Наши акции



Детки и планшетики (22) Выбираем шампунь (61) Снег на улице (17) интернет-покупки (91)



Главная » Детские исследовательские проекты » Eстествознание

Научно-исследовательский проект "Модель ускорителя элементарных частиц"
Скачать (3.23Mb) 05.02.2016, 22:13
Автор: Маленков Владимир, ученик 4 "Б" класса МБОУ "Лицей" г. Протвино
Купряшина О.А.
учитель русского языка и литературы МБОУ "Лицей" г. Протвино

Научно-исследовательский проект
"Модель ускорителя элементарных частиц"

 
В настоящее время широкое применение в науке и технике нашли ускорители заряженных частиц – установки для получения пучков заряженных частиц (протонов, электронов, античастиц, ядер других атомов) высоких энергий – от десятков кэВ до нескольких ТэВ. В технике такие ускорители используются для получения изотопов, упрочнения поверхностей материалов и производства новых материалов, для создания источников электромагнитного излучения (от микроволнового до рентгеновского излучения), широко применяются в медицине и т.д. Однако, по-прежнему, к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц – главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Подавляющее большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены на ускорителях. Именно потребности физики элементарных частиц являются главным стимулом для развития ускорительной техники, и в первую очередь для повышения энергии, до которой могут быть ускорены заряженные частицы.
Силы взаимодействия частиц мира атомов настолько велики, что справиться с ними могут только равносильные им машины - ускорители, создающие необходимые по мощности электромагнитные поля.
Как же устроены ускорители заряженных частиц? Что заставляет частицы двигаться по ускорителю?

Проблема: как электромагнитное поле может двигать частицы?

Цель: построить модель ускорителя заряженных частиц.

Задачи:
- изучить действие электромагнитного поля на заряженные частицы;
- на практике понять и изучить принципы работы ускорителей заряженных частиц;
- вызвать интерес у одноклассников к физике элементарных частиц.

Этапы работы:
Изучение литературы по интересующему меня вопросу
Формирование цели и задач
Подбор материала для изготовления модели ускорителя
Сборка модели ускорителя заряженных частиц 
Что такое ускоритель заряженных частиц и как он работает
 
Исследуя явление радиоактивности и, обнаружив, что некоторые частицы имеют электрический заряд, физики смогли воспользоваться этим явлением. Создавая определенные электромагнитные поля, стало возможно удерживать и разгонять заряженные частицы по определенным траекториям до необходимых энергий, ударяя эти частицы в специально подготовленные мишени, исследовать структуру материи, по разлетающимся осколкам «снаряда» и частиц мишени. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию.
Современные ускорители заряженных частиц являются самыми крупными экспериментальными установками в мире, причем энергия частиц в ускорителе линейно связана с его размером. Так, линейный ускоритель электронов SLC на энергию 50 ГэВ в Стэнфордском университете (США) имеет длину 3 км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию 900 ГэВ в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США) составляет 6,3 км, а  в Женеве (ЦЕРН) длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км.
Постоянно возрастающие размеры ускорителей уже достигли границы разумного соотношения физических характеристик и финансовых затрат, превращая строительство ускорителей в проблему национального масштаба. Можно говорить, что чисто инженерные решения тоже близки к своему пределу. Очевидно, что дальнейший прогресс в ускорительной технике должен быть связан с поисками новых подходов и физических решений, делающих ускорители компактнее и дешевле в сооружении и эксплуатации. Последнее также немаловажно, так как энергопотребление современных ускорителей близко к энергопотреблению небольшого города. Пришло время обратиться к новым достижениям в радиофизике, физики плазмы, квантовой электронике и физике твердого тела, чтобы найти достойные решения.
Безусловно крупнейшим достижением ускорительной техники является Большой Адронный Коллайдер (БАК), с помощью его мощностей физики хотят заглянуть в тайны мироздания. Это сложнейший комплекс на котором работает более 10000 человек из более чем 100 стран мира. Длина основного кольца ускорителя  26659 метров. В ускорителе сталкиваются протоны с энергией 14 ТэВ, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ. Благодаря работе ускорителя учёнными были открыты новые элементарные частицы: бозон Хиггса, тетракварк и пентакварк.
 
Классификация ускорителей
Современные ускорители классифицируют по разным признакам:
По типу ускоряемых частиц (различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов);
По характеру траекторий частиц (линейные ускорители, в которых траектории частиц прямолинейны, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности или спирали).

По характеру ускоряющего поля (резонансные и нерезонансные).
По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировке). 
Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители, там, где не нужны высокие энергии частиц - линейные ускорители.
Линейный ускоритель
В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются ускоряющие станции.
В линейных ускорительных системах высокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженер Р.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанных высокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазовая скорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения в ускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобно скольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов в процессе ускорения могут сильно увеличиваться.
Преимущество линейных ускорителей над циклическими — отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей.
Циклический ускоритель
В циклических ускорителях реализуется способ ускорения пучка путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот же ускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 году Э.Лоуренсом и С.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне.
В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны).
Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла.
Типы циклических ускорителей
Деление осуществляется в зависимости от особенностей режимов ускорения:
если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени - «циклотрон»,
если магнитное поле нарастает во время цикла ускорения - «синхротрон»,
если при этом изменяется и частота ускоряющего поля - «синхрофазотрон».В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц увеличивается настолько, что они обращаются по круговой орбите практически с постоянной частотой, поэтому синхрофазотроны для протонов высоких энергий называют «протонными синхротронами».
Коллайдеры
Коллайдеры  — ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. В коллайдерах элементарным частицам вещества сообщается наиболее высокая энергия, так как при встречном движении растёт относительная скорость. Это чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
 
