Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Li7 + H1 = 2 He4
magreakciót hozták létre. A gyorsítás általános elvei Elektromos térbe helyezett e töltésű részecskéreP = eE
erő hat, ahol E az elektromos térerősség vektora. Ha biztosítani tudjuk azt, hogy az erő hatására szabadon elmozdulhasson, akkor felgyorsul és kinetikus energiája megnő a kezdő (1) és a végpont (2) közti potenciálkülönbségnek megfelelőenE = e (V1 - V2)
értékkel. Nagyenergiájú atommagok előállításához tehát, szükség van mindenekelőtt egy ionforrásra, amely a kisenergiájú és lehetőség szerint teljesen ionizált atomokat szolgáltatja, majd egy olyan térrészre, amelyben a nyomást kis értékre csökkentettük le, hogy az ionok ütközés nélkül vagy legalábbis minimális számú ütközéssel tudják befutni pályájukat. Végül elő kell állítani egy megfelelően kialakított elektromos teret, amely a most már szabadon mozgó ionokat felgyorsítja és az ionforrástól a céltárgyhoz irányítja. A gyorsítóberendezéseket két nagy csoportba oszthatjuk. Az első, elvileg egyszerűbb megoldásnál a vakuumrendszer, az úgynevezett gyorsítócső két végpontja között azt a teljes feszültségkülönbséget hozzuk létre, amelynek megfelelő energiát el akarunk érni. A gyorsítócső egyik végén elhelyezett ionforrásból kilépő kisenergiájú ionok a csövön való egyszeri végigfutás alatt végső energiájukat érik el. Ezt a típust nevezzük statikus gyorsítóknak. A másik típus, - amelyet célszerűen periodikus gyorsítóknak nevezhetünk - jellemzője, hogy a végenergiának megfelelő feszültségnek csak tört részét állítja elő, és ezen az aránylag kis feszültségkülönbségen többször futatja át a gyorsítandó részecskét. Ennek energiája minden átfutásnál a feszültségkülönbségnek megfelelően megnő. Bármelyik típusú gyorsításról legyen is szó, a kívánt nagyságú gyorsítófeszültség előállításával a feladatnak csak egy részét oldottuk meg. Az ionforrás és a céltárgy között az ionok ugyanis néhány métertől sok ezer km-ig terjedhető utat tesznek meg, ami a céltárgy néhány cm2-es felületéve1 rendkívül kis térszöget definiál. Ezért gondoskodni kell arról, hogy ne csak azok az ionok jussanak a céltárgyra, amelyek az annak megfelelő térszögben indultak el, hanem azok is amelyek akár a kezdeti helytelen irányítás, akár később bekövetkező irányváltozás miatt a helyes iránytól eltértek. Ezt az irányfokuszálást elektromos és mágneses terek kialakításával tudjuk elérni. A periodikus gyorsítók egyes típusainál a gyorsítás feltétele az, hogy az ionok a gyorsítási periódus meghatározott pillanatában, fázisában fussanak át a gyorsító résen. Itt tehát az irányfokuszálás mellett a fázisfokuszálás szükségessége is fellép, azaz gondoskodni kell arról, hogy a helyes fázishoz képest sietve, vagy késve érkező ionok se essenek ki a további gyorsításból. Ezt általában a gyorsító tér időbeli változásának helyes megválasztásával lehet elérni. Statikus gyorsítók Az 1. ábrán látható a statikus gyorsítók elvi felépítése. A kívánt potenciálkülönbség előállításáról a nagyfeszültségű berendezés gondoskodik, amely manapság általában kaszkád generátor vagy nagynyomású szalaggenerátor. Az előállított nagyfeszültséget a gyorsítócső elektrodáihoz vezetjük, amelyek egyrészt a gyorsítás, másrészt az irányfokuszálás feladatát látják el. A gyorsítás menete természetesen független attól, hogy milyen berendezés állította elő a feszültséget és kizárólag a