротрон және бетатрон. Микротрондар, әдеттегі циклотрондар сияқты, айнымалы электр өрісінің тұрақты жиілігімен және тұрақты біртекті магнит өрісімен жұмыс істейді. Алайда, егер қарапайым циклотронда бөлшектердің айналу жиілігі электр өрісінің өзгеру жиілігімен синхрондау жағдайларының тез бұзылуына байланысты электрондардың үдеуі мүмкін болмаса, онда микротрондарда бұл кедергі бірнеше үдеу режимі деп аталады. Бұл режимде үдеткіш саңылаудың (резонатордың) қиылысында энергияның келесі бөлігін алғаннан кейін, электрондардың айналу кезеңінде саңылаудағы жоғары жиілікті кернеу кезеңдері бүтін санына артады, нәтижесінде электрондар кернеудің үдеткіш фазасында әрдайым алшақтықтан өтеді. Бетатронның жұмыс принципі синусоидалы кернеу көзінен қоректенетін электромагнит шығаратын айнымалы магнит өрісі арқылы үдеткіш электр өрісінің индукциясына негізделген. Бұл жағдайда индукцияланған электр өрісі электр магнитін беретін кернеу кезеңінің төрттен бір бөлігі үшін электрондарға қатысты үдететіні анық. Осыған қарамастан, осы уақыт ішінде электрон тұрақты радиусы бар орбитада бірнеше миллион революция жасай алады, әр айналымда шамамен 10 эВ энергия алады. Нәтижесінде бетатрондарда қол жеткізілген электрондардың энергиясы 10-100 МэВ құрайды. Барлық сипатталған үдеткіштер ҒА материалдары мен жабдықтарына радиациялық әсерді зерттеуді қоса алғанда, іргелі және қолданбалы зерттеулерде пайдаланылады. Кестеде. 4.7 ММУ ҒЗИЯФ-да әзірленген және пайдаланылатын үш электрондық үдеткіштің параметрлері келтірілген. Кесте 4.7. Электрондар үдеткіші НИИЯФ ММУ
5.75 - сур. эксперименттік камерасы қосылған 1,2 МэВ энергияға сызықтық электронды үдеткіштің төменгі бөлігін көрсетеді. Көрсетілген энергиясы бар электрондардың сәулесі көлденең және бойлық сканерлеу магниттерінен өтіп, қалыңдығы 100 мкм титан фольга арқылы атмосфераға шығарылады. Үдеткіштің шығыс терезесінің өлшемі 5-50 см 2. Үлгілерді сәулелендіру вакуумдық камерада жүргізіледі, оған кіреберісте камераны атмосферадан бөлетін осындай фольга орнатылады. Екі фольгадағы ысыраптарды ескере отырып, үлгілердің бетіндегі электрондардың энергиясы 1,0 мән 0,03 МэВ құрайды. Сызықтық импульсті үдеткіштің шығысындағы электрондардың энергиясы ~4-12 МэВ аралығында өзгеруі мүмкін. Сонымен қатар, үдеткіш жүйені жоғары жиілікті энергиямен қамтамасыз ететін электронды зеңбірек пен клистрон режимдерін өзгерту арқылы үдеткіштің шығысында суретте көрсетілген энергетикалық спектрлері бар электрондар ағынын дәйекті түрде алуға болады. 5.76. Мұнда үдеткіштің шығысындағы токтың салыстырмалы мәні ординат осі бойымен кейінге қалдырылады. Спектрлердің мұндай реттілігі зерттелетін үлгілердің сәулелену жағдайларын жердің радиациялық белдеулеріндегі жағдайларға жақындатады. Бөлінген микротронның ерекшелігі-қарапайым микротрондағы бөлшектердің жабық траекториясын қалыптастыру үшін қолданылатын тұрақты магнит, екі аралық айналмалы магнитпен алмастырылады, олардың арасында сызықтық үдеткіштерде қолданылатын құрылым орналастырылған. Бұл бір орбитадан өткеннен кейін, электрондар алған энергияны едәуір арттыруға мүмкіндік береді. Сур. 4.75. Эксперименттік камерасы қосылған сызықтық электронды үдеткіштің төменгі бөлігі Сур. 4.76. Үдеткіштің әртүрлі жұмыс режимдеріндегі электрондардың энергетикалық спектрлері ММУ ҒЗИЯФ және басқа да ғылыми орталықтарда пайдаланылатын бірқатар иондық үдеткіштердің параметрлері кестеде келтірілген. 