Элементы физической электроники

Лекция № 14

Контактная разность потенциалов

Если два разных металла привести в соприкосновение, то между ними возникнет разность потенциалов, которая называется контактной.

Причина ее заключается в том, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой.

Рассмотрим два различных металла, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

График распределения потен-циальной энергии электронов в различных точках пространства изобразится следующей диаграммой.

Приведем теперь в соприкосновение оба куска металла. Тогда в контактном слое, вследствие диффузии электронов, установится скачок потенциала, равный внутренней контактной разности потенциалов.

Причина внутренней контактной разности потенциалов заключается в следующем: при соприкосновении металлов диффузные потоки электронов перемещаются из металла с большей концентрацией электронов в металл с меньшей концентрацией.

При этом металл с большей концентрацией электронов заряжается положительно, а металл с меньшей концентрацией – отрицательно. В результате этого между металлами возникает разность потенциалов и появляется электрическое поле, которое вызывает в контакте металлов движение электронов в обратном направлении. При некоторой разности потенциалов установится динамическое равновесие, и потенциалы обоих металлов не будут изменяться. Эта разность потенциалов и является внутренней контактной разностью потенциалов. В классической электронной теории величина внутренней контактной разности потенциалов равна

,

где и - концентрация электронов в металлах.

Рассмотрим теперь распределение потенциальной энергии электронов не только в контактном слое, но и во всех остальных частях обоих проводников при их соприкосновении.

В зоне контакта между днищами обеих потенциальных ям будет малое энергетическое расстояние равное . Но так как глубины потенциальных ям различны, то их внешние края окажутся на разных высотах. Это значит, что между двумя любыми точками А и В, находящимися вне металла, но расположенными в непосредственной близости от его поверхностей возникает разность потенциалов. Она получила название внешней контактной разности потенциалов обоих металлов.

Если точки А и В будут на внешних границах обоих металлов, то электрон будет иметь любое значение потенциальной энергии от дна ямы до 0.

Как видно из графика

(разделим на e)

.

У знак (+) или (-) выбирают в зависимости от знака внутренней контактной разности потенциалов .

Как показывает опыт имеет порядок 10^-2 ÷ 10^-3 В. Разность потенциалов для различных пар металлов имеет порядок несколько вольт. Поэтому с достаточной степенью точности можно считать

.

Для замкнутой цепи, составленной из нескольких разнородных металлов сумма скачков потенциала равна нулю.

Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце 18 века итальянским физиком Вольта. Он экспериментально установим два закона:

1. При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от их химического состава и температуры.

2. Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединенных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Термоэлектрические явления

Между тепловыми и электрическими процессами в металлах существует взаимосвязь, которая обуславливает ряд явлений, называемых термоэлектрическими: явление Зеебека, Пельтье и явление Томсона.

Явление Зеебека – заключается в том, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь поддерживать при различных температурах, то в цепи потечет ток.

Это явление получило название термоэлектричества, а возникающая ЭДС – термоэлектродвижущей силой.

Если один из слоев находится при температуре T, а другой при более высокой температуре T₁ , то полная термоЭДС равна

,

где α – коэффициент термоЭДС.

Термоэлектричество широко используется для измерения температур. Устройства, использующие этот принцип, называются термопарами. Один спай термопары поддерживается при постоянной температуре (например 0˚С), другой - помещают в тот объем, температуру которого хотят измерить. О величине температуры судят по силе возникающего термо-тока, измеряемой гальванометром.

С помощью термопар можно измерять с точностью до сотых долей градуса, как низкие, так и высокие температуры.

В качестве источников тока термопары из металлов и их сплавов не используются вследствии низкого КПД (около 0,5%). Термопары из полупроводниковых материалов обладают более высоким КПД (до 7%).они находят применение в качестве небольших генераторов тока для бытовых целей. Энергии такого генератора, надеваемого виде абажура на стекло керосиновой лампы, достаточно для питания радиоприемника.

Явление Пельтье заключается в том, что при пропускании тока через цепь, составленную из разнородных металлов, в зависимости от направления тока, происходит выделение или поглощение тепла.

