Найбільший у світі прискорювач часток готується до старту. Лінійні прискорювачі заряджених частинок. Як працюють прискорювачі заряджених частинок? Навіщо потрібні прискорювачі заряджених частинок? Прискорювач частинок для чого потрібний

Прискорювачі заряджених частинок
Accelerators

Прискорювачі заряджених частинок – установки для прискорення заряджених частинок до енергій, за яких вони можуть використовуватися для фізичних досліджень, у промисловості та медицині. При порівняно низьких енергіях прискорені частинки використовують, наприклад, для отримання зображення на екрані телевізора або електронного мікроскопа, генерації рентгенівських променів (електронно-променеві трубки), руйнування ракових клітин, знищення бактерій. При прискоренні заряджених частинок до енергій, що перевищують 1 мегаелектронвольт (МеВ), їх використовують для вивчення структури мікрооб'єктів (наприклад, атомних ядер) та природи фундаментальних сил. У цьому випадку прискорювачі заряджених частинок виконують роль джерел пробних частинок, що зондують об'єкт, що вивчається.

Роль прискорювача у сучасному фізичному експерименті пояснюється малюнком. Колімований пучок пробних частинок від прискорювача направляють на досліджувану тонку мішень, що містить, наприклад, ядра будь-якого хімічного елемента, і розсіяні мішенню пробні частинки або інші продукти взаємодії з ядрами мішені реєструють детектором або системою детекторів. Аналіз результатів експерименту дає відомості про природу взаємодії та структуру досліджуваного об'єкта.
Необхідність використання прискорювачів для дослідження таких мікрооб'єктів, як атомні ядра та елементарні частинки, зумовлена ​​наступним. По-перше, атомні ядра та елементарні частинки займають малі області простору (R< 10 -12 см), и проникновение в эти области требует высокой разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей энергии.
Знаючи розміри об'єкта, що вивчається, легко оцінити енергію пробних частинок, необхідну, для його вивчення. Частинки мають хвильові властивості. Довжина хвилі частки залежить від її імпульсу р і дається формулою де Бройля

Тут h – стала Планка, а 1 Фм = 10 -13 см. Наведена формула дає також зв'язок між довжиною хвилі релятивістської частки та її кінетичною енергією Е в мегаелектронвольтах.
В експерименті з розсіювання структура об'єкта стає "видимою" (за допомогою, наприклад, дифракції дебройлівських хвиль), якщо довжина хвилі де Бройля можна порівняти або менше розміру (радіуса) об'єкта R, тобто. при λ < R. При використанні як зондуючих частинок електронів всередину ядра можна "заглянути", якщо енергія електрона перевищуватиме 100 МеВ. Для спостереження структури нуклону енергія електрона вже повинна обчислюватися гігаелектронвольтами (1 ГеВ = 10 9 еВ).
Прискорювачі різняться типом часток, що прискорюються, характеристиками пучка (енергією, інтенсивністю та ін), а також конструкцією. Найбільш поширені прискорювачі електронів та протонів, оскільки пучки цих частинок найпростіше приготувати. У сучасних прискорювачах, призначених вивчення елементарних частинок, можуть прискорюватися античастинки (позитрони, антипротони), й у підвищення ефективності використання енергії частинок їх пучки у низці установок, званих колайдерами, після завершення прискорювального циклу зіштовхуються (зустрічні пучки).
Будь-який прискорювач конструктивно складається з трьох частин – системи, де “виготовляються” частки, що прискорюються (інжектор), прискорювальної системи, де низькоенергічні частинки від інжектора (зазвичай сформовані у вигляді локалізованих у просторі згустків) збільшують у високому вакуумі енергію до проектної, і виведення) пучка до експериментальної установки.
Умовно, з погляду траєкторії, через яку частинки рухаються у процесі прискорення, прискорювачі можна розбити на два класи – лінійні (і прямої дії) і циклічні. У лінійних прискорювачах частинки в процесі прискорення рухаються прямолінійно, а в циклічних - або по одній і тій же замкнутій траєкторії, багаторазово проходячи одні і ті ж прискорюючі проміжки (синхротрони), або по траєкторії, що нагадує спіраль (циклотрони, мікротрони), що розкручується.

Зміст статті

ПРИСКОРЮВАЧ ЧАСТИНИК,установка, в якій за допомогою електричних та магнітних полів виходять спрямовані пучки електронів, протонів, іонів та інших заряджених частинок з енергією, що значно перевищує теплову енергію. У процесі прискорення підвищуються швидкості частинок, причому нерідко до значень близьких до швидкості світла. Нині численні малі прискорювачі застосовують у медицині (радіаційна терапія), соціальній та промисловості (наприклад, для іонної імплантації у напівпровідниках). Великі ж прискорювачі застосовуються головним чином наукових цілях – на дослідження суб'ядерних процесів і властивостей елементарних частинок.

Згідно з квантовою механікою, пучок частинок, як і світловий пучок, характеризується певною довжиною хвилі. Чим більша енергія частинок, тим менша ця довжина хвилі. А чим менша довжина хвилі, тим менші об'єкти, які можна дослідити, але тим більші розміри прискорювачів і тим складніші. Розвиток досліджень мікросвіту вимагало дедалі більшої енергії зондувального пучка. Першими джерелами випромінювань високої енергії були природні радіоактивні речовини. Але вони давали дослідникам лише обмежений набір частинок, інтенсивностей та енергій. У 1930-х роках вчені почали працювати над створенням установок, які могли б давати різноманітніші пучки. В даний час існують прискорювачі, що дозволяють одержувати будь-які види випромінювань із високою енергією. Якщо, наприклад, потрібно рентгенівське або гамма-випромінювання, то прискорення піддаються електрони, які потім випромінюють фотони в процесах гальмівного або синхротронного випромінювання. Нейтрони генеруються при бомбардуванні відповідної мішені інтенсивним пучком протонів або дейтронів.

