Đang tải... (xem toàn văn)
nguyên lý, cấu tạo của máy gia tốc betatron . ưu nhược điểm và ứng dụng
L/O/G/O www.trungtamtinhoc.edu.vn NHÓM I www.trungtamtinhoc.edu.vn 4 LỊCH SỬ RA ĐỜI BETATRON 1 2 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BETATRON ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐiỂM ỨNG DỤNG www.trungtamtinhoc.edu.vn 1. LỊCH SỰ RA ĐỜI BETATRON 1. LỊCH SỰ RA ĐỜI BETATRON Cyclotron là một trong những thiết bị vật lý thông minh nhất , nhưng nó cũng không phải hoàn thiện : Vòng quay của hạt phụ thuộc vào từ trường và khối lượng của hạt . Để nhận được năng lượng từ điện trường xoay chiều thì nó cần phải qua điện trường này trong những thời điểm xác định khi điện trường trùng với hướng chuyển động , ngược lại hạt không được gia tốc thậm chí còn chậm lại . Chu kỳ của hạt phụ thuộc vào khối lượng . Mặt khác khối lượng phụ thuộc vào năng lượng . Sự thay đổi năng lượng ( tăng ) của hạt dẫn đến sự thay đổi về khối lượng và dẫn đến chu kỳ ( tăng ) , làm mất tính đồng bộ với sự thay đổi của điện trường dẫn tới sự chậm của các hạt đến khi hạt mất năng lượng được tích . Để điều đó không sảy ra cần phải đình chỉ sự chuyển động của hạt sau khi đã đến giá trị năng lượng mà tại đó khối lượng thay đổi đáng kể . www.trungtamtinhoc.edu.vn Giá trị năng lượng giới hạn đó không giống nhau đối với các hạt khác nhau nó phụ thuộc vào tốc độ của hạt hay là khối lượng của nó : proton cỡ 10 MeV , cỡ 20 MeV . Đối với điện tử hoàn toàn khác . Khối lượng của điện tử rất nhỏ khoảng 10.000 – 20.000eV với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và sự thay đổi của khối lượng rất đáng kể khi tăng năng lượng Vì vậy ta không thể gia tốc bằng cylotron • www.trungtamtinhoc.edu.vn • Năm 1923 : R.wideroe phác họa thiết kế máy gia tốc betatron sử dụng cơ chế cảm ứng điện từ . Hai năm sau ông bổ sung thêm về điều kiện xuyên tâm nhưng không công bố • Năm 1927 : sau đó Widero chế tạo một mẫu betatron nhưng không thành công . Ông chuyển sang nghiên cứu máy gia tốc Lannic. • Năm 1940 : D. Kerst , đại học lllinoin tại Mỹ , tái phát minh ra Betatron và đã chế tạo thành công . • Năm 1950 : Kerst xây dựng máy Betatron lớn nhất thế giới gia tốc chùm elechtron với năng lượng 300 MeV . www.trungtamtinhoc.edu.vn www.trungtamtinhoc.edu.vn 2 . Nguyên lý hoạt động của Betatron 2 . Nguyên lý hoạt động của Betatron • Năm 1940 kert đã thành công trong việc chế tạo máy gia tốc betatron , gia tốc điện tử không cần nguồn cao áp . • Trong một máy biến thế , điện trường xoay chiều trong cuộn sơ cấp sẽ kích thích cuội thứ cấp xuất hiện một lực điện động . Người ta thay cuộn dây thứ cấp bằng một ống chạy xung quanh lõi từ sao cho điện tử chuyển động xung quanh lõi từ qua mỗi vòng điện tử nhận một năng lượng bằng tích của điện tích và sức điện động cảm ứng trong một vòng dây . Năng lượng này chỉ bằng vài eV nhưng nếu cho điện tử quay hằng triệu vòng ta có thể thu được hằng triệu eV. • Như vậy trong betatron các hạt được gia tốc bằng lực điện động cảm ứng . • Hạt chuyển động theo hướng quỹ đạo không đổi . www.trungtamtinhoc.edu.vn • Năng lượng cực đại mà hạt nhận được phụ thuộc vào : – Giá trị tuyệt đối của sự thay đổi từ thông trên quỹ đạo chuyển động của hạt . Sự thay đổi càng lớn thì năng lượng hạt thu được càng lớn . – Thời gian hạt quay được một quỹ đạo , bán kính quỹ đạo càng lớn thì thời gian chuyển động càng lớn , khối lượng càng lớn thì tốc độ nhỏ và năng lượng gia tốc càng nhỏ. • Để gia tốc hạt cần có một từ trường có từ thông biến thiên gọi là trường gia tốc . • Để giữ cho hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính xác định cần một từ trường điều khiển . • Nếu hạt được gia tốc chuyển động trong một từ trường đồng nhất thì bán kính quỹ đạo sẽ tăng dần theo năng lượng như trong cyclotron. www.trungtamtinhoc.edu.vn • Do đó đối với betatron cần một trường điều khiển có dạng đặc biệt . www.trungtamtinhoc.edu.vn • Xem xét mối liên hệ giữa từ thông tạo ra từ trường gia tốc và trường điều khiển . Sức điện động cảm ứng trong dây dẫn : E = ( 1 ) Trong đó φ là cường độ tức thời của từ thông . Năng lượng thu được là : eE = e ( 2 ) Năng lượng này có thể biểu diễn qua lực tiếp tuyến tác dụng lên điện tử . Đối với quãng đường ds điện tử thu được năng lượng là : dW = Fds F = ( 3 ) • [...]