5.8. ММУ ҒЗИЯФ иондық үдеткіштері, жоғарыда сипатталған электронды үдеткіштер сияқты, ҒА жабдықтары мен элементтеріне радиациялық әсерді модельдеу үшін белсенді қолданылады. Көптеген 5.4 бөлімдерде осындай әсерлерді сипаттайтын нәтижелер осы үдеткіштерде алынды. А. И. Лейпунский атындағы физика-энергетика институтының EG-2,5 электростатикалық генераторы протондар мен дейтрондардан басқа азот, оттегі, неон және аргон иондарын жеделдетуге мүмкіндік береді, бұл радиациялық әсерлерді модельдеу мүмкіндіктерін кеңейтеді. Кесте 4.8. Ион үдеткіштері
100 МэВ дейін энергиясы бар протондардың жеткілікті қарқынды шоғырларын алуды қамтамасыз ететін жоғары энергия физикасы институтының (ЖЭФИ) И-100 сызықтық үдеткішінде ММУ ҒЗИЯФ мамандары протондардың әсерінен диэлектриктердің көлемді электрлену процестерін зерттеу бойынша бірегей эксперименттер жүргізді. Бұл үдеткіште ҒА жабдықтарының материалдары мен элементтеріндегі ядролық өзара әрекеттесулерге байланысты әсерлерді, атап айтқанда, микросхеманың затын ядролық өзара әрекеттесу өнімдерімен иондау арқылы интегралды схемалардағы жалғыз ақаулардың пайда болу процестерін модельдеуге болады. Жеделдетілген протондардың жоғары энергиясы бар біріккен ядролық зерттеулер институтының (ЯЗБИ) фазотр сәулесі аз болса да, күн сәулесі кезінде ҒКС протондарына ҒА-ның әсер ету жағдайларына қатысты ұқсас процестерді модельдеуге мүмкіндік береді. ГҒС ауыр ядроларының әсерінен микросхемаларда бір ақаулардың пайда болуын модельдеу ЯЗБИ -да құрылған және жұмыс істейтін У400 және У400М изохронды циклотрондарында мүмкін. Жаңа ядроларды синтездеу бойынша бірегей жұмыстар жүргізілетін бұл қондырғылар зарядтың массаға қатынасы ~0,05-0,5 болатын иондарды жеделдетуге мүмкіндік береді, иондық көздерде қамтамасыз етілетін заряд күйлері 20-25 дейін, яғни жеткілікті, жоғары энергиялы ауыр иондардың шоғырын алуға мүмкіндік береді. Теориялық және эксперименттік физика институтында (ТЭФИ) ауыр иондарды одан да жоғары энергияға үдеткіш (2-4 ГэВ/нуклон дейін) құрылды. Бұл үдеткіште лазер көзінен алынған иондар ~1-4 МэВ/нуклон энергиясын алдын-ала алады, содан кейін синхротронның үдеткіш сақинасына жіберіледі, онда олардың энергиясы көрсетілген максималды мәндерге жеткізіледі. Қарастырылған көптеген электронды үдеткіштер мен иондар сәулелендірілген ~1010-1012 см-2·с-1 үлгісінде бөлшектер ағынының тығыздығын қамтамасыз етеді, онда әдетте материалдардың толық сіңірілген дозамен байланысты радиациялық әсерге төзімділігіне жеделдетілген сынақтары жүргізіледі. Ауыр иондардың үдеткіштеріндегі микроэлектроника элементтеріндегі бір сәтсіздіктерді зерттеу ағынның тығыздығы төмен болған кезде жүргізілуі мүмкін. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|