УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ

УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ
устройство для ускорения заряженных частиц электрич. полем, неизменным
или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Осн. элементы
У. в.- высоковольтный генератор, источник заряженных частиц и система,
предназначенная для ускорения частиц (рис. 1). Напряжение, получаемое от
высоковольтного генератора, подаётся на электроды ускоряющей системы и
создаёт внутри этой системы электрич. поле. Заряженные частицы из источника
ускоряются этим полем до энергии Е = епи эв, где е - элементарный
электрич. заряд, п - число элементарных зарядов ускоряемой частицы,
и
- напряжение (в в) высоковольтного генератора.

Давление внутри ускоряющей
системы не должно превышать 10^-4 - 10^-5 мм рт.
ст., т. к. иначе происходит значит. рассеяние ускоряемых частиц на
молекулах газа.

Важное преимущество У. в.
по сравнению с др. типами ускорителей - возможность получения малого разброса
по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрич.
поле. С помощью У. в. легко может быть достигнут относит. разброс энергии
10^-4, а у отд. ускорителей 10^-5 - 10^-6.
Благодаря этому У. в. нашли широкое применение при исследованиях в атомной
и ядерной физике. Др. преимущество У. в.- возможность создания установок
с большой мощностью и высоким кпд, что весьма важно при использовании ускорителей
в прикладных целях.

Виды У. в. В зависимости
от типа используемого высоковольтного генератора различают электростатические,
каскадные, трансформаторные и импульсные У. в.

1) В электростатическом ускорителе
(ЭСУ) напряжение создаётся электростатич. генератором - генератором, основанным
на переносе зарядов механич. транспортёром. Генератор с гибким транспортёром
из диэлектрич. ленты наз. генератором Ван-де-Граафа (рис. 2). Электрич.
заряды наносятся на поверхность движущегося транспортёра зарядным устройством,
состоящим из системы игл и плоского электрода, между к-рыми создаётся коронный
разряд. Затем заряды переносятся к высоковольтному электроду, где при
помощи др. аналогичного устройства они снимаются, а вместо них на поверхность
транспортёра наносятся заряды противоположного знака, снимаемые первым
устройством. Существуют также генераторы с транспортёром в виде жёсткого
диэлектрич. ротора (роторные электростатич. генераторы).

С 1960-х гг. в нек-рых ЭСУ
используется цепной транспортёр с металлич. электродами, соединёнными между
собой диэлектрич. звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества к-рого - высокая
стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее
напряжение, полученное с помощью электростатич. генераторов, составляет
ок. 20 Мв; проектируются установки на напряжение до 30 Мв.

2) В каскадном ускорителе
источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое
переменное напряжение в высокое постоянное путём последоват. включения
постоянных напряжений, получаемых в отд. каскадах схемы. Существует неск.
схем каскадных генераторов, среди к-рых наиболее известен генератор Кокрофта-
Уолтона с последоват. питанием каскадов (см. Каскадный генератор). В
60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием
каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивной связью каскадов с источником
питания (рис. 3); их преимущество - равномерное распределение напряжения
по каскадам, а недостаток - необходимость изоляции каскадов на полное рабочее
напряжение установки. Совр. каскадные генераторы позволяют получать напряжение
до 4 Мв при мощности установок в неск. десятков квт.

Крупнейшие ускорители на
встречных пучках и их параметры

3) В трансформаторных ускорителях
генератором высокого напряжения является высоковольтный трансформатор,
питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система таких ускорителей
имеет устройство отсечки, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц
лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора
имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно
малый разброс энергии ускоряемых частиц. Высоковольтный трансформатор практически
не имеет ограничений по мощности и является наиболее перспективным типом
генератора для мощных и сверхмощных У. в. с энергией ускоренных частиц
до 2-3 Мэв.

4) В импульсных ускорителях
источником напряжения служат импульсные трансформаторы различных типов
(напр., Тесла трансформатор), а также ёмкостные генераторы импульсного
напряжения. В последних большое число конденсаторов заряжается параллельно
от общего источника, затем при помощи разрядников осуществляется их переключение
на последовательное , и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой
до неск. Мв.

