УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Содержание:

I. История развития ускорителей

II. Классификация ускорителей

III. Принцип действия резонансных ускорителей

IV. Основные типы современных ускорителей

А. Циклические ускорители

Б. Линейные ускорители

У. з. ч.- устройства для
получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов)
больших энергий. Ускорение производится с помощью электрич. поля, способного
изменять энергию частиц, обладающих электрич. зарядом. Магнитное поле может
лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины
их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением
частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрич. поле создаётся
внеш. устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей,
создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения наз. коллективным
(см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У. з. ч.
следует отличать от плазменных ускорителей, в к-рых происходит ускорение
в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

У. з. ч.- один из осн. инструментов
совр. физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных
заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов
и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом.
Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств
элементарных
частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение
они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике.
Расширяется значение У. з. ч. различных диапазонов энергий в металлургии
- для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной
пром-сти - для быстрой высококачеств. обработки изделий, в пищевой пром-сти
- для стерилизации продуктов, в медицине - для лучевой терапии, для
"бескровной хирургии" и в ряде др. отраслей.

I. История развития ускорителей

Толчком к развитию У. з.
ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных
частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале естеств. источники заряженных
частиц - радиоактивные элементы - были ограничены как по интенсивности,
так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусств.
превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока а-частиц
от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных
частиц.

В начальный период (1919-32)
развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования
для непосредств. ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом
был построен электростатический генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт
и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор.
Эти
установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка
миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервые была осуществлена
ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами,- расщепление
ядра лития протонами.

Период 1931-44 - время зарождения
и расцвета резонансного метода ускорения, при к-ром ускоряемые частицы
многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже
при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклич.
ускорители - циклотроны (Э. О. Лоуренс)- вскоре обогнали в своём
развитии электростатич. ускорители. К концу периода на циклотронах была
достигнута энергия протонов порядка 10-20 Мэв. Резонансное ускорение
возможно и в линейных ускорителях. Однако линейные резонансные ускорители
не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники.
В 1940 амер. физик Д. У. Керст реализовал циклич. индукционный ускоритель
электронов (бетатрон), идея к-рого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж.
Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928).

Разработка ускорителей совр.
типа началась с 1944, когда сов. физик В.Н.Векслер и независимо
от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм
автофазировки,
действующий
в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных
частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных
ускорителей - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же
время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных
линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц.

В начале 50-х гг. был предложен
принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос,
1950; Э. Курант, М. Ливингстон, X. Снайдер, 1952), существенно повысивший
технич. предел достижимых энергий в циклич. и линейных У. з. ч. В 1956
Векслер опубликовал работу, в к-рой была выдвинута идея когерентного, или
коллективного, метода ускорения частиц.

Последующие два десятилетия
можно назвать годами реализации этих идей и технич. усовершенствования
У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные
резонансные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен
в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие
энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен
самый крупный для того времени синхрофазотрон - на энергию 10 Гэв. Через
несколько лет в Швейцарии и США вступили в строй синхрофазотроны с сильной
фокусировкой на 25- 30 Гэв, а в 1967 в СССР под Серпуховом - синхрофазотрон
на 76 Гэв, к-рый в течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972
в США был создан синхрофазотрон на 200-400 Гэв. В СССР и США разрабатываются
проекты ускорителей на 1000-5000 Гэв.

Совр. развитие ускорителей
идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания
интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения
качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам
и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются
традиц. методы: исследуются возможности применения сверхпрово-дящих материалов
(и соответствующей им техники низких темп-р) в магнитах и ускоряющих системах,
позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетич. расходы;
расширяется область применения методов автоматич. управления в ускорителях;
ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать
элементарные взаимодействия во встречных пучках (см. Ускорители на встречных
пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.
II. Классификация ускорителей

У. з. ч. можно классифицировать
по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители,
протонные ускорители и ускорители ионов.