Количество тепла, выделившегося при этом в контакте, определяется выражением

,

где q – заряд, прошедший через спай;

- коэффициент пропорциональности (коэффициент Пельтье).

Здесь ток течет от металла А к металлу В.

При изменении направления тока, вместо выделения тепла наблюдается его поглощение в тех же количествах. Следовательно,

_.

Между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термоЭДС имеется связь

.

Явление Пельтье объясняется следующим образом. Полная энергия электронов проводимости в обоих металлах спая различна. Если электроны, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, то они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего спай нагревается. На другом спае этой цепи электроны переходят в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию у кристаллической решетки и охлаждают спай.

Явление Пельтье имеет большое практическое значение. А.Ф. Иоффе выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. Заманчиво также применение явления Пельтье для электрического обогрева помещений. При этом спай поглощающий тепло выводится наружу, а спай выделяющий тепло – внутрь обогреваемого помещения. Пропуская через спай ток, можно получить на спае, помещенном внутри помещения, количество тепла в два раза превышающее затраты энергии на создание тока. Такая система обогрева имеет еще и то преимущество, что в случае необходимости (например, в жаркую погоду), ее можно без переделок использовать для понижения температуры помещения – для этого нужно лишь изменить направление тока на обратное.

Явление Томсона заключается в том, что при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, происходит, в зависимости от направления тока, поглощение или выделение тепла.

Удельная мощность, выделяющаяся в проводнике при этом равна

,

где - градиент температуры в данном месте проводника;

- коэффициент пропорциональности (коэффициент Томсона);

- плотность потока.

Явление Томсона объясняется следующим образом: электроны при своем движении переходят из мест с более высокой температурой и, следовательно, большей энергией в места с более низкой температурой и, следовательно, более низкой энергией. Если через проводник пропустить ток в направлении возрастания температуры, то тепловое движение электронов будет направлено противоположно току. Избыток своей энергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла. При изменении направления тока, естественно, произойдет поглощение тепла.

Термоэлектронная эмиссия

Работа выхода

В металлах имеются электроны проводимости, участвующие в хаотическом тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то значит, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные вглубь металла.

Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа против этих сил, которая получила название работы выхода электрона из металла.

Работой выхода электрона из металла называется работа, которую надо совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство.

Работа выхода совершается электроном за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Естественно, что работа выхода для различных металлов различна.

Электроны металла при своем тепловом движении способны удаляться с поверхности металла на расстояние, не превышающее атомных размеров. Как только электроны выходят наружу, весь кусок металла заряжается положительно и втягивает их обратно. Таким образом, весь металл оказывается окруженным тонким облаком электронов, покидающих поверхность металла и возвращающихся обратно.

В результате у поверхности металла образуется как бы заряженный конденсатор, отрицательной обкладкой которого является электронная атмосфера, окружающая проводник, а положительной – слой ионов металла. Этот заряженный конденсатор носит название двойного электрического слоя.

Обозначим разность потенциалов на обкладках этого конденсатора через . Работа, необходимая для вырывания из металла неподвижного электрона, т.е. не обладающего кинетической энергией равна

.

На эту величину потенциальная энергия электрона, вышедшего из металла, будет превышать его потенциальную энергию внутри металла.

Будем считать потенциальную энергию электрона вне металла равной нулю. Тогда внутри металла потенциальная энергия будет отрицательной величиной, равной . Изменение потенциальной энергии от 0 до значения происходит на границе металла, на длине порядка нескольких межатомных расстояний, т.е. почти скачкообразно.

Изменение потенциальной энергии электронов в различных частях проводника в отсутствии тока можно наглядно проиллюстрировать следующей диаграммой:

График этот носит название потенциальной ямы.

Для того, чтобы электрон мог преодолеть силы, притягивающие его к ионной решетке металла, т.е. выйти из потенциальной ямы, и удалиться из металла, необходимо затратить некоторую энергию. Максимальная энергия, которую может иметь электрон внутри металла, недостаточна для этого. Поэтому для преодоления потенциальной ямы к электрону необходимо приложить внешние силы или сообщить ему дополнительное количество энергии.

Электроны, удаляясь с поверхности металла, создают вблизи поверхностного слоя электрическое поле. Работа выхода связана с напряженностью электрического поля в поверхностном слое металла соотношением:

.

Здесь интегрирование производится от какой-либо точки, взятой внутри металла, до точки, расположенной очень далеко от его поверхности.

Чистые металлы имеют работу выхода в пределах 1,8÷5,3 Эв. Примеси снижают работу выхода.

Удаление электронов с поверхности металла (эмиссию) можно получить следующими способами:

1. Нагреть металл до очень высокой температуры и тем увеличить число электронов, приобретающих при тепловом движении большие скорости (термоэлектронная эмиссия);

2. Воспользоваться сильным электрическим полем, которое подхватывало бы электроны из поверхности металла. Такая эмиссия называется холодной или автоэлектронной;

3. Произвести облучение поверхности металла световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами, энергия которых поглощается электронами. Такой способ эмиссии электронов называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэлектронная эмиссия);

4. Произвести бомбардировку поверхности металла электронами, ионами или другими частицами. Эмиссия обуславливается тем, что число вылетающих электронов превышает в несколько раз число бомбардирующих частиц. Такой способ называют вторичной электронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми телами.

При нагревании металла возрастает кинетическая энергия электронов проводимости и многие из них могут совершить работу выхода из металла.

Исследование термоэлектронной эмиссии удобно производить с помощью следующей схемы.

Основным элементом схемы является двухэлектродная лампа или диод. Он состоит из катода К, выполненного в виде тонкой прямой нити и анода А, представляющего собой коаксиальный с нитью цилиндр.

Катод и анод впаяны в стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум.

Катод нагревается электрическим током от батареи накала Б_н. ток накала регулируется реостатом накала R_н. на электроды подается напряжение от анодной батареи Б_а. Величину анодного напряжения можно изменять с помощью потенциометра R_а измерять вольтметром V. Сила анодного тока измеряется гальванометром Г.

Если установить и снять зависимость , то получим кривую, которая называется вольт-амперной характеристикой.

При вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд – электронное облако. Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и бо́льшую их часть возвращает обратно. Лишь небольшое число электронов долетает до анода, в результате чего в анодной цепи течет слабый ток. Чтобы полностью прекратить попадание электронов на анод, необходимо приложить между анодом и катодом некоторое отрицательное напряжение. Этим объясняется, что вольт-амперная характеристика начинается не в нуле, а немного левее начала координат.

С увеличением напряжения на аноде электронное облако постепенно рассасывается, и анодный ток растет до значения . Максимальный термоэлектронный ток, возможный при данной температуре катода, называется током насыщения.

До наступления насыщения зависимость силы тока через лампу от приложения разности потенциалов между анодом и катодом выражается формулой Лэнгмюра-Богуславского:

.

Коэффициент пропорциональности В зависит от формы, размеров и относительного расположения катода и анода.

Иначе этот закон еще называется законом трех вторых.

Для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих в единицу времени из катода. Это значит, что надо повысить температуру катода, усилив ток накала. Вольт-амперные характеристики диода при разных температурах приведены на следующем графике:

Для токов насыщения представляет интерес не сила тока насыщения, а его плотность:

,

где - поверхность катода.

Плотность тока насыщения не зависит от напряжения на аноде и определяется по формуле Ричардсона:

,

где - работа выхода;

- константа, не зависящая от рода металла; величина ее равна .

В радиотехнике и устройствах по автоматическому управлению различными процессами широкое применение получили электронные лампы, в которых используется поток электронов, текущих от нагреваемого катода каноду.

Эти лампы применяются для:

1. выпрямления переменных токов;

2. усиления слабых колебаний токов или потенциалов;

3. генерирования электромагнитных колебаний.

Выпрямление переменных токов основано на свойстве диодов пропускать ток только в одном направлении. Диод, действующий как выпрямитель, называется кенотроном.

Схема включения кенотрона и график выпрямленного тока изображены на следующем рисунке.

Полученный выпрямленный ток носит название однополупериодного, пульсирующего.

Если в цепь включить два кенотрона или один кенотрон с двумя анодами, то можно получить двухполупериодное выпрямление.

Схема включения и график выпрямленного тока изображены ниже.