Линейные размеры У. в. определяются
напряжением высоковольтного генератора и электрич. прочностью его изоляции
и ускоряющей системы. Ввиду малой электрич. прочности воздуха при атм.
давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией св. 1 Мэв обычно
нецелесообразно. Ускорители на большую энергию размещаются в герметичных
сосудах, заполненных газом при давлении, в 5-15 раз превышающем атмосферное.
Это значительно уменьшает размеры ускорителей и снижает стоимость их сооружения.
Особенно эффективно применение электро-отрицат. газов (фреона и шестифтористой
серы), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители
с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным
маслом или дистиллированной водой).

Осн. способ повышения рабочего
градиента напряжения в высоковольтной изоляции - секционирование изоляц
конструкций, т. е. разделение больших изоляц. промежутков на ряд малых
отрезков при помощи металлич. электродов с заданным распределением потенциала.

Перезарядный ускоритель (тандем).
Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения
размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака
заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа (рис. 4),
наз. тандем-ными, или перезарядными, отрицат. ионы из источника, находящегося
под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду
генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положит.
ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем
же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную
газом трубку, струю пара или пленку твёрдого вещества. Существуют установки
из двух перезарядных уско-

рителей (рис. 5). В этом
случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются)
нейтральные частицы малой энергии, к-рые после взаимодействия с мишенью
превращаются в отрицат. ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются
во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной
энергией.



Источники заряженных частиц
для У. в. Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно
представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно
по катоду, либо отд. подогревателем, и систему электродов, формирующую
испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно
используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная
эмиссия) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально
источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода,
вблизи к-рых электрич. поле усиливается до 10⁷ в/см. Затем
электрич. ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев
и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается
в плазму, к-рая сама становится источником электронов.

В ионных источниках заряженные
частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или
парами вещества при давлении 10 - 10^-3 мм рт. ст., содержащими
атомы соответствующего элемента. Первичная ионизация происходит под действием
электрич. разряда: высокочастотного (ВЧ источники; рис.6) дугового разряда
в
неоднородном электрич. и магнитном полях (дуоплазматрон, предложенный нем.
физиком М. Арденне) и т. д Ионы, образующиеся в области разряда, извлекаются
оттуда полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему.
Положит. ионы получают из центр. части области разряда, где их концентрация
выше, а отрицательные - с периферии этой области. Отрицат. ионы для перезарядных
ускорителей могут быть получены также перезарядкой пучка положит. ионов
на газовой или пароструйной мишени, при взаимодействии положит. ионов с
твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т. д.



Ускоряющая система У.
в. (ускорительная трубка). Ускорит. трубка является частью вакуумной
системы У. в., давление в к-рой не должно превышать 10 мм рт. ст. У
большинства У. в. она представляет собой цилиндр, состоящий из диэлектрич.
колец, разделённых металлич. электродами с отверстием в центре, служащим
для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из
ионного источника и десорбируемого внутр. поверхностью системы (рис. 7).
Кольца и электроды соединены друг с другом спец. клеем, пайкой или термодиффузионной
сваркой, обесположительных ионов. печивающими вакуумное уплотнение. Ускорит.
трубка - один из осн. элементов У. в., недостаточная электрич. прочность
к-рого часто ограничивает энергию ускоренных частиц.