Енергія ядерних частинок вимірюється в електронвольтах (еВ). Електронвольт - це енергія, яку набуває заряджена частка, що несе один елементарний заряд (заряд електрона), при переміщенні в електричному полі між двома точками з різницею потенціалів в 1 В. (1 еВ » 1,60219Ч 10 -19 Дж.) Прискорювачі дозволяють отримувати енергії в діапазоні від тисяч до кількох трильйонів (1012) електронвольт – на найбільшому у світі прискорювачі.

Для виявлення в експерименті рідкісних процесів необхідно підвищувати ставлення сигналу шуму. Для цього потрібні все більш інтенсивні джерела випромінювання. Передній край сучасної техніки прискорювачів визначається двома основними параметрами – енергією та інтенсивністю пучка частинок.

У сучасних прискорювачах використовуються численні та різноманітні види техніки: високочастотні генератори, швидкодіюча електроніка та системи автоматичного регулювання, складні прилади діагностики та управління, надвисококовакуумна апаратура, потужні прецизійні магніти (як «звичайні», так і кріогенні) та складні системи юст.

ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ

Основна схема прискорення частинок передбачає три стадії: 1) формування пучка та її інжекція, 2) прискорення пучка і 3) виведення пучка на мішень чи здійснення зіткнення зустрічних пучків у самому прискорювачі.

Формування пучка та його інжекція.

Вихідним елементом будь-якого прискорювача служить інжектор, в якому є джерело спрямованого потоку частинок з низькою енергією (електронів, протонів або інших іонів) та високовольтні електроди та магніти, що виводять пучок із джерела та формують його. У джерелах протонів перших прискорювачів газоподібний водень пропускався через область електричного розряду або поблизу розпеченої нитки. У таких умовах атоми водню втрачають свої електрони та залишаються одні ядра – протони. Такий метод (і аналогічний з іншими газами) в удосконаленому вигляді, як і раніше, застосовується для одержання пучків протонів (і важких іонів).

Джерело формує пучок частинок, який характеризується середньою початковою енергією, струмом пучка, його поперечними розмірами та середньою кутовою розбіжністю. Показником якості инжектируемого пучка служить його еміттанс, тобто. добуток радіуса пучка на його кутову розбіжність. Чим менший еміттанс, тим більша якість кінцевого пучка частинок з високою енергією. За аналогією з оптикою струм частинок, поділений на еміттанс (що відповідає щільності частинок, поділеної на кутову розбіжність), називають яскравістю пучка. Багато додатках сучасних прискорювачів потрібна максимально можлива яскравість пучків.

Прискорення пучка.

Пучок формується в камерах або інжектується в одну або кілька камер прискорювача, в яких електричне поле підвищує швидкість, а отже, і частинок. У перших, найпростіших прискорювачах, енергія частинок збільшувалася в сильному електростатичному полі, створеному всередині високовакуумної камери. Максимальна енергія, яку вдавалося досягти, визначалася електричною міцністю ізоляторів прискорювача. У багатьох сучасних прискорювачах як інжектори ще використовуються електростатичні прискорювачі електронів та іонів (аж до іонів урану) з енергіями від 30 кеВ до 1 МеВ.

Здобуття високої напруги і сьогодні залишається складною технічною проблемою. Його можна отримувати, заряджаючи групу конденсаторів, з'єднаних паралельно, а потім послідовно підключаючи їх до послідовності прискорювальних трубок. У такий спосіб у 1932 Дж.Кокрофт та Е.Уолтон отримували напруги до 1 МВ. Істотний практичний недолік цього у тому, що у зовнішніх елементах системи виявляється висока напруга, небезпечне експериментаторів.

Інший спосіб отримання високої напруги був винайдений у 1931 р. Ван-де-Граафом. У генераторі Ван-де-Граафа (рис. 1) стрічка з діелектрика переносить електричні заряди від джерела напруги, що знаходиться під потенціалом землі, до високовольтного електрода, підвищуючи тим самим його потенціал щодо землі. Однокаскадний генератор Ван-де-Граафа дозволяє отримувати напругу до 10 МВ. На багатокаскадних високовольтних прискорювачах було отримано протони з енергіями до 30 МеВ.

Якщо потрібний не безперервний пучок, а короткий імпульс частинок з високою енергією, то можна скористатися тим, що короткочасно (менше за мікросекунди) ізолятори здатні витримувати набагато вищі напруги. Імпульсні діоди дозволяють отримувати напруги до 15 МВ на каскад у схемах з дуже низьким імпендансом. Це дозволяє отримати струми пучка в кілька десятків кіломпер, а не в десятки міліампер, як на електростатичних прискорювачах.

Звичайний спосіб отримання високої напруги заснований на схемі генератора імпульсного Маркса, в якій батарея конденсаторів спочатку заряджається паралельно, а потім з'єднується послідовно і розряджається через один розрядний проміжок. Високовольтний імпульс генератора надходить у довгу лінію, яка формує імпульс, задаючи його час наростання. Лінія навантажується електродами, що прискорюють пучок.

При високочастотній напругі, що прискорює, конструкція прискорювача витримує без пробою набагато сильніші електричні поля, ніж при постійній напрузі. Однак застосування високочастотних полів для прискорення частинок утруднюється тим, що знак поля швидко змінюється і поле виявляється то, що прискорює, то сповільнює. Наприкінці 1920-х були запропоновані два способи подолання цієї проблеми, які застосовуються тепер у більшості прискорювачів.