... vào thành ống gia tốc Trong vùng năng lượng dưới 100 MeV sự mất năng lượng do phát xạ chưa đáng kể , bán kính quỹ dạo này chỉ thay đổi vào cm và năng lượng lớn hơn hiệu ứng này tăng rất mạnh Máy gia tốc betatron 35 MeV www.trungtamtinhoc.edu.vn ƯU ĐIỂM • Máy gia tốc đầu tiên do Kerst xây dựng có kích thước rất nhỏ , có thể đặt trên một bàn thí nghiệm và gia tốc điện tử tới 2,5MeV • • Gia tốc hạt không... chuyển động bền vững của các hạt gia tốc hay quỹ đạo cân bằng Kerst đã sây dựng từ trường điều khiển thay đổi theo không gian Cường độ từ trường giảm dần từ tâm ra phía ngoài • • Betatron chỉ phù hợp gia tốc hạt nhẹ là các điện tử Giới hạn của betatron : khi điện tử chuyển động trong betatron theo quỹ đạo tròn do có gia tốc dẫn đến phát bức xạ điện từ Năng lượng gia tốc càng lớn cường độ phát xạ... nay , các nhà khoa học đã chế tạo thành công các betatron có thể gia tốc điện tử lên hàng trăm MeV và cao hơn nữa • Betatron cho phép truyền cho các điện tử một năng lượng lớn Về mặt này có thể nói betatron là hơn hẳn các nguồn gia tốc tĩnh điện và nguồn xung Máy gia tốc betatron xách tay www.trungtamtinhoc.edu.vn ƯU ĐIỂM Giá cả thấp I Yếu tố làm cho betatron trở thành một vũ khí không thể thay thế... III Chế tạo nhẹ nhàng www.trungtamtinhoc.edu.vn NHƯỢC ĐIỂM- HẠN CHẾ • Betatron chỉ phù hợp cho việc gia tốc các hạt nhẹ là các điện tử Gia tốc các hạt nặng như proton, đêtơri , hoặc hạt anpha bằng betatron là không hợp lý • Trong thực tế, betatron bị hạn chế do những tổn thất lớn bức xạ phải chịu bởi các electron di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng trong một quỹ đạo bán kính tương đối nhỏ • Sự phát xạ... trường gia tốc và cường độ từ trường điều khiển tại khoảng cánh R tính từ tâm và là điều kiện để thực hiện quỹ đạo ổn định • • Điều kiện này cần có nam châm đặc biệt Để đạt được yêu cầu này cần các điều kiện sau : Từ trường gia tốc và từ trường điều khiển thay đổi theo thời gian theo cùng một định luật Cường độ từ trường điều khiển khiển ( ) bằng ½ cường độ trung bình ( ) của từ trường gia tốc ... Khi gia tốc điện tử đến 100MeV sự mất năng lượng do phát xạ chưa giữ vai trò lớn và bán kính quỹ đạo cân bằng chỉ thay đổi khoảng vài centimet Song khi năng lượng tiếp tục tăng sự thay đổi của bán kính cân bằng bắt đầu tăng rất nhanh và dẫn đến việc các điện tử đập vào thành ống gia tốc www.trungtamtinhoc.edu.vn ỨNG DỤNG • • Betatron được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và xạ trị y tế Ngày nay các máy. .. gia tốc dẫn đến phát bức xạ điện từ Năng lượng gia tốc càng lớn cường độ phát xạ càng lớn Tại năng lượng rất lớn sự mất năng lượng do phát xạ bằng năng lượng gia tốc , theo các tính toán năng lượng giới hạn khoảng 500 MeV Trong thực tế sự gia tốc của điện tử còn bị đình chỉ sớm hơn • Về nguyên tắc điều kiện để ổn định chuyển động theo quỹ đạo cân bằng , sự thay đổi năng lượng của điện tử và sự thay... bằng bắt đầu tăng rất nhanh và dẫn đến việc các điện tử đập vào thành ống gia tốc www.trungtamtinhoc.edu.vn ỨNG DỤNG • • Betatron được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và xạ trị y tế Ngày nay các máy gia tốc betatron xách tay vẫn được sử dụng trong các ứng dụng thực tiễn như là một nguồn phát tia X để xác định vết nứt trong kim loại bằng phương pháp kiểm tra không phá hủy Ống phát tia X, model RIX-200NM/PC . I www.trungtamtinhoc.edu.vn 4 LỊCH SỬ RA ĐỜI BETATRON 1 2 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BETATRON ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐiỂM ỨNG DỤNG www.trungtamtinhoc.edu.vn 1. LỊCH SỰ RA ĐỜI BETATRON 1. LỊCH SỰ RA ĐỜI BETATRON Cyclotron. . www.trungtamtinhoc.edu.vn www.trungtamtinhoc.edu.vn 2 . Nguyên lý hoạt động của Betatron 2 . Nguyên lý hoạt động của Betatron • Năm 1940 kert đã thành công trong việc chế tạo máy gia tốc betatron , gia tốc điện tử không cần nguồn. trường giảm dần từ tâm ra phía ngoài . • Betatron chỉ phù hợp gia tốc hạt nhẹ là các điện tử . • Giới hạn của betatron : khi điện tử chuyển động trong betatron theo quỹ đạo tròn do có gia tốc