По характеру траекторий частиц
различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в к-рых
траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в к-рых
траектории частиц близки к окружности (или спирали).

По характеру ускоряющего
поля У. з. ч. делят на резонансные ускорители, в к-рых ускорение производится
переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного
ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные
ускорители, в к-рых направление поля за время ускорения не изменяется.
Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в к-рых электрич.
ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции),
и высоковольтные ускорители, в к-рых ускоряющее поле обусловлено непосредственно
приложенной разностью потенциалов.

По механизму, обеспечивающему
устойчивость движения частиц в перпендикудярных к орбите направлениях (фокусировку),
различают ускорители с однородной фокусировкой, в к-рых фокусирующая сила
постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со
знакопеременной фокусировкой, в к-рых фокусирующая сила меняет знак вдоль
траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении
к нек-рым типам циклич. ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо
терминов "однородная" и "знакопеременная" фокусировка пользуются терминами
"слабая" и "сильная" ("жёсткая") фокусировка.

Резонансные циклич. ускорители
могут быть классифицированы далее по характеру управляющего - "ведущего"
- магнитного поля и ускоряющего электрич. поля: ускорители с постоянным
и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с
постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация
(табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей,
использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной
разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей
того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается
от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.
III. Принцип действия
резонансных ускорителей

В резонансном ускорителе
непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды
частица всё время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрич.
поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная,
частица всё время попадает в одну и ту же фазу - равновесную фазу.

В циклич. ускорителе период
обращения Т частицы по орбите связан со ср. радиусом <R> орбиты
соотношением:

(1)

(v - скорость частицы).
Ср. радиус орбиты равен

(2)

где Е = тс²
- полная релятивистская энергия частицы массы т, равная сумме
энергии покоя частицы Е= mс²
и её кинетич. энергии W (mс
- скорость света), е - заряд частицы, <В> - среднее
значение индукции магнитного поля; поэтому период обращения связан с энергией
частицы соотношением:

< (3)

Для равновесной частицы период
обращения равен или кратен периоду Тускоряющего поля.
Фиксированным значениям периода обращения и индукции магнитного поля соответствуют
вполне определённые равновесная энергия частицы и равновесный радиус её
орбиты. Равновесная частица набирает за оборот энергию eVгде фравновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a Vo - амплитуда
напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетич.
энергии WN = Wоборотов.
В циклич. ускорителях длина пути, проходимого частицей, достигает десятков
и сотен тысяч км. При столь большой длине пути для успешной работы
ускорителя необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения: небольшие
отклонения частицы по фазе, по энергии, по радиусу и по вертикали, а также
небольшие начальные скорости в направлениях, перпендикулярных орбите, не
должны приводить к сильному отклонению частицы от равновесной орбиты -
частица должна совершать колебат. движение около равновесной частицы. Обеспечение
устойчивости движения частицы в направлениях, перпендикулярных орбите (по
радиусу и по вертикали), наз. фокусировкой, а в направлении орбиты - фазировкой.

В линейном ускорителе протонов
(с ускоряющими зазорами) для равновесной частицы время пролёта Т =
L/v
между
соседними ускоряющими зазорами (L - расстояние между центрами зазоров,
v - скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Ту = Ч/с,
где Ч - длина волны электромагнитного поля. Энергия Wпри прохождении N = Wускоряющих зазоров, что определяет требуемую длину ускорителя. Длины совр.
линейных ускорителей для протонов достигают сотен м. Поэтому и здесь
вопрос устойчивости движения, т. е. обеспечения фокусировки и фазировки,
является актуальным.

Для того чтобы рассеяние
на ядрах атомов газа не приводило к сильному уходу частиц от равновесной
траектории и их выпаданию из процесса ускорения, область вокруг равновесной
траектории охватывается вакуумной камерой, в к-рой спец. насосами создаётся
достаточно сильное разрежение.

Фазировка в резонансных ускорителях
обеспечивается механизмом автофази-

Табл. 1. - Классификация
ускорителей заряженных частиц