Akcelerator elektrostatyczny
Akcelerator elektrostatyczny, znany również jako akcelerator van de Graaffa, to typ akceleratora liniowego, który generuje strumień jonów o energiach kinetycznych sięgających kilku megaelektronowoltów (MeV). Cząstki naładowane zdobywają energię poprzez przyspieszanie w silnym, stałym polu elektrostatycznym wytwarzanym przez generator Van de Graaffa, w którym ładunek elektryczny jest zgromadzony na metalowej kopule.
Zasada działania
Izolacyjny pas transportowy jest naciągnięty pomiędzy walcami (1) i (2) (numeracja odnosi się do schematu obok). Pas jest ładowany z źródła napięcia (5) za pomocą ostrza (3). W wyniku działania silnego pola elektrycznego w otoczeniu ostrza generowane są jony dodatnie i ujemne. Na pasie gromadzą się ładunki tego samego rodzaju, co ładunek na ostrzu, co skutkuje ich odpychaniem. Ruch pasa przenosi zgromadzone ładunki ku górze do wnętrza kopuły (6), gdzie przez ostrze (4) na zasadzie puszki Faradaya ładunki te spływają na elektrodę zbiorczą (6). Potencjał tej elektrody rośnie aż do momentu, gdy tempo ubywania ładunku zbalansuje szybkość jego doprowadzenia. Górna część rury akceleratora, z źródłem jonów (7), jest połączona z elektrodą zbiorczą. Dolny koniec rury, mający potencjał ziemi, zakończony jest tarczą (8), która jest bombardowana przez przyspieszane cząstki. Jony, które opuszczają źródło, doznają przyspieszenia przez napięcie:
V = {\displaystyle {\frac {Q}{C}}}
gdzie: Q – ładunek zgromadzony na elektrody zbiorczej, C – pojemność elektrody względem ziemi.
Akcelerator ciśnieniowy
Aby zredukować utratę ładunku oraz zwiększyć napięcie w akceleratorze, umieszcza się go w szczelnej komorze, która jest wypełniona, na przykład, azotem lub freonem pod ciśnieniem wynoszącym kilkanaście atmosfer. Maksymalne energie, jakie można osiągnąć w tego typu akceleratorach, wynoszą około 10 MeV.
Akcelerator tandemowy
Podwojenie energii, do jakiej mogą być przyspieszane cząstki, uzyskuje się dzięki akceleratorowi Van de Graaffa typu tandem. Osiąga się to poprzez zmianę znaku ładunku jonów podczas przyspieszania, co pozwala na ich podwójne przyspieszenie tym samym napięciem. Dodatnie jony wytworzone na zewnątrz akceleratora przechodzą przez kanał z gazem o niskim ciśnieniu, gdzie przyłączają elektrony. Po uzyskaniu ładunku ujemnego, jony są przyspieszane w kierunku elektrody akceleratora, a po jej minięciu przechodzą w pobliżu elektrody, która odbiera im elektrony, przez co stają się jonami dodatnimi i są ponownie przyspieszane. Przed wejściem do akceleratora i po wyjściu z niego, wiązka jonów może przechodzić przez pole magnetyczne, które separuje jony. Zaletą układu tandemowego jest to, że zarówno źródło, jak i cel jonów znajdują się na potencjale ziemi, co ułatwia manipulację jonami przed przyspieszeniem oraz konstrukcję układów wielostopniowych.
Zastosowanie
Akceleratory van de Graaffa oferują wiele użytecznych cech w badaniach fizyki jądrowej niskich energii:
- możliwość przyspieszania cząstek o różnych stosunkach e/m,
- duża jednorodność energii przyspieszanych cząstek,
- łatwa regulacja napięcia przyspieszającego,
- niska radiacja tła,
- możliwość automatycznej i ciągłej stabilizacji energii oraz natężenia przyspieszanych cząstek,
- zdolność do pracy impulsowej oraz w warunkach eksperymentalnych,
- prosta konstrukcja, obsługa i działanie,
- niski koszt eksploatacyjny.
Z tych powodów akceleratory te są powszechnie stosowane w instytutach badawczych. W Polsce działa kilka akceleratorów van de Graaffa.
Zobacz też
Przypisy
Bibliografia
red. nacz. tomu Jan Zienkiewicz: red. nacz. Heliodor Chmielewski: Encyklopedia Techniki. T. Energia jądrowa. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1970, s. 16, seria: Encyklopedia Techniki.
Loading ...