سازوکار شتابش الکترومغناطیسی


برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با ذره

از جمله مواردی که در شتابش ذرات باید مورد توجه قرار گیرد برهمکنش ‏میدان الکترومغناطیسی با ذره است که از این به بعد آن را باردار می‌کنیم. ‏همانگونه که قبلا اشاره شد کمیت انرژی یکی از کمیتهای مورد محاسبه ‏است که در این برهم‌کنش آن را مورد توجه قرار می‌دهیم.‏



img/daneshnameh_up/a/af/elec.gif

تغییر انرژی ذرات

برای تغییر در انرژی جنبشی یک ذره باردار رابطه زیر بکار برده می‌شود که ‏در آن ‏ΔT‏ تغییر انرژی جنبشی ، ‏Pq بار الکتریکی ذره مورد شتابش و ‏ΔV‏ ‏معیاری از میدان الکترومغناطیسی است که در اینجا آن را اختلاف ‏پتانسیل در نظر می‌گیریم.


‎‎Pq‏ΔV/Δv = ‏ΔT

از طرف دیگر اختلاف پتانسیل در یک سیستم الکترواستاتیکی بار مجتمع ‏در آن به ظرفیت آن می‌باشد. گاهی اوقات لازم است که پتانسیل تابع ‏زمان (اختلاف پتانسیل متغیر) برای شتابش ذرات مورد توجه قرار بگیرد، ‏رابطه حاکم به این کمیت بصورت زیر می‌باشد:


V(t) = Vmax sin (2πft + φ0)‎

که در آن ‏f‏ فرکانس القایی و‏φ0 ‎‏ فاز اولیه می‌باشد.‏

شتابش الکترومغناطیسی

وقتی صحبت از برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با ذره پیش می‌آید ‏تنها میدان الکتریکی با معیار اختلاف پتانسیل که در فوق اشاره شد، مورد ‏سخن ما نیست. بلکه میدان مغناطیسی نیز امر شتابدهی را می‌تواند ‏انجام دهد. بر اساس اصول و مباحث مطرح شده در الکترومغناطیس ، ‏میدان مغناطیس مطابق رابطه زیر نیرویی بر ذره باردار به صورت ‏F = qvxB‏ ‏وارد می‌کند. که در آن ‏q‏ بار ذره ، ‏v‏ سرعت و ‏B‏ بردار اندوکتانس (القا) ‏مغناطیسی است.

طبیعتا مقدار نیرو برابر رابطه نرده‌ای ‏‎(∠V,B)‎‏F = qvB sin‏ خواهد بود. ‏همین نیرو موجب تغییر جهت بردار سرعت ذره و لزوما تغییر مسیر آن به ‏شکل دایره می‌شود. پس رابطه دیفرانسیلی حرکت بصورت ‏F = mV2/r‏ در مورد آن مطرح است و از آنجا سرعت ‏زاویه‌ای برای چنین مسیری برای ذره بصورت ‏‎ω = qB/m می‌باشد. این سرعت ‏زاویه‌ای بخاطر ثابت بودن جرم در منطقه غیر نسبیتی ، جرم در حال ‏سکون را در محاسبات می‌پذیرد و برای ناحیه نسبیتی بصورت زیر ‏است:


‏‎ω = qBC2/W

اصطلاحی در فیزیک شتاب دهنده در مورد میدان مغناطیسی مطرح است ‏که ما امروز آن را به نام سختی مغناطیسی یا صلب بودن میدان ‏مغناطیسی می‌نامیم. این کمیت بصورت ‏Br‏ مطرح است، بطوری که ‏‎ ‎Br = mV/qکه در آن B‏ اندوخته مغناطیسی ، ‏r‏ شعاع انحنای مسیر ذره ‏است. این کمیت برابر نسبت تکانه ذره به بار ذره می‌باشد. بنابراین تکانه ‏کوچکتر موجب شعاع کوچکتر حرکت است و آن نیز معیار کمتر سخت ‏بودن می‌باشد.



img/daneshnameh_up/d/d7/accelerator.JPG

مکانیزم شتاب ‌دهنده‌های پیشرفته

نیرو در یک میدان ‏مغناطیسی ایستا ‏‎(Magnetostatic)‎‏ کار روی ذره انجام نمی‌دهد. این امر ‏در مورد میدانی که با زمان تغییر می‌کند دیگر درست نیست، در یک چنین ‏موردی یک میدان الکتریکی که شدت آن با میزان تغییرات میدان ‏مغناطیسی بوجود آورده آن بستگی دارد بکار گرفته می‌شود. ‏این حقیقت اساس شتابش در ماشینهای نظیر بتاترون و سنکروترون ‏است. از طرف دیگر اساس کار ترانسفورماتورهای مبدل ولتاژ نیز این پدیده ‏است. برای تولید این میدان الکتریکی مفهوم شار مغناطیسی را مجددا ‏برای شما تعریف می‌کنیم.

اگر شاره مغناطیس به نحوی نسبت به زمان متغیر باشد، در محیط یک ‏نیروی محرکه الکتریکی القا می‌شود. این تغییرات شار مغناطیسی با ‏میدان الکتریکی مربوط است که به کمک همدیگر شتابش ‏الکترومغناطیسی ذرات را سبب می‌شوند. بنابراین مشاهده می‌کنیم ‏میدان مغناطیسی متغیر زمانی قادر به القای انرژی جنبشی به ذره باردار ‏است.

واحدهای مورد نیاز در شتاب ‌دهنده‌های پیشرفته

واحدهایی که در فیزیک و تکنولوژی شتاب دهنده‌ها بکار گرفته می‌شود ‏عبارتند از:


  • مضارب الکترون ولت ‏‎(ev)‎‏ برای انرژی مثل ‏Kev‏ ، ‏Mev‏ و ‏Gev یا ‏Bev‏ بکار ‏می‌رود.

  • در مورد میدان مغناطیسی تسلا و گاوس دو واحد مرسوم هستند.

  • در مورد جریان الکتریکی کیلو آمپر الی نانو آمپر مطرح نیستند، کیلو آمپر ‏برای جریان بکار رفته در میدان مغناطیسی بکار می‌رود، در صورتی که ‏اجزای آمپر مثل میلی و میکرو و نانو معیار باریکه ذرات‌ هستند.‏

مباحث مرتبط با عنوان



تعداد بازدید ها: 7183