Wiązka elektronów

Wiązka elektronów:
produkcja i transport
Sławomir Wronka
Szkoła Fizyki Akceleratorów Medycznych, Świerk 2007
Ruch cząstki w polu
elektrycznym
10/10/2007
Sławomir Wronka
2
Pole elektryczne powoduje zmianę
energii kinetycznej
mv 2 mv02
−
= q⋅U
2
2
Np. dla elektronu
→
v=
2q
v0 +
⋅U
m
2
v = 593 U [ km / s ]
Dla U = 25kV → v ≈ 93 762 [ km / s ]
10/10/2007
Sławomir Wronka
3
Ruch elektronu w polu B=const

 
F = − q ( v × B)
10/10/2007
Sławomir Wronka
4
Elektron dostający się w obszar pola
skośnie do indukcji B porusza się po
torze spiralnym o promieniu r i skoku h.
Pole magnetyczne nie zmienia energii
kinetycznej elektronu,
elektronu zmienia jedynie
kierunek jego ruchu.

→ v ≠ f ( B)
10/10/2007
Sławomir Wronka
5
10/10/2007
Sławomir Wronka
6
W polu elektrycznym i magnetycznym działa siła Lorentza:
Pole elektryczne nadaje cząstce przyspieszenie:
Energia nadana cząstce przez różnicę
potencjałów U:
10/10/2007
Sławomir Wronka
7
Kiedy ładunek porusza się w kierunku nierównoległym do kierunku
wektora indukcji magnetycznej wówczas jego tor jest linią śrubową
(helisą) której oś skierowana jest równolegle do kierunku wektora
indukcji, a promień r wynosi:
Ruch cząstki w płaszczyźnie prostopadłej do wektora indukcji jest
ruchem okresowym z częstością cyklotronową niezależną od prędkości:
Parametry charakteryzujące ruch okresowy:
10/10/2007
Sławomir Wronka
8
Jak wytworzyć wiązkę
elektronów ?
• Podgrzany metal
emituje elektrony pod
wpływem
przyłożonego pola
elektrycznego
10/10/2007
Sławomir Wronka
9
Typy wyrzutni
• Bezpośrednio/pośrednio żarzone
• Dioda/trioda
10/10/2007
Sławomir Wronka
10
Jak działa działo ?
• Prąd elektryczny przepływa przez żarnik. Jest to
ciasno zwinięta spirala z drutu wolframowego,
który nie topi się w wysokich temperaturach i żarzy
się.
• Prąd rozgrzewa wolfram do temperatury około 2500
st.C. Jest 10 razy bardziej rozgrzany niż piekarnik w
piecu.
• W środku jest próżnia, czyli powietrza nie ma.
Dzięki temu żarnik się nie przepala (w powietrzu
jeżeli coś się rozgrzewa to łączy się z tlenem z
powietrza i zaczyna palić) ale i tak się zużywa.
Kiedy żarnik się rozgrzewa cząsteczki wolframu
odpadają. Drucik robi się cieńszy i bardziej kruchy i
pewnego dnia pęka. Wtedy wzywamy serwis…
10/10/2007
Sławomir Wronka
11
Emisja bezpośrednia
10/10/2007
Sławomir Wronka
12
Emisja pośrednia
10/10/2007
Sławomir Wronka
13
Dioda
• Sterowanie:
Trioda
Bezpośrednia
• Typ emisji:
Pośrednia
10/10/2007
Sławomir Wronka
14
Akcelerator – co jest potrzebne?
Źródło
Akcelerator
Wiązka
• Źródło cząstek naładowanych
(elektrony, protony, ciężkie jony itp.)
• Elementy przyspieszające
(także zapewnienie pola elektrycznego przekazującego cząstkom energię)
• Elementy transportujące
(głównie magnetyczne, skupiające wiązkę i zapewniające właściwą trajektorię)
• Systemy towarzyszące
(kształtowanie i monitorowanie wiązki, układ chłodzenia, system
podtrzymywania próżni, osłony przed promieniowaniem itd.)
10/10/2007
Sławomir Wronka
15
Budowa medycznego linac-a
Źródło
elektronów
Układ
odchylający
Struktura przyspieszająca
Źródło mocy
w. cz.
Głowica
akceleratora
10/10/2007
Sławomir Wronka
16
Pola elektryczne i magnetyczne
w akceleratorze
• Pole elektryczne – do przyspieszania =
drugi wykład
• Pole magnetyczne – do kształtowania
wiązki:
– Solenoid
– Magnes odchylający
– Cewki ogniskujące i ustalające położenie
wiązki
10/10/2007
Sławomir Wronka
17
Solenoid
• Po co ?
10/10/2007
Sławomir Wronka
18
Solenoid
10/10/2007
Sławomir Wronka
19
Magnes odchylający (90 )
o
10/10/2007
Sławomir Wronka
20
Magnes odchylający (270o)
10/10/2007
Sławomir Wronka
21
Magnes odchylający („slalom”)
10/10/2007
Sławomir Wronka
22
Magnes odchylający (270 )
o
10/10/2007
Sławomir Wronka
23
Magnes odchylający 270o
z filtrem energii
10/10/2007
Sławomir Wronka
24
Sterowanie położeniem wiązki
10/10/2007
Sławomir Wronka
25
Sterowanie położeniem wiązki
10/10/2007
Sławomir Wronka
26
Optyka wiązki
10/10/2007
Sławomir Wronka
27
Magnesy kwadrupolowe
• Ogniskują wiązkę w wybranym
punkcie /tarcza konwersji/
10/10/2007
Sławomir Wronka
28
10/10/2007
Sławomir Wronka
29
Magnesy - podsumowanie
10/10/2007
Sławomir Wronka
30
A . S e r y i (S L A C ) 1 9 -2 7 M a y 2 0 0 6 , S o k e n d a i, H a y a m a , J a p a n
Scanditronix MM50
Target
exchanger
Beam
scanning
magnets
Purging
magnet
Filter revolver
Wedge
filter
Video camera
Ion
chamber
Multileaf
collimator
(MLC)
Helium
atmosphere
10/10/2007
Sławomir Wronka
31
Dziękuję !
10/10/2007
Sławomir Wronka
32