В отличие от изоляц. конструкций,
работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорит. трубки
металлич. электродами оказывается малоэффективным. При напряжении высоковольтного
генератора более 4-5 Мв в трубке резко возрастает интенсивность
разрядных процессов, а её электрич. прочность снижается. Это явление, получившее
назв. "эффект полного напряжения", объясняется наличием сквозного вакуумного
канала, в к-ром происходит обмен вторичными заряженными частицами и их
размножение. Причины появления таких частиц - облучение внутр. поверхности
трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей,
разряд по поверхности изоляторов и т. д. Для борьбы с "эффектом полного
напряжения" предлагались различные конструкции ускорит. трубок. Наиболее
известны ускорит. трубки с "наклонным полем", в к-рых электроды трубки
устанавливаются под небольшим углом к плоскости её поперечного сечения,
периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие
значит. энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок,
а возникающие внутри трубки вторичные частицы с меньшей энергией задерживаются
электродами. Устранения "эффекта полного напряжения" удалось добиться также
в ускорит. трубках с плоскими электродами, у к-рых электроды и изоляторы
соединены пайкой, а рабочий вакуум составляет 10^-8-10^-9мм<
рт. ст.

Успехи в разработке новых
конструкций высоковольтных генераторов и ускорит. трубок позволили повысить
энергии протонов, получаемых в перезарядных У. в. до 40 Мэв. Многозарядные
тяжёлые ионы могут быть ускорены до значительно больших энергий. Ток пучка
крупнейших У. в. ионов составляет единицы - десятки мка при размерах
пучка на мишени неск. мм и его расходимости менее 10^-3рад.



Краткая история развития
У. в. Первый У. в. каскадного типа на энергию 700 кэв был построен
в 1932 англ. физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. В предвоенные годы наибольшее
развитие получили ЭСУ с высоковольтными генераторами Ван-де-Граафа. К 1940
благодаря применению для изоляции сжатого газа и использованию секционированных
высоковольтных конструкций энергия ускоренных частиц была повышена до 4Мэв.
В СССР первые ЭСУ были разработаны в Украинском физико-технич. ин-те под
рук. А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых
с помощью У. в., удалось добиться путём применения перезарядных ускорителей
и ускорит. трубок с наклонным полем, предложенных Р. Ван-де-Граафом (США).
Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСУ были предложены Р.
Хербом (США) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить
мощность У. в. (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником),
были разработаны в 1960-65 К. Моргенштер-ном (США) и Ван-де-Граафом. Большинство
совр. советских У. в. для науч. исследований и использования в технике
разработаны коллективом Н.-и. ин-та электрофизич. аппаратуры им. Д. В.
Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг.
коллективом Ин-та ядерной физики Сиб. отд. АН СССР под рук. Г. И. Будкера.



Применение У. в. На
протяжении ряда лет, начиная с создания в 1932 первого У. в., осн. областью
их применения была ядерная физика. С помощью У. в. получены важные сведения
о внутр. строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и
нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной
и объёмной структуре твёрдых тел и т. д. Помимо непосредственного использования
в физ. экспериментах, У. в. применяются для предварит. ускорения заряженных
частиц в крупнейших циклич. и линейных ускорителях, для нагрева плазмы
в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных
термоядерных установках и т. д.

Благодаря низкой стоимости
и компактности У. в. нашли широкое применение в различных технологич. процессах
на пром. предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100-200 кэв
применяются
для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники,
а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий,
ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы)
могут быть использованы, напр., для проведения
ак-тивационного анализа
различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов
к нейтронному облучению и т. д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками
св. 10¹² нейтронов/сек.

Ускорители электронов с энергией
1- 2 Мэв и мощностью в неск. квт могут служить генераторами
рентгеновского тормозного излучения в пром. дефектоскопии. Излучение возникает
при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, напр.
вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли
мм)
позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.

Перспективное направление
практич. использования электронных ускорителей с энергией 0,2 - 3 Мэв
и
мощностью 10- 100 квт - обработка электронными пучками различных
материалов с целью придания им новых свойств путём радиац. полимеризации,
радиац. вулканизации, деструкции и т. д.

Лит.: Комар Е. Г.,
Основы ускорительной техники, М., 1975; Ускорители. Сб., пер. с англ. и
нем., под ред. Б. Н. Ябло-кова, М., 1962; Электростатические ускорители
заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, М., 1963. М. П. Свинъин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я