Из практически реализуемых способов разгона тел до космических скоростей следует отметить ускорение с помощью т. н. легкогазовой пушки. Ее схема показана на рисунке 3.5.1. это пушка с закрытым диафрагмой дулом. При выстреле поршень сжимает газ в стволе 1 останавливается, затратив на сжатие газа всю свою энергию. При адиабатическом процессе вся энергия сгоревшего пороха превращается в энергию сжатого поршнем газа, т. е. UГmГ= UПmП. UГ – будет тем больше, чем меньше mГ при прочих равных условиях, поэтому целесообразно заполнять ствол легким газом, например, водородом. К стволу 1 присоединен ствол 2 с существенно меньшим калибром и снарядом, который выстреливается при прорыве диафрагмы со скоростью vм = (6Uumn/mr)1/2.
При движении снаряда, газу в стволе 2 можно сообщать
дополнительную энергию с помощью искровых
разрядов. График на рисунке 3.5.1.
показывает измeнeниe давления в стволе по мере перемещения снаряда. «Холодные» пушки могуt разогнать
малые тела до скоростей ~ 7 км/с, а с подогревом -
до 20 км сек.
Поскольку пушки являются сложным устройством, для получения таких же скоростей возможно использовать кумулятивные заряды (рисунок 3.5.2.), представляющие собой пороховые шашки с коническими выемками. При взрыве такой шашки из нее выбрасывается тонкая газовая струя, а если выемка облицована металлом, то - металлическая струя со скоростью
(3.5.2.)
где φ - угол образующей выемки с осью.
Если φ→38о, то скорость движения частиц струи
может быть сколь угодно большой. Экспериментально была достигнута скорость
струи 90 км/сек, но разгоняемые ею
частицы имели размер порядка диаметра молекул. С
помощью газовой струи удается разогнать мелкие пылинки
(<0,1г) до скорости ~13 км/сек.
Импульсные ускорители плазмы позволяют разогнать группу частиц диаметром ~20 мкм до скорости 20…40 км/сек.
Используются также электрические методы ускорения тел. Сначала тела заряжаются каким-либо способом, а затем разгоняются в линейном ускорителе, который может быть и каскадным. Тела массой 10-9…10-10 г можно ускорить до скоростей ~ 30 км/сек.
Также используется взрыв проволочки на воздухе или в воде при пропускании через нее большого тока; при разрыве диафрагмы газы вытекают через трубку, увлекая за собой тело. Мелкие пылинки имеют скорость до 30 км/сек.
Следует упомянуть также о разгоне ферромагнитных частиц магнитным полем и о т. н. «световой пушке». В последней используется луч лазера, который давит на частицу и испаряет ее с одной стороны, превращая ее в «микроракету». Однако в таких экспериментах по разгону микрочастиц трудно измерять параметры ускоренного тела и процесса соударения.
Электростатический метод ускорения обладает рядом преимуществ. Вся система ускорения находится в высоком вакууме, так что загрязнение исследуемых материалов сведено к минимуму. Поскольку ускоряемые частицы заряжены, то скорость, заряд, косвенно массу и размер каждой частицы, а также полное их количество можно определить при помощи соответствующей электронной аппаратуры еще до удара частицы о мишень.
Если брать частицы идеально гладкой сферической формы радиуса r и плотности ρ, то напряженность электрического поля Е на поверхности сферы находится в следующей зависимости от отношения заряда к массе:
(3.5.3.)
или
(3.5.4.)
где ε0= 8,854∙10-12 Ф/м - электрическая постоянная вакуума в системе СИ. Значение Е на поверхности такой частицы в случае отрицательного заряда ограничивается автоэлектронной эмиссией (Е~ 109 В/м), а в случае положительного заряда автоионной эмиссией (Е~ 1010 В/м). Поэтому для ускорения используются положительно заряженные частицы. Наиболее ответственным элементом, от которого во многом зависит работа всего ускорителя, является инжектор частиц. Имеются разнообразные конструкции инжекторов ускоренных микропылинок (см., например, рисунок 3.5. 3).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.