Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Urychlovače nabitých částic patří k základní výzbroji jaderných fyziků. Používají se nejen v základním výzkumu, ale k přípravě radionuklidů pro potřeby průmyslu, medicíny a dalších oborů. Ve zmenšeném měřítku najdeme tento generátor v každém fyzikálním kabinetu, kde slouží jako zdroj vysokého napětí pro pokusy z elektrostatiky.
Urychlovače nabitých částic patří k základní výzbroji jaderných fyziků. Používají se nejen v základním výzkumu, ale také k přípravě radionuklidů pro potřeby průmyslu, medicíny a dalších oborů. I když urychlovače mají různou konstrukci, ve všech jsou nabité částice (protony, elektrony apod.) urychlovány silným elektrickým polem a mohou získat i rychlosti blížící se rychlosti světla. Výstavba a provoz dnešních velkých urychlovačů klade velké finanční nároky. Proto se základní výzkum soustřeďuje do několika velkých laboratorních komplexů. V průmyslu a medicíně se používají mnohem menší urychlovače, kterých je v provozu na celém světě téměř 20 000.
Ve zmenšeném měřítku najdeme tento generátor v každém fyzikálním kabinetu, kde slouží jako zdroj vysokého napětí pro pokusy z elektrostatiky. První generátor zkonstruoval americký fyzik van de Graaff v roce 1929. Dnešní největší generátory tohoto typu poskytují urychlovací napětí i několik desítek milionů voltů. V jaderném výzkumu se van de Graaffův generátor používá nejen samostatně, ale často také jako první stupeň v systému obřích urychlovačů.
Konstrukci prvního lineárního urychlovače navrhnul roku 1930 norský inženýr R. Wideroe. V principu je to dlouhá trubice se soustavou válcových elektrod, ve které je hluboké vakuum. Podél osy elektrod se pohybují urychlované částice setrvačností (elektrické pole je v nich odstíněno jako ve Faradayově kleci), v mezerách mezi elektrodami jsou urychlovány elektrickým polem. Elektrody mají rostoucí délku, aby se vykompenzovala stále větší rychlost částic. Současný největší lineární urychlovač SLAC pracuje na Stanfordově univerzitě v USA. Kanál, ve kterém dochází k urychlování elektronů a pozitronů na energii až 50 GeV, má délku přes 3 km!
Cyklotron kombinuje působení elektrického a magnetického pole na nabité částice. Jeho konstrukce je složitější, než u předchozího typu, má však menší rozměry, urychlované částice se pohybují po spirálové dráze. Cyklotron se skládá ze tří hlavních částí:
Uvnitř duantů se urychlované částice pohybují setrvačností (Faradayova klec), v mezeře mezi duanty jsou urychlovány elektrickým polem. Magnetické pole zakřivuje dráhu urychlovaných částic a udržuje je v prostoru duantů. První cyklotron postavil roku 1931 americký fyzik E. O. Lawrence.
V Ústavu jaderné fyziky v Řeži u Prahy je od roku 1977 v provozu několikrát modernizovaný cyklotron U-120M. Je určen k urychlování protonů, deuteronů, částic alfa a kladných iontů 3He. V jeho urychlovací komoře o průměru 120 cm mohou částice získat energii až 40 MeV a rychlost několik desítek tisíc km/s. Urychlovací napětí je 34 kV. Cyklotron U-120M slouží především k přípravě radionuklidů pro medicínu, nových radionuklidů a k testování materiálů, používaných v jaderných reaktorech. Ve spolupráci s německými, americkými a italskými vědci se zde provádějí také biofyzikální a astrofyzikální experimenty.
Obr.1.Cyklotron U-120M - urychlovací komora je umístěna v prostoru mezi elektromagnety (červené)
Obr.2.Místnost, z níž se řídí chod urychlovače a průběh experimentů
I když urychlovače patří k "zázrakům" moderní techniky, můžete si jednoduchý model lineárního urychlovače snadno zhotovit pomocí několika ocelových kuliček a miniaturních magnetů. Připravte si:
Do instalační lišty vyřežte listem pilky na železo čtyři zářezy, do kterých půjdou těsně zasunout feritové magnety. Vzdálenost zářezů závisí na rozměrech použitých magnetů a velikosti kuliček, tady bude třeba trochu experimentovat. Při použití kuliček a magnetů vyhovuje mezi zářezy vzdálenost asi 7 cm. Feritové magnety zasuňte tak, aby jejich odpovídající póly směřovaly stejným směrem. Pro zesílení účinku ke všem feritům přiložte z jedné strany neodymiový magnet. Ke každému feritovému magnetu přiložte velkou a pak malou kuličku, tím je model urychlovače připraven k činnosti. Zbývající malou kuličku položte do drážky a lehce do ní cvrnkněte směrem k neodymiovému magnetu. Po jejím nárazu se v mžiku dají do pohybu i ostatní malé kuličky a poslední odletí z opačného konce lišty neočekávaně velkou rychlostí.
Obr.3.Sestava modelu: neodymiový a feritový magnet, velká a malá ocelová kulička
V lineárním urychlovači jsou nabité částice urychlovány elektrickým polem mezi trubicemi. Ocelové kuličky v našem modelu jsou urychlovány magnetickým polem. Přitom se kromě působení magnetického pole uplatní několikanásobné předávání energie nárazem:
První kulička malou rychlostí narazí na první magnet. Její energie se prostřednictvím magnetu předá dvojici kuliček na opačné straně magnetu.
Menší z obou kuliček odskočí prakticky stejnou rychlostí od větší kuličky. Je totiž dál od magnetu, a proto je k němu přitahována menší silou.
Tato kulička je přitažena a urychlena k druhému magnetu. Její energie vzroste a na druhý magnet narazí větší rychlostí. Energie kuličky se předá dvojici kuliček na opačné straně magnetu.
Menší z kuliček odskočí a je přitažena a urychlena třetím magnetem apod.
Poslední kulička už má podstatně větší energii, než měla kulička na začátku "urychlovače".
Obr.4.Lehkým postrčením první kuličky se energie postupně přenáší na další kuličky
Výkon modelu urychlovače můžete zvětšit přidáním dalších magnetů, změnou velikosti kuliček i vzdálenosti magnetů. Místo větších kuliček můžete k magnetům přiložit i jiné ocelové součástky (válečky z ložisek apod.). Mají totiž za úkol jen zvětšit vzdálenost mezi magnetem a odskakující kuličkou. Experimentovat je možno také s různými typy magnetů, rozměrem a počtem použitých kuliček. Podaří-li se vám dobře "vyladit" konstrukci modelu, budete jeho výkonem příjemně překvapeni.
Poznámka:
Silné neodymiové magnety získáte rozebráním vyřazeného pevného disku počítače. V bloku těchto magnetů se pohybuje raménko záznamové hlavičky. Ještě snadněji je vymontujete z vyřazené mechaniky CD. Mají tvar malých hranolků a najdete je u miniaturní čočky, jejíž zaostřování zajišťují. Feritové magnety jsou k dostání např. v modelářských prodejnách.
Obr.5.Blok neodymiových magnetů v pevném disku počítače
Tento materiál je publikován pod licencí Creative Commons – Uveďte původ – Neužívejte komerčně – Nezpracovávejte 3.0 ČR.