gyorsítóelektródák kialakításától függ. A gyorsítócső: A gyorsítócső egy 20-30 cm átmérőjű, néhány méter hosszú szigetelőanyagból készült cső, amelyben diffúziós szivattyúk 10-5 - 10-6 Hgmm nyomású vakuumot tartanak fenn. Ezáltal biztosítva van benne az ionok szabad mozgása. Az ionok a felső, nagyfeszültségű elektródában elhelyezett ionforrásból indulnak ki. Ez lényegében egy gázkisülési cső, amelynek katódjában nyílás van, hogy a feléje tartó ionok a kisülési térből a gyorsítócsőbe juthassanak. Itt a kívánt elektromos teret fém elektródák segítségével alakítjuk ki, melyek potenciálja fokozatosan csökken a nagyfeszültségű elektróda potenciáljától egészen földpotenciálig. Kétféle elektróda elrendezés használatos. A szakaszos felépítésnél - amilyen az 1. ábrán is látható - az elektromos tér kevésszámú gyorsító rés közvetlen környezetében van koncentrálva, ami egyenetlen, lépcsős potenciál eloszlást jelent az ionok útja mentén. A homogénteru gyorsítócsőben - mint: neve is mutatja - egyenletes potenciáleloszlást, homogén elektromos teret hozunk létre. A 2. ábrán egy szakaszos gyorsítócső hét hengeralakú elektródája között kialakuló elektromos teret láthatjuk. Jól végig tudjuk követni ennek az elektromos lencsének gyorsító és fokuszáló hatását. Az első, V1 potenciálon levő gyorsítóhenger belsejében az ionsugár energiája Ek1 = e(V0 - V1), ha V0 a nagyfeszültségű elektróda potenciálja, ahonnan az ionok Ek0= 0 energiával indultak el. A második henger potenciálja V2 < V1, a köztük kialakuló elektromos tér axiális komponense Ek2 = e (V0 - V2) energiára gyorsítja fel az ionokat. Ha most egy olyan ion mozgását vizsgáljuk, amely az ábra szerint a szimmetriatengellyel párhuzamosan, attól bizonyos távolságra halad az első henger belsejében, akkor láthatjuk, hogy erre a gyorsító résben radiális irányú erők is hatnak mégpedig az A - A szimmetriasík felett a tengely felé, alatta attól elmutató iránnyal. A szimmetria következtében ugyanakkora erőhatás irányítja az ionokat a tengely felé, mint amekkora az A - A sík után ellenkező irányba. Az első szakaszban azonban még kicsi a részecskék energiája, lassan haladnak s így soká tartózkodnak a tengely felé mutató erő hatása alatt. Az A - A sík alatti szakaszt már felgyorsulva nagy sebességgel futják át, ezért a kifelé mutató erők hatása kevésbé tud érvényesülni. Az összegezett hatás végülis az eredetileg tengellyel párhuzamos nyalábnak tengely felé való irányítása, fokuszálása lesz. A homogénterű gyorsítócsőben nagyszámú elektróda alkalmazása biztosítja az egyenletes potenciáleloszlást, és a tengely mentén állandó elektromos tér kialakulását (3. ábra). Ennek a homogén térnek fokuszáló hatása kicsi, feladata elsősorban a gyorsítás. A fokuszáló hatást a homogén tér elején és végén kialakuló inhomogén terek fejtik ki. A gyorsítócső alsó, földpotenciálon levő végén, ahol a céltárgy és a megfigyelőberendezések helyezkednek el Ek, = eV0 energiával, megfelelő fokuszálás esetén néhány milliméter átmérőjű sugárnyaláb formájában jelennek meg a felgyorsított ionok. Mielőtt a céltárgyba ütköznének többnyire egy mágneses elhajlítón futnak át, amely elkülöníti a meg nem felelő ion-fajtákat. Ez a mágneses eltérítés - amelynek mértéke az ionsugár energiájától függ - felhasználható megfelelő szervomechanizmus közbeiktatásával a feszültségforrás feszültségének és ezzel az ionsugár energiájának stabilizálására is. A nagyfeszültségu generátor. Ha egy szigetelten elhelyezett fémelektródát elektromos töltéssel látunk el, akkor annak a földhöz képestV = Q / C