Лінійні прискорювачі

Можливість застосування високочастотних електричних полів у довгих багатокаскадних прискорювачах полягає в тому, що таке поле змінюється у часі, а й у просторі. У час напруженість поля змінюється синусоїдально залежно від становища у просторі, тобто. Розподіл поля у просторі має форму хвилі. А в будь-якій точці простору вона змінюється синусоїдально у часі. Тому максимуми поля переміщаються у просторі з так званою фазовою швидкістю. Отже, частинки можуть рухатися так, щоб локальне поле постійно їх прискорювало.

У лінійних прискорювальних системах високочастотні поля були вперше застосовані в 1929 році, коли норвезький інженер Р. Відерое здійснив прискорення іонів у короткій системі пов'язаних високочастотних резонаторів. Якщо резонатори розраховані так, що фазова швидкість поля завжди дорівнює швидкості частинок, то у процесі свого руху в прискорювачі пучок безперервно прискорюється. Рух частинок у такому випадку подібний до ковзання серфера на гребені хвилі. При цьому швидкості протонів або іонів у процесі прискорення можуть збільшуватися. Відповідно до цього має збільшуватися і фазова швидкість хвилі vфаз. Якщо електрони можуть інжектуватись у прискорювач зі швидкістю, близькою до швидкості світла з, то в такому режимі фазова швидкість практично постійна: vфаз = c.

Інший підхід, що дозволяє виключити вплив сповільнювальної фази високочастотного електричного поля, заснований на використанні металевої конструкції, що екранує пучок від поля цього напівперіод. Вперше такий спосіб був застосований Е. Лоуренсом у циклотроні ( див. нижче); він використовується також у лінійному прискорювачі Альварес. Останній є довгою вакуумною трубою, в якій розташований цілий ряд металевих дрейфових трубок. Кожна трубка послідовно з'єднана з високочастотним генератором через довгу лінію, вздовж якої зі швидкістю, близькою до швидкості світла, біжить хвиля напруги, що прискорює (рис. 2). Таким чином, усі трубки по черзі виявляються під високою напругою. Заряджена частка, що вилітає з інжектора в потрібний момент часу, прискорюється в напрямку першої трубки, набуваючи певної енергії. Усередині цієї трубки частка дрейфує - рухається з постійною швидкістю. Якщо довжина трубки правильно підібрана, то вона вийде з неї в той момент, коли напруга, що прискорює, просунулася на одну довжину хвилі. При цьому напруга на другій трубці теж буде прискорювальною і становить сотні тисяч вольт. Такий процес багаторазово повторюється, і кожному етапі частка отримує додаткову енергію. Щоб рух частинок було синхронно зі зміною поля, відповідно до збільшення їх швидкості повинна збільшуватися довжина трубок. Зрештою, швидкість частинки досягне швидкості, дуже близької до швидкості світла, і гранична довжина трубок буде постійною.

Просторові зміни поля накладають обмеження на тимчасову структуру пучка. Поле, що прискорює, змінюється в межах згустку частинок будь-якої кінцевої протяжності. Отже, протяжність згустку частинок має бути мала порівняно з довжиною хвилі прискорюючого високочастотного поля. Інакше частки по-різному прискорюватимуться в межах згустку. Занадто великий розкид енергії в пучку не тільки збільшує труднощі фокусування пучка через наявність хроматичної аберації у магнітних лінз, а й обмежує можливості застосування пучка в конкретних завданнях. Розкид енергій може призводити до розмиття згустку частинок пучка в аксіальному напрямку.

Розглянемо потік нерелятивістських іонів, що рухаються з початковою швидкістю v 0 . Поздовжні електричні сили, зумовлені просторовим зарядом, прискорюють головну частину пучка та уповільнюють хвостову. Синхронізуючи відповідним чином рух згустку з високочастотним полем, можна досягти більшого прискорення хвостової частини згустку, ніж головний. Таким узгодженням фаз прискорюючої напруги та пучка можна здійснити фазування пучка – компенсувати дефазуючий вплив просторового заряду та розкиду енергії. В результаті в деякому інтервалі значень центральної фази згустку спостерігаються центрування та осциляції частинок щодо певної фази сталого руху. Це явище, зване автофазуванням, надзвичайно важливе для лінійних прискорювачів іонів та сучасних циклічних прискорювачів електронів та іонів. На жаль, автофазування досягається ціною зниження коефіцієнта заповнення прискорювача до значень набагато менших одиниці.

У процесі прискорення практично у всіх пучків виявляється тенденція до збільшення радіусу з двох причин: через взаємне електростатичне відштовхування частинок і через розкид поперечних (теплових) швидкостей. Перша тенденція слабшає зі збільшенням швидкості пучка, оскільки магнітне поле, створюване струмом пучка, стискає пучок і у разі релятивістських пучків майже компенсує дефокусуючий вплив просторового заряду в радіальному напрямку. Тому цей ефект дуже важливий у разі прискорювачів іонів, але майже несуттєвий для електронних прискорювачів, у яких пучок інжектується з релятивістськими швидкостями. Другий ефект, пов'язаний з еміттансом пучка, важливий всім прискорювачів.

Утримати частки поблизу осі можна за допомогою квадрупольних магнітів. Щоправда, одиночний квадрупольний магніт, фокусуючи частки в одній із площин, в іншій їх дефокусує. Але тут допомагає принцип «сильного фокусування», відкритий Е.Курантом, С.Лівінгстоном та Х.Снайдером: система двох квадрупольних магнітів, розділених прогоновим проміжком, з чергуванням площин фокусування та дефокусування зрештою забезпечує фокусування у всіх площинах.