Ускоритель в Протвино
В 1958 году было принято решение о строительстве в СССР нового, в то время самого мощного в мире, ускорителя элементарных частиц. По техническому проекту ускоритель должен быть на монолитном основании, так как опоры огромного кольцевого магнита, являющегося основой ускорителя, должны быть очень устойчивы. К тому же район должен быть благоприятным в сейсмическом отношении, так как требовалась точнейшая постоянная фиксация оси вакуумной камеры. В результате исследования 40 площадок в 14 областях страны, в том числе в Сибири, на Урале и Дальнем Востоке, был принят «Серпуховский вариант». Здесь, когда-то в древности, было море, бывшее дно которого, плотная известняковая скала, так называемое Приокское плато, и послужило основанием фундамента ускорителя. В 1960 году было начато строительство Института Физики Высоких Энергий (ГНЦ ИФВЭ).
У-70 — протонный синхротрон рассчитанный на энергию 70 ГэВ, сооружённый в 1967 году в Институте физики высоких энергий, Протвино. На момент сооружения энергия ускорителя была рекордной. За разработку и ввод в действие синхротрона У-70 коллектив учёных был удостоен Ленинской премии в 1970 году.
Комплекс работает в импульсном режиме. Протоны ускоряются до 30 МэВ в линейном ускорителе УРАЛ-30, и инжектируются в быстроцикличный бустерный синхротрон У-1.5 периметром 100 м, где ускоряются до энергии 1,32 ГэВ, после чего перепускаются в У-70. Далее в течение ~9 с следует цикл ускорения до максимальной энергии 76 ГэВ, и пучок используется для формирования различных вторичных пучков частиц. Система медленного вывода протонного пучка дает возможность выводить ускоренные протоны равномерно в течение длительного (до 2 с) промежутка времени.
Многие сотрудники ИФВЭ из нашего города принимают активное участие в международных ускорительных проектах, включая БАК.

Практическое применение ускорителей
Физика - фундаментальная наука.  Процесс изучения строения материи очень сложен, и дорог. Часто результаты исследований и практическое их применение находится не сразу, и не всем заметно в жизни. Но с результатами этих экспериментальных установок в современной жизни мы сталкиваемся повсюду.
Давайте разберёмся подробнее, где используются ускорители.
Научные исследования - понять как что-то устроено и как «работает» можно только разобрав механизм устройства и взаимодействия всех «винтиков». Вот для решения этих  задач и работают ускорители
Стерилизация продуктов питания, медицинского инструмента - в настоящее время таким методом стерилизуется более 50% медицинских изделий одноразового пользования. Для стерилизации применяют электронные пучки. Энергия электронных пучков составляет в основном 5 – 10 МэВ. Пучки с более низкой энергией находят применение для стерилизации упаковки медицинских изделий.
Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика) - Одно из наиболее быстро развивающихся направлений использования ускорителей заряженных частиц. Известно, что в наиболее развитых странах лучевая терапия применяется для 70% всех больных раком, в России же этот вариант лечения применяется пока лишь в 20% случаев. Эффективность излечивания оценивается за рубежом уровнем порядка 60%, в России же – ниже 40%.
Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
Радиационная дефектоскопия - комплекс физических методов и средств неразрушающего контроля качества материалов, заготовок и изделий с целью обнаружения дефектов их строения. Этим методом выявляются трещины, непровары, непропаи, включения, поры, подрезы и другие дефекты в изделиях.
Радиационное модифицирование материалов (например, сшивание полимеров для производства проводов и кабелей, что приводит к повышению их механической прочности, термостойкости, улучшению электроизоляционных свойств).
Радиационная очистка топочных газов и сточных вод, обработка природной воды, обработка твердых отходов.

 


Категория: Eстествознание | Добавил: Весна
проект, коллайдер, ускоритель, Научно-исследовательский
Просмотров: 430 | Загрузок: 52 | | Рейтинг: 0.0/0 |

0

Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:


Группа: Гости
Вход
  
Регистрация
  



Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Конкурсы для детей

Детский лагерь Орленок - dol-orlenok.ru


Задачи управляющего совета в ДОУ
Почему процедура лазерной шлифовки пользуется популярностью у женщин во всем мире?
Подарите ребенку здоровье!
Как выбрать хороший подарок ребенку и сэкономить на покупках – советы для родителей

На сайте всего: 56
Гостей: 55
Пользователей: 1
Elena






© Детский развивающий портал "ПочемуЧка" 2008-2016
Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-54566 от 21.06.2013г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций.

Все права на материалы сайта охраняются в соответствии с законодательством РФ, в том числе законом РФ «Об авторском праве и смежных правах». Любое использование материалов с сайта запрещено без письменного разрешения администрации сайта.
Реклама на сайте
О нас
Ваши отзывы
Обратная связь
Партнеры
Полезные сайты

Создать сайт

"ПочемуЧка" в социальных сетях"
"Почемучка" в ОдноклассникахВ "Одноклассниках"
 
"ПочемуЧка" ВКонтактеВКонтакте
 
"ПочемуЧка" в ФейсбукВ Facebook
 
"ПочемуЧка" в Живом ЖурналеВ "Живом журнале"
 
ПочемуЧка в ТвиттереВ Твиттере
Наши партнеры:
КОНКУРСЫ!!!
Конкурсы "Мастерилкино"
Конкурсы "Любознайка"
Самарский школьный портал
Самарские школьники



Рейтинг@Mail.ru Самарский школьный портал