lesz a potenciálja, ahol Q az elektródára vitt töltést, C pedig az elektróda és a föld közötti kapacitást jelenti. Ennek következtében az elektróda felületén E térerősség lép fel, melynek nagysága a feszültségtől és az elektróda alakjától függ. A feszültséget addig lehet növelni, amíg a felület valamelyik pontján a térerősség túl nem lépi a levegő Eü átütési szilárdságát és átütés nem következik be. Normálállapotú levegőre Eü = 3 millió Volt/m. R sugarú, önmagában álló gömbön a feszültség és a térerősség közötti összefüggésE = V / R
Ha ezt összevetjük az átütési szilárdságra megadott fenti adattal, láthatjuk, hogy egy 2 m átmérőjű gömbön maximumVmax = Eü · R = 3 MV / m · 1m = 3 MV
érhető el. Ezt természetesen a felületi egyenetlenségek és a földpotenciálon levő felületek (falak, mennyezet) közelsége még csökkenti. A levegő szigetelőképességének letörése a feszültségnövelés szempontjából csak az egyik korlátozó tényező. Az elektródát tartó szigetelőoszlopok és a gyorsítócső mentén ugyanis átívelés következhet be, esetleg még az átütésre vezető feszültség elérése előtt. Az átívelés ellen az oszlopok hosszának elegendő nagyra való választásával lehet védekezni. Mindebből következik, hogy egy-két millió Volt feszültségnél nagyobb feszültség eléréséhez rendkívül nagy méretekre van szükség ezért a feszültségnövelés a geometriai méretek növelése útján ezen a határon túl gyakorlatilag nem valósítható meg. Van azonban egy másik lehetőség is a feszültség növelésére, mégpedig a környező gáz szigetelőképességének, átütési szilárdságának növelése. Ez a gáznyomás megemelésével egyszerűen valósítható meg. Fennáll ugyanis az alábbi összefüggés:Eü(p) = Eü(1) · p
vagyis pl. 10 at nyomás esetén a levegő eredeti Eü(1) = 3 MV/m átütési szilárdsága Eü(10) = 30 MV/m-re nő meg s így azonos geometriai elrendezés mellett 10-szeres feszültséget lehet elérni. Gyakorlati kivitelnél a nagy feszültségű elektródarendszert egy nagynyomású tartályban helyezik el, amelyet valamilyen indifferens gázzal - legtöbbször nitrogénnel - töltenek meg. Ezeknél az úgynevezett tankgenerátoroknál egy feszültségosztó ellenálláslánc megfelelő potenciálú pontjaihoz kötött segédelektródákkal szokás gondoskodni arról, hogy minél egyenletesebb potenciáleloszlás, minél homogénebb tér alakuljon ki a nagyfeszültségű elektróda és a földelt felületek között. Így a nagyfeszültségű elektróda közelében a gyors potenciálesés mérsékelhető, ami egyben a felületi érerősség csökkenését is jelenti. A kaszkád-generátor. A közönségesen ismert ventilcsöves egyenirányító kapcsolás a feszültség megkétszerezésére is felhasználható és az alapkapcsolás továbbépítésével az első fokozat feszültsége elvileg tetszőleges mértékben megsokszorozható. Egy három fokozatú kaszkádkapcsolás látható a 4. ábrán, mellette az egyes pontok feszültségének változása terheletlen állapotban. Az a) pont földpotenciálon van, a b) pontra a transzformátor váltófeszültsége jut. A b - c kondenzátor feltöltődik a váltófeszültség csúcsértékére és így a c) pont ennyivel van a b) pont feszültsége felett. Az a - c ventilcsövön levő feszültség - mint látható - a 0 és a kétszeres csúcsfeszültség között mozog. A c - d ventilcsövön nyitott állapotban átfolyó áram feltölti az a -d kondenzátort a