Дрейфові трубки все ще використовуються в лінійних протонних прискорювачах, де енергія пучка збільшується від декількох мегаелектронвольт приблизно до 100 МеВ. У перших лінійних електронних прискорювачах типу прискорювача на 1 ГеВ, спорудженого в Стенфордському університеті (США), теж використовувалися дрейфові трубки постійної довжини, оскільки пучок інжектувався при енергії порядку 1 МеВ. У сучасних електронних лінійних прискорювачах, прикладом найбільших у тому числі може бути прискорювач на 50 ГеВ довжиною 3,2 км, споруджений в Стенфордському центрі лінійних прискорювачів, використовується принцип «серфінгу електронів» на електромагнітної хвилі, що дозволяє прискорювати пучок із збільшенням енергії майже 20 МеВ на одному метрі системи, що прискорює. У цьому прискорювачі високочастотна потужність на частоті близько 3 ГГц генерується великими електровакуумними приладами - клістрони.

Протонний лінійний прискорювач на найвищу енергію був побудований у Лосаламоській національній лабораторії в шт. Нью-Мексико (США) як «мезонна фабрика» для отримання інтенсивних пучків півонів і мюонів. Його мідні резонатори створюють прискорювальне поле близько 2 МеВ/м, завдяки чому він дає імпульсному пучку до 1 мА протонів з енергією 800 МеВ.

Для прискорення як протонів, а й важких іонів було розроблено надпровідні високочастотні системи. Найбільший надпровідний протонний лінійний прискорювач служить інжектором прискорювача на зустрічних пучках ГЕРА у лабораторії Німецького електронного синхротрона (ДЕЗІ) у Гамбурзі (Німеччина).

ЦИКЛІЧНІ ПРИСКРИВАЧІ

Протонний циклотрон.

Існує дуже елегантний та економічний спосіб прискорення пучка шляхом багаторазового повідомлення йому невеликих порцій енергії. Для цього за допомогою сильного магнітного поля пучок змушують рухатися по круговій орбіті і багато разів проходити один і той самий проміжок, що прискорює. Вперше цей спосіб був реалізований в 1930 Е. Лоуренсом і С. Лівінгстоном у винайденому ними циклотроні. Як і в лінійному прискорювачі з дрейфовими трубками, пучок екранується від дії електричного поля в той напівперіод, коли воно сповільнюється. Заряджена частка з масою mта зарядом q, що рухається зі швидкістю vу магнітному полі H, спрямованому перпендикулярно її швидкості, описує в цьому полі коло радіусом R = mv/qH. Оскільки прискорення призводить до збільшення швидкості v, зростає і радіус R. Таким чином, протони і важкі іони рухаються по спіралі, що розкручується, все зростаючого радіусу. При кожному обороті по орбіті пучок проходить через проміжок між дуантами - високовольтними порожнистими D-подібними електродами, де на нього діє високочастотне електричне поле (рис. 3). Лоуренс зрозумів, що між проходженнями пучка через зазор у разі нерелятивістських частинок залишається постійним, оскільки зростання їх швидкості компенсується збільшенням радіуса. Протягом тієї частини періоду звернення, коли високочастотне поле має невідповідну фазу, пучок знаходиться поза зазором. Частота звернення дається виразом

де f- Частота змінної напруги в МГц, Н- Напруженість магнітного поля в Тл, а mc 2 - маса частки в МеВ. Якщо величина Hпостійна у тій області, де відбувається прискорення, то частота f, очевидно, залежить від радіуса .

Для прискорення іонів до високих енергій необхідно лише, щоб магнітне поле та частота високовольтної напруги відповідали умові резонансу; тоді частки двічі за оборот проходитимуть через зазор між дуантами в потрібний момент часу. Для прискорення пучка до енергії 50 МеВ при напрузі, що прискорює 10 кеВ, знадобиться 2500 оборотів. Робоча частота протонного циклотрону може становити 20 МГц, тому час прискорення – близько 1 мс.

Як і в лінійних прискорювачах, частинки в процесі прискорення в циклотроні повинні фокусуватися в поперечному напрямку, інакше всі вони, крім інжектованих зі швидкостями паралельними полюсним наконечникам магніту, випадуть із циклу прискорення. У циклотроні можливість прискорення частинок з кінцевим розкидом по кутах забезпечується наданням магнітному полю особливої ​​конфігурації, при якій частинки, що виходять з площини орбіти, діють сили, що повертають їх у цю площину.

На жаль, за вимогами стабільності згустку частинок, що прискорюються, фокусуюча компонента магнітного поля повинна зменшуватися зі збільшенням радіуса. А це суперечить умові резонансу та призводить до ефектів, що обмежують інтенсивність пучка. Інший істотний фактор, що знижує можливості простого циклотрону, – релятивістське зростання маси, як необхідний наслідок збільшення енергії частинок:

У разі прискорення протонів синхронізм порушуватиметься через релятивістський приріст маси приблизно за 10 МеВ. Один із способів підтримки синхронізму – модулювати частоту прискорюючої напруги так, щоб вона зменшувалась у міру збільшення радіуса орбіти та збільшення швидкості частинок. Частота повинна змінюватися згідно із законом

Такий синхроциклотрон може прискорювати протони до енергії в кілька сотень мегаелектровольт. Наприклад, якщо напруженість магнітного поля дорівнює 2 Тл, частота повинна зменшуватися приблизно від 32 МГц в момент інжекції до 19 МГц і менше при досягненні частками енергії 400 МеВ. Така зміна частоти напруги, що прискорює, повинна відбуватися протягом декількох мілісекунд. Після того, як частинки досягають вищої енергії і виводяться з прискорювача, частота повертається до свого вихідного значення і в прискорювач вводиться новий потік.