Первичная обмотка трансфор-матора питается переменным током. Вторичных обмоток две: меньшая - служит для накала катода, большая - имеет средний вывод, который через нагрузку соединен с катодом. Концы обмотки ІІ – соединены с анодами. Одну половину периода под более высоким потенциалом, чем катод, находится один анод, вторую половину – другой. В результате, через нагрузку течет выпрямленный пульсирующий ток.

Усиление слабых колебаний токов и потенциалов производится при помощи электронных ламп, у которых между катодом и анодом помещен дополнительный электрод – сетка. Такая лампа называется триодом.

Обычно сетка представляет собой спиральную проволочку, окружающую прямолинейный катод. Ось цилиндрического анода совпадает с осью катода.

Принципиальная схема включения триода изображена на рисунке.

Если сообщить сетке положительный потенциал по отношению к катоду, то движение электронов от катода к аноду убыстряется и анодный ток растет. Если же потенциал сетки отрицателен по отношению к катоду, то движение электронов к аноду замедляется и анодный ток уменьшается. При большом отрицательном напряжении на сетке анодный ток прекращается – лампа заперта.

Таким образом, сетка позволяет усиливать или ослаблять анодный ток.

Для улучшения действия электронной лампы в нее вводятся дополнительные сетки. Лампа с двумя сетками называется тетродом или четырехэлектродной лампой. Лампа с тремя сетками называется пентодом или пятиэлектродной лампой.

Ток в газах

Прохождение тока через газы называется газовым разрядом. В металлах, полупроводниках и электролитах носители тока существуют всегда. Электрическое поле лишь обуславливает упорядоченное движение имеющихся зарядов. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Лишь при соблюдении специальных условий в газах могут появиться носители зарядов (ионы, электроны) и возникнет газовый разряд.

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий ионизаторов, не связанных с наличием электрического поля (увеличение температуры, воздействие УФ и рентгеновских лучей). Это несамостоятельная проводимость газа.

Если носители газа возникают в результате приложенного к газу электрического поля, то проводимость называется самостоятельной.

Пусть газ находится между плоскими параллельными электродами, к которым приложено внешнее поле, напряженностью . Под его действием молекулы газа поляризуются так же, как и в диэлектрике.

Связь между поляризацией и оптическими свойствами газа дается выражением

- формула Г.Лоренц-В.Лоренца,

- показатель преломления;

- концентрация молекул;

- поляризуемость.

Приложим к этому газу дополнительное воздействие ионизатора. При этом от некоторых молекул отделяется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы.

Таким образом, в любом газе есть некоторое количество носителей заряда, которое под влиянием ионизатора перемещается в газе, как в вязкой среде.

Его уравнение движения имеет вид:

где - ІІ закон Ньютона;

- сила вязкости;

- радиус иона.

При установлении равновесия и заряд между обкладками конденсатора движется равномерно со скоростью .

.

Откуда

,

где - подвижность носителей заряда.

Ускорение движения заряда изменяется от а до 0, поэтому .

Так как , то ().

Для положительных ионов и электронов и различны. Следовательно, различны и и .

; .

Откуда

,

где , .

Подвижность носителей тока – это средняя скорость, приобретенная носителями при .

Плотность тока

- закон Ома

в дифференциальной форме,

где .

Уравнение баланса ионов

При движении электрических зарядов в газе, наряду с положительными ионами, возникают и отрицательные (захват электронов нейтральными молекулами). Происходит нейтрализация части разноименных ионов или их рекомбинация. Кроме этого часть заряда будет уноситься на образование электрического тока.

Закон сохранения электрического заряда

,

где - коэффициент ионизации;

- концентрация носителей;

- заряд одного носителя;

- заряд в единице объема;

- плотность тока.

Общее уравнение:

(разделим на V)

,

где - длина (расстояние между пластинами).

I - ј ~ E - выполняется закон Ома;

II – при усилении поля время движения зарядов между электродами уменьшается, ионы не успевают рекомбинировать, возникает ток насыщения;

III – рост величины ј за счет увеличения E, ионы сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. эта область называется областью пропорциональности;

IV - область частичной пропорциональности;

V – область резкого возрастания ј, в конце происходит самостоятельный газовый разряд, который происходит и без ионизации.

Понятие о плазме

Сильно ионизированный газ, в котором суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен нулю, называется плазмой. Плазма – особое состояние вещества. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца и других звезд с температурой в десятки миллионов градусов.

Для того, чтобы плазма находилась в стационарном состоянии необходимо наличие процессов восполняющих убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это осуществляется за счет термической ионизации, а в газоразрядной плазме – за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем.

Свойства плазмы:

1. Плазма электрически нейтральна.

2. Заряды в плазме распределены равномерно.

Плазма - упругая среда.

Частицы плазмы находятся в тепловом движении

,

где - температура электронов;

- температура ионов;

- температура атомов.

При невысоких температурах - изотермическая плазма.

Отношение концентрации заряженных частиц одного знака к первоначальному числу частиц называется степенью ионизации . В случае полной ионизации, когда , имеем идеальную проводимость плазмы .

Колебания в плазме

Электроны в газоразрядной плазме участвуют в двух движениях: хаотическом и упорядоченном. Рассмотрим упорядоченное движение электронов под действием вешнего поля.

Выделим в плазме некоторый объем. На одной его стороне будет недостаток, а на другой – избыток зарядов. Имеем своего рода конденсатор. Плотность заряда конденсатора

.

Величина напряженности ;

.

Формула для идентична формуле квазиупругой силы (E и F направлены противоположно; так как отрицательно, то берем знак «-»).

Под действием квазиупругой силы возникают колебания. Определим частоту таких колебаний.

(разделим на )

,

где ;

- плазменная частота или частота колебаний Лармора.

,

где .

.

Максимальная кинетическая энергия ионизации должна быть больше либо равна кинетической энергии, приходящейся на одну степень свободы.

;

,

где - это расстояние наибольшего смещения для частиц одного знака (радиус Дебая); он зависит от температуры.

Система заряженных частиц называется плазмой, если ее размеры значительно больше радиуса Дебая

,

где - характерный размер заряженной частицы.

Современные методы ускорения частиц

Для ряда исследований в ядерной физике необходимо иметь пучок частиц с очень большими энергиями. Задача ускорения частиц решается с помощью ускорителей.

Необходимым элементом ускорителей является электрическое поле со значительной разностью потенциалов. Оно и ускоряет частицы, сообщая им кинетическую энергию ,

где - заряд частицы;

- разность потенциалов.

Однако создание электрических полей с разностью потенциалов порядка миллиона вольт связано с большими техническими трудностями. Создание полей с еще большей разностью потенциалов принципиально невозможно из-за наличия газового разряда. Между тем, для экспериментальных исследований в ядерной физике необходимы частицы с энергией в десятки и сотни миллиардов электрон-вольт. Единственный выход заключается в том, чтобы заставить частицу пройти ускоряющее электрическое поле не один, а несколько раз. Простейший тип такого ускорителя – линейный каскадный ускоритель – был выполнен по следующей схеме:

В ней ряд металлических трубок переменной длины А, В, С, Д… расположен вдоль оси ускорителя. Первая, третья и все нечетные трубы присоединены к одному полюсу источника переменного напряжения; вторая, четвертая и все четные трубы – к другому. Ионы, возникающие в области G под действием тока, протекающего через газ, проникают в цилиндр А и, двигаясь далее, ускоряются электрическим полем между А и В. Частота источника напряжения должна быть такой, чтобы за то время, пока ионы пройдут цилиндр В, напряжение на цилиндрах изменило знак. Тогда в поле между В и С ионы опять испытают ускорение и т.д.

Однако такой ускоритель имеет существенный недостаток. С увеличением скорости частиц необходимо увеличивать длину цилиндров. Поэтому больших энергий ускоряемых частиц на таком устройстве достигнуть нельзя.

Циклотрон

Лоуренсу принадлежит идея обратить с помощью магнитного поля траекторию ускоряемой частицы в спираль. Ускоритель такого типа называется циклотроном.

Устроен он следующим образом: в вакуумной камере размещается два полуцилиндра, называемые дуантами. Вблизи центра камеры располагается источник положительных ионов, которые попадают в пространство между дуантами. К дуантам подводится высокочастотная разность потенциалов. Вакуумная камера помещается между полюсами мощного электромагнита.

Принцип действия циклотрона заключается в следующем: положительный ион, попав в зазор между дуантами, приобретает кинетическую энергию

,

где Р – импульс иона.

Отсюда .

Под действием магнитного поля она движется по полуокружности, радиус которой может быть найден как

(берем , т.к. )

.

Откуда .

Если в момент, когда ион опять попадет в промежуток между дуантами, электрическое поле изменит свою полярность, то частица получит еще одну порцию энергии. Ее кинетическая энергия станет равной , импульс и радиус полуокружности и т.д.

С помощью подобных ускорителей были получены пучки ядер тяжелого водорода и гелия с энергией 10-15 МЭв.

Однако, для детального изучения свойств и структуры ядра были необходимы частицы с энергией в 1000 раз большей. Это было достигнуто тремя путями:

1. путем постепенного изменения магнитного поля;

2. изменением частоты электрического поля;

3. изменением электрического и магнитного поля.

В соответствии с этим ускорители делятся на три типа: синхротрон, фазотрон и синхрофазотрон.

Синхротрон

В таком устройстве ускоряемые электроны движутся все время по окружности одного и того же радиуса. Ускорение достигается за счет изменения индукции магнитного поля, которое происходит таким образом, чтобы отношение было постоянным. Следовательно, будет постоянным и период обращения частицы

; ; .

.

В циклотроне по мере увеличения скорости частицы растете ее масса, следовательно, увеличивается период обращения и частица начинает запаздывать. Она приходит к ускоряющему промежутку в момент, когда фаза напряжения изменилась не на 180˚, а на большую величину. Это запаздывание нарастает и, в конце концов, получается так, что электрическое поле будет тормозить частицы.

В синхротроне такого увеличения периода не происходит. Это достигается синхронным увеличением индукции магнитного поля. При этом происходит значительное увеличение скорости частиц и их энергии.

С помощью синхротронов можно получить электроны с энергией в десятки и даже сотни МЭв.

Фазотрон

Так же как и циклотрон, он используется для ускорения тяжелых частиц: протонов, ядер гелия и т.д. В нем так же, как и в циклотроне, возрастание массы заряженной частицы влечет за собой увеличение периода обращения в магнитном поле. Для компенсации этого увеличения производят синхронное уменьшение частоты напряжения ускоряющего электрического поля при постоянном магнитном поле.

Траектория частицы в фазотроне представляет собой плоскую спираль. Чем дальше зайдет эта спираль, тем большая энергия частиц будет достигнута. Таким образом, увеличение энергии связано с увеличением площади ускорительной камеры, находящейся в магнитном поле.

Из существующих ускорителей этого типа наиболее мощным является фазотрон АН СССР с весом магнита 7000 т. Этот фазотрон дает пучок протонов с энергией 680 МЭв. Фазотроны ограничены энергиями порядка сотен МЭв. Дальнейшее увеличение их возможностей привело бы к немыслимому увеличению веса магнита. Энергия частиц в миллиарды электрон-вольт достигается в синхрофазотроне.

Синхрофазотрон

В синхрофазотроне одновременно изменяются частота и напряжения, ускоряющего электрические поля, и индукция магнитного поля. Ускоряемые частицы движутся в синхрофазотроне не по спирали, а по кривой траектории постоянного радиуса. По мере увеличения скорости и массы частиц индукция магнитного поля растет таким образом, что радиус орбиты частицы остается все время постоянным. Для непрерывного ускорения частицы необходимо, чтобы период колебаний электрического поля был равен периоду обращения частицы. Это достигается изменением частоты ускоряемого напряжения.

Первый синхрофазотрон, ускоряющий протоны до кинетической энергии 10 ГЭв, был построен в 1957 г. в СССР в объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна). В 1959 г. синхрофазотрон на 30 ГЭв был построен в Швейцарии в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН); в 1960 г. - синхрофазотрон на 33 ГЭв Бруквейнской национальной лаборатории США. В декабре 1967 г. в Советском Союзе, вблизи г. Серпухова, пущен в ход крупнейший в мире синхрофазотрон на 76 ГЭв.