c) pont maximális feszültségére, vagyis a kétszeres csúcsfeszültségre. Ez a kondenzátor a c - d ventil szelephatása miatt nem tud kisülni és így a d) ponton a transzformátor kétszeres csúcsfeszültségének megfelelő egyenfeszültség jelenik meg. A c - d ventilen ugyancsak 0 és a kétszeres csúcsfeszültség között változik a feszültség. Ezt egyenirányítja hasonló módon a következő kaszkádegység és így a d - f kondenzátor ismét a kétszeres csúcsfeszültségnek megfelelő egyenfeszültségre töltődik fel. Ugyanez a helyzet a harmadik fokozat f - h kondenzátorán. Az a - h pontok között tehát az első fokozat feszültségének háromszorosa azaz a transzformátor csúcsfeszültségének hatszorosa jelenik meg. További fokozatok hozzáadásával a feszültség az eddigiek szerint tovább nő. A fenti egyszerű feszültségviszonyok terheletlen állapotra vonatkoznak. Ha a a - h pontok közé terhelést iktatunk be, akkor az a záróperiódusokban kisüti a kondenzátorokat s így hullámosságot okoz. Ezenkívül a h) pont feszültségének maximális értéke sem éri el a terheletlen állapotnak megfelelő feszültséget. Úgy ez a feszültségesés, mint a hullámosság a fokozatok számával rohamosan nő és a fokozatszám túlságos megnövelése esetén elérheti egy fokozat teljes feszültségének értékét is. Ezen túl a fokozatok számát hiába növeljük. A feszültségesést és a. hullámosságot csökkenteni lehet a kondenzátorok kapacitásának és a tápfeszültség frekvenciájának növelésével. A kaszkádgenerátor konstrukciójának egyik fő problémája a ventilcsövek fűtése. A fűtőszálak ugyanis - mint az ábrából is látható - nagyfeszültségen vannak, s így a hálózatról nem táplálhatók. Ezért legtöbbször a fűtőszálnak megfelelő potenciálú helyen szigetelt tengellyel hajtott fűtődinamót helyeznek el, amely a szükséges energiát szolgáltatja. Elvileg különbözik ettől az az ugyancsak használatos megoldás, amelynél a ventilcsöveket nagyfrekvenciás energiával fűtjük. Néhány száz kc váltófeszültség számára ugyanis a nagyfeszültségű kondenzátorok igen kis impedanciát jelentenek, ami lehetővé teszi, hogy a fűtőszálakhoz rajtuk keresztül juttassunk nagyfrekvenciájú energiát. A legkorszerűbb kaszkádgenerátorokban radikálisan oldják meg a ventilcsövek problémáját : ventilcsövek helyett megfelelő nagy zárófeszültséggel rendelkező száraz egyenirányítókat alkalmaznak. Ez nagymértékű egyszerűsítést jelent a kaszkádgenerátor felépítésében és üzemében is. A szalaggenerátor. Elvi felépítése az 5. ábrán látható. A nagyfeszültségű elektróda és a föld között szigetelőanyagból készült szalag fut a nyilak irányában nagy sebességgel. E közben elhalad az alsó meghajtó henger közelében elhelyezett tűsor és egy elektróda között. E két utóbbira néhány kV-os nagyfeszültség van kapcsolva, aminek hatására a tűk hegyénél a levegő ionizálódik és a pozitív ionok a szalagra vándorolnak. Az így feltöltött szalagfelület a nagyfeszültségű elektróda belsejében elhelyezett tűsor előtt fut el, a megosztás következtében kialakuló elektromos tér itt is ionizálja a levegőt és a tűről a szalagra vándorló negatív töltés semlegesíti a szalag pozitív töltését: A tűsor a pozitív töltést mintegy "leszedi" a szalagról. A lefelé haladó szalagág ugyancsak kihasználható töltőáram szállításra, ha azt a nagyfeszültségű elektróda belsejében negatív töltéssel látjuk el, a fentiek során ismertetett módon.
Erő János
Központi Fizikai Kutató Intézet
Atomfizikai Osztálya