Але навіть при оптимальній конструкції магніту та найкращих характеристиках системи підведення високочастотної потужності можливості циклотронів обмежуються практичними міркуваннями: для утримання на орбіті часток, що прискорюються, з високою енергією потрібні надзвичайно великі магніти. Так, маса магніту циклотрону на 600 МеВ, спорудженого в лабораторії ТРІУМФ у Канаді, перевищує 2000 т, і він споживає електроенергію близько кількох мегават. Вартість споруди сихроциклотрона приблизно порпорційна кубу радіуса магніту. Тому для досягнення більш високих енергій за практично прийнятних витрат потрібні нові принципи прискорення.

Протонний синхротрон.

p align="justify"> Висока вартість циклічних прискорювачів пов'язана з великим радіусом магніту. Але можна утримувати частки на орбіті з постійним радіусом, збільшуючи напруженість магнітного поля зі збільшенням їх енергії. Лінійний прискорювач інжектує на цю орбіту пучок частинок порівняно невеликої енергії. Оскільки утримуюче поле необхідно лише у вузькій області поблизу орбіти пучка, немає необхідності у магнітах, що охоплюють всю площу орбіти. Магніти розташовані лише вздовж кільцевої вакуумної камери, що дає величезну економію коштів.

Такий підхід було реалізовано у протонному синхротроні. Першим прискорювачем подібного типу був «Коглядон» на енергію 3 ГеВ (рис. 4), який почав працювати у Брукхейвенській національній лабораторії у 1952 р. у США; за ним незабаром пішов «Беватрон» на енергію 6 ГеВ, збудований у Лабораторії ім. Лоуренс Каліфорнійського університету в Берклі (США). Споруджений спеціально для виявлення антипротону, він працював протягом 39 років, продемонструвавши довговічність та надійність прискорювачів частинок.

У синхротронах першого покоління, побудованих у США, Великобританії, Франції та СРСР, фокусування було слабким. Тому була велика амплітуда радіальних коливань частинок у процесі їхнього прискорення. Ширина вакуумних камер становила приблизно 30 см, і в цьому великому обсязі потрібно ретельно контролювати конфігурацію магнітного поля.

У 1952 було зроблено відкриття, що дозволило різко зменшити коливання пучка, а отже, і розміри вакуумної камери. Це був принцип сильного або жорсткого фокусування. У сучасних протонних синхротронах з надпровідними квадрупольними магнітами, розташованими за схемою сильного фокусування, вакуумна камера може бути менше 10 см в поперечнику, що призводить до значного зменшення розмірів, вартості та потужності, що фокусують і відхиляють магнітів.

Першим синхротроном, заснованим на цьому принципі, був "Синхротрон зі змінним градієнтом" на енергію 30 ГеВ у Брукхейвені. Аналогічна установка була побудована у лабораторії Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві. У середині 1990-х років обидва прискорювачі все ще перебували в експлуатації. Апертура «Синхротрона із змінним градієнтом» була приблизно в 25 разів менша, ніж у «Коглядона». Потужність магнітом потужність при енергії 30 ГеВ приблизно відповідала потужності, що споживається магнітом «Коглядона» при 3 ГеВ. "Синхротрон зі змінним градієнтом" прискорював 6Ч 10 13 протонів в імпульсі, що відповідало найвищій інтенсивності серед установок цього класу. Фокусування у цьому прискорювачі здійснювалося тими самими магнітами, як і відхиляли пучок; це досягалося наданням полюсів магніту форми, показаної на рис. 5. У сучасних прискорювачах для відхилення та фокусування пучка, як правило, використовуються окремі магніти.

Таким чином, в експериментах з мішенню на «Теватроні» корисна енергія становить лише 43 ГеВ.

Прагнення використовувати в дослідженнях частинок якомога вищі енергії призвело до створення в ЦЕРН і Лабораторії ім. Е.Фермі протон-антипротонних колайдерів, а також великої кількості установок у різних країнах із зустрічними електрон-позитронними пучками. У першому протонному колайдері зіткнення протонів та антипротонів з енергіями 26 ГеВ відбувалися в кільці з довжиною кола 1,6 км (рис. 6). За кілька днів вдавалося накопичити пучки зі струмом до 50 а.

В даний час колайдером з найвищою енергією є "Теватрон", на якому проводяться експерименти при зіткненні пучка протонів, що мають енергію 1 ТеВ, із зустрічним пучком антипротонів тієї ж енергії. Для таких експериментів необхідні антипротони, які можна отримати, бомбардуючи пучком протонів високої енергії з «Головного кільця» металеву мішень. Антипротони, що народжуються в цих зіткненнях, накопичують в окремому кільці при енергії 8 ГеВ. Коли накопичено чимало антипротонів, їх інжектують у «Головне кільце», прискорюють до 150 ГеВ і далі інжектують у «Теватрон». Тут протони та антипротони одночасно прискорюють до повної енергії, а потім здійснюють їх зіткнення. Сумарний імпульс частинок, що стикаються, дорівнює нулю, так що вся енергія 2 Евиявляється корисною. Що стосується «Теватрону» вона сягає майже 2 ТеВ.

Найбільша енергія серед електрон-позитронних колайдерів була досягнута на «Великому електрон-позитронному накопичувальному кільці» в ЦЕРН, де енергія пучків, що стикаються, на першому етапі становила 50 ГеВ на пучок, а потім була збільшена до 100 ГеВ на пучок. У ДЕЗІ споруджено колайдер ГЕРА, в якому відбуваються зіткнення електронів з протонами.

Цей величезний виграш енергії досягається ціною значного зменшення ймовірності зіткнень між частинками зустрічних пучків низької щільності. Частота зіткнень визначається світністю, тобто. числом зіткнень в секунду, що супроводжуються реакцією цього типу, що має певний переріз. Світність лінійно залежить від енергії і струму пучка і обернено пропорційна його радіусу. Енергію пучка колайдера вибирають відповідно до енергетичного масштабу досліджуваних фізичних процесів.

Для забезпечення найбільшої світності необхідно досягти максимально можливої ​​щільності пучків у місці їхньої зустрічі. Тому головним технічним завданням при проектуванні колайдерів є фокусування пучків у місці їх зустрічі в пляму дуже малих розмірів та збільшення струму пучка. Для досягнення потрібної світності можуть знадобитися струми понад 1 А.

Ще одна виключно складна технічна проблема пов'язана із необхідністю забезпечувати в камері колайдера надвисокий вакуум. Оскільки зіткнення між частинками пучків відбуваються порівняно рідко, зіткнення з молекулами залишкового газу можуть істотно послаблювати пучки, зменшуючи ймовірність взаємодій, що досліджуються. Крім того, розсіювання пучків на залишковому газі дає небажане тло в детекторі, здатне замаскувати фізичний процес, що вивчається. Вакуум у камері колайдера повинен лежати в межах 10 –9 –10 –7 Па (10 –11 –10 –9 мм рт. ст.) залежно від світності.

При нижчих енергіях можна прискорювати інтенсивніші пучки електронів, що дає можливість досліджувати рідкісні розпади. У- І До-мезонів, обумовлені електрослабкими взаємодіями Низка таких установок, іноді званих «фабриками ароматів», споруджується нині у США, Японії та Італії. Такі установки мають два накопичувальні кільця – для електронів і для позитронів, що перетинаються в одній або двох точках – областях взаємодії. У кожному кільці міститься багато згустків частинок при повному струмі більше 1 А. Енергії пучків вибираються з таким розрахунком, щоб корисна енергія відповідала резонансу, який розпадається на короткоживучі частки, що вивчаються. У- або До-мезони. В основі конструкції цих установок лежать електронний синхротрон та накопичувальні кільця.

Лінійні колайдери.

Енергії циклічних електрон-позитронних колайдерів обмежуються інтенсивним синхротронним випромінюванням, яке випускають пучки прискорених частинок ( див. нижче). Цього недоліку немає у лінійних колайдерів, у яких синхротронне випромінювання не позначається на процесі прискорення. Лінійний колайдер складається з двох лінійних прискорювачів на високі енергії, високоінтенсивні пучки яких – електронний та позитронний – спрямовані назустріч один одному. Пучки зустрічаються і стикаються лише один раз, після чого відводяться в поглиначі.

Першим лінійним колайдером є «Стенфордський лінійний колайдер», який використовує Стенфордський лінійний прискорювач довжиною 3,2 км і працює за енергії 50 ГеВ. У системі цього колайдера згустки електронів і позитронів прискорюються в тому самому лінійному прискорювачі і розділяються після досягнення пучками повної енергії. Потім електронні та позитронні згустки транспортуються окремими дугами, форма яких нагадує трубки медичного стетоскопа, і фокусуються до діаметра близько 2 мкм в області взаємодії.

Нові технології.

Пошуки більш економічних методів прискорення призвели до створення нових прискорювальних систем та високочастотних генераторів великої потужності, що працюють у діапазоні частот від 10 до 35 ГГц. Світність електрон-позитронних колайдерів має бути винятково високою, оскільки переріз процесів зменшується як квадрат енергії частинок. Відповідно до цього і щільності пучків повинні бути надзвичайно високими. У лінійному колайдері на енергію близько 1 ТеВ розміри пучків можуть досягати 10 нм, що набагато менше розмірів пучка в «Стенфордському лінійному колайдері» (2 мкм). При настільки малих розмірах пучків для точного узгодження елементів, що фокусують, необхідні дуже потужні стабільні магніти зі складними електронними автоматичними регуляторами. При проходженні електронного та позитронного пучків один через одного їх електрична взаємодія нейтралізується, а магнітне посилюється. В результаті магнітні поля можуть досягати 10000 Тл. Такі гігантські поля здатні сильно деформувати пучки та призводити до великого енергетичного розкиду внаслідок генерації синхротронного випромінювання. Ці ефекти поряд з економічними міркуваннями, пов'язаними зі спорудженням все більш і більше протяжних машин, будуть ставити межу енергії, яку можна досягти на електронно-позитронних колайдерах.

ЕЛЕКТРОННІ НАКОПЮВАЧІ

Електронні синхротрони ґрунтуються на тих же принципах, що й протонні. Однак завдяки одній важливій особливості вони простіші в технічному відношенні. Трохи маси електрона дозволяє інжектувати пучок при швидкостях, близьких до швидкості світла. Тому подальше збільшення енергії не пов'язане з помітним збільшенням швидкості, і електронні синхротрони можуть працювати при фіксованій частоті напруги, що прискорює, якщо пучок інжектується з енергією близько 10 МеВ.

Однак ця перевага зводиться нанівець іншим наслідком дещиці електронної маси. Оскільки електрон рухається по круговій орбіті, він рухається з прискоренням (відцентровим), а тому випромінює фотони – випромінювання, яке називається синхротронним. Потужність Рсинхротронного випромінювання пропорційна четвертому ступеню енергії пучка Еі струму I, а також обернено пропорційна радіусу кільця Rтак що вона пропорційна величині ( E/m) 4 IR-1. Ця енергія, що втрачається при кожному обороті електронного пучка по орбіті, повинна компенсуватися високочастотною напругою, що подається на проміжки, що прискорюють. У розрахованих на великі інтенсивності «фабрики аромату» такі втрати потужності можуть досягати десятків мегават.

Циклічні прискорювачі типу електронних синхронотів можуть використовуватися як накопичувачі великих циркулюючих струмів з постійною високою енергією. Такі накопичувачі мають два основні застосування: 1) у дослідженнях ядра та елементарних частинок методом зустрічних пучків, про що йшлося вище, та 2) як джерела синхротронного випромінювання, що використовуються в атомній фізиці, матеріалознавстві, хімії, біології та медицині.

Середня енергія фотонів синхротронного випромінювання пропорційна ( E/m) 3 R-1. Таким чином, електрони з енергією порядку 1 ГеВ, що циркулюють у накопичувачі, випромінюють інтенсивне синхротронне випромінювання в ультрафіолетовому та рентгенівському діапазонах. Більшість фотонів випускається в межах вузького вертикального кута порядку m/E. Оскільки радіус електронних пучків у сучасних накопичувачах на енергію порядку 1 ГеВ вимірюється десятками мікрометрів, пучки рентгенівського випромінювання, що випускаються ними, характеризуються високою яскравістю, а тому можуть служити потужним засобом дослідження структури речовини. Випромінювання випромінюється по дотичній до криволінійної траєкторії електронів. Отже, кожен магніт, що відхиляє електронного накопичувального кільця, коли через нього проходить згусток електронів, створює розгортається «прожекторний промінь» випромінювання. Воно виводиться довгими вакуумними каналами, що стосуються основної вакуумної камери накопичувача. Розташовані вздовж цих каналів щілини та коліматори формують вузькі пучки, з яких далі за допомогою монохроматорів виділяється потрібний діапазон енергій рентгенівського випромінювання.

Першими джерелами синхротронного випромінювання були установки, спочатку споруджені на вирішення завдань фізики високих енергій. Прикладом може бути Стенфордський позитрон-електронний накопичувач на енергію 3 ГеВ Стенфордської лабораторії синхротронного випромінювання. На цій установці свого часу відкрили «зачаровані» мезони.

Перші джерела синхротронного випромінювання не мали тієї гнучкості, яка дозволяла б їм задовольняти різноманітні потреби сотень користувачів. Швидке зростання потреби у синхротронному випромінюванні з високим потоком та великою інтенсивністю пучка викликало до життя джерела другого покоління, спроектовані з урахуванням потреб усіх можливих користувачів. Зокрема, було обрано системи магнітів, що зменшують еміттанс електронного пучка. Малий еміттанс означає менші розміри пучка і, отже, вищу яскравість джерела випромінювання. Типовими представниками цього покоління стали накопичувачі в Брукхейвені, які служили джерелами рентгенівського випромінювання та випромінювання вакуумної ультрафіолетової області спектру.

Яскравість випромінювання можна також збільшити, змусивши пучок рухатися синусоїдальної траєкторії в періодичній магнітній структурі і потім об'єднуючи випромінювання, що виникає при кожному згині. Ондулятори - магнітні структури, що забезпечують подібний рух, є рядом магнітних диполів, що відхиляють пучок на невеликий кут, розташованих по прямій на осі пучка. Яскравість випромінювання такого ондулятора може в сотні разів перевищувати яскравість випромінювання, що виникає в магнітах, що відхиляють.

У 1980-х років почали створюватися джерела синхротронного випромінювання третього покоління з великою кількістю таких ондуляторів. Серед перших джерел третього покоління можна відзначити «Удосконалене джерело світла» з енергією 1,5 ГеВ у Берклі, що генерує м'яке рентгенівське випромінювання, а також «Удосконалене джерело фотонів» з енергією 6 ГеВ в Аргонській національній лабораторії (США) та синх у Європейському центрі синхротронного випромінювання у Греноблі (Франція), що використовуються як джерела жорсткого рентгенівського випромінювання. Після успішного спорудження цих установок було створено низку джерел синхротронного випромінювання та інших місцях.

Новий крок у напрямку більшої яскравості в діапазоні від інфрачервоного до жорсткого рентгенівського випромінювання пов'язаний з використанням у системі відхиляючих магнітів «теплих» магнітних диполів з напруженістю магнітного поля близько 1,5 Тл і набагато короткіших надпровідних магнітних диполів з полем у кілька тесла. Такий підхід реалізується в новому джерелі синхротронного випромінювання, що створюється в інституті П. Шеррера в Швейцарії, і за модернізації джерела в Берклі.

Застосування синхротронного випромінювання у наукових дослідженнях набуло великого розмаху і продовжує розширюватися. Виняткова яскравість таких пучків рентгенівського випромінювання дозволяє створити нове покоління рентгенівських мікроскопів для вивчення біологічних систем у їхньому нормальному водному середовищі. Відкривається можливість швидкого аналізу структури вірусів та білків для розробки нових фармацевтичних препаратів із вузькою спрямованістю дії на хвороботворні фактори та мінімальними побічними ефектами. Яскраві пучки рентгенівського випромінювання можуть бути потужними мікрозондами виявлення найменших кількостей домішок і забруднень. Вони дають можливість дуже швидко аналізувати екологічні спроби щодо шляхів забруднення довкілля. Їх можна використовувати для оцінки ступеня чистоти великих кремнієвих пластин перед дорогим процесом виготовлення дуже складних інтегральних схем, і вони відкривають нові перспективи для методу літографії, дозволяючи в принципі створювати інтегральні схеми з елементами менше 100 нм.

ПРИСКОРЮВАЧІ У МЕДИЦІНІ

Прискорювачі відіграють важливу практичну роль у медичній терапії та діагностиці. Багато лікарняних закладів у всьому світі сьогодні мають у своєму розпорядженні невеликі електронні лінійні прискорювачі, що генерують інтенсивне рентгенівське випромінювання, яке застосовується для терапії пухлин. Щонайменше використовуються циклотрони або синхротрони, що генерують протонні пучки. Перевага протонів у терапії пухлин перед рентгенівським випромінюванням полягає у більш локалізованому енерговиділенні. Тому протонна терапія особливо ефективна при лікуванні пухлин мозку та очей, коли пошкодження навколишніх здорових тканин має бути по можливості мінімальним. .

Прискорювачі заряджених частинок- установки, що служать для прискорення заряджання. частинок високих енергій. За звичайного слововживання прискорювачами (У.) зв. установки, розраховані на прискорення частинок до енергій \ МеВ. На рекордному У. протонів – теватроні досягнуто енергія 940 ГеВ (Лабораторія ім. Фермі, США). Найбільший прискорювач електронів LEP (ЦЕРН, Швейцарія) прискорює зустрічні пучки електронів та позитронів до енергії 45 ГеВ (після установки доповнить, що прискорювальних пристроїв енергія може бути збільшена вдвічі). У. широко застосовуються як у науці (генерація елементарних частинок, дослідження їх властивостей і внутр. структури, отримання нуклідів, що не зустрічаються в природі, вивчення ядерних реакцій, радіобіол., хім. дослідження, роботи в галузі фізики твердого тіла і т. д.) , так і в прикладних цілях (стерилізація медичної апаратури, матеріалів та ін., дефектоскопія, виготовлення елементів мікроелектроніки, про радіофармакологич. препаратів для медичної діагностики, променева терапія, радіац. технології в техніці - мистецтв, полімеризація лаків, модифікація властивостей матеріалів, напр, гуми, виготовлення термоусадкових труб та ін.).

У всіх діючих У. збільшення енергії заряджає. частинок відбувається під дією зовнішніх поздовжніх (спрямованих уздовж швидкості прискорюваних частинок) електрич. полів. Ведуться пошуки способів прискорення за допомогою полів, створюваних іншими частинками, що рухаються, або ел-магн. хвилями, які порушуються або модифікуються самим пучком прискорюваних частинок або ін пучками ( колективні методи прискорення ). Колективні методи теоретично дозволяють різко збільшити темп прискорення (енергію, що набирається на \ м шляху) та інтенсивність пучків, але поки що до серйозних успіхів не привели.

У. включають такі елементи: джерело прискорюваних частинок (електронів, протонів, античастинок); генератори електрич. або ел-магн. прискорюючих полів; вакуумну камеру, в якій рухаються частинки в процесі прискорення (у щільному газовому середовищі прискорення зарядж. частинок неможливе через їх взаємодію з молекулами газів, що заповнюють камеру); пристрої, службовці для впуску () та випуску (ежекції) пучка з У.; фокусуючі пристрої, що забезпечують довжину, рух частинок без ударів об стінки вакуумної камери; магніти, що викривляють траєкторії частинок, що прискорюються; пристрої для дослідження та корекції положення та конфігурації прискорюваних пучків. Залежно від особливостей У. один або кілька з перерахованих елементів можуть бути відсутніми.

З метою радіації. безпеки У. оточуються захисними стінами та перекриттями (біол. захист). Товщина та вибір матеріалу захисту залежать від енергії та інтенсивності прискорених пучків. Прискорювачі на енергії вище дек. ГеВ з метою безпеки зазвичай розташовують під землею.

За принципом пристрою розрізняють У. прямої дії, або високовольтні прискорювачі(Прискорення в пост, електрич. поле), індукційні прискорювачі(прискорення у вихрових електрич. полях, що виникають при зміні магн. індукції) і резонансні У., в яких брало при прискоренні використовуються В Ч ел-магн. поля. Усі діючі У. на гранично високі енергії належать до останнього типу.

Сучасні У. діляться на два великі класи: лінійні прискорювачіі циклічні прискорювачі. У лінійних У. траєкторії прискорюваних частинок близькі до прямих ліній. По всій довжині таких У. розташовуються станції, що прискорюють. Найбільший із працюючих лінійних У. (електронний У. у Стенфорді) має довжину милі (3,05 км). Лінійні У. дозволяють отримати потужні потоки частинок, але при великих енергіях виявляються занадто дорогими. У цикліч. У. "провідне" магн. поле згинає траєкторії прискорюваних частинок, згортаючи їх у колі ( кільцеві прискорювачіабо синхротрони) або спіралі ( циклотрони, фазотрони, бетатрониі мікротрони ).Такі У. містять одне або кілька прискорювальних пристроїв, до яких частинки багаторазово повертаються протягом прискорення, циклу.

Слід зазначити різницю між У. легких частинок (електронів і позитронів), які зазвичай зв. електронними У., та У. важких частинок (протонів та іонів).

Електронні прискорювачі. Особливості електроняггх у. пов'язані з двома причинами. Швидкість електронів і позитронів вже за невеликих енергіях (дек. меВ) мало відрізняється від швидкості світла і може вважатися постійної, що значно спрощує і здешевлює У. Але, з ін. боку, електрони і позитрони в магн. полях втрачають багато енергії на ел-магн. випромінювання ( синхротронне випромінювання). У цикліч. У. ці втрати призводять або до величезних розмірів У. (при великих радіусах кривизни втрати на синхротронне випромінювання зменшуються), або до необхідності мати потужні прискорюючі станції, що сильно дорожчають У. , що полегшує створення накопичувачів, що дозволяють проводити досліди на зустрічних пучках.

Кільцеві електронні У. використовують як джерела синхротронного випромінювання в УФ- або рентг. діапазоні. Завдяки високій щільності випромінювання та його гострої спрямованості цикліч. У. є унікальними джерелами ел-магн. хвиль зазначених діапазонів. Великі втрати електронів на випромінювання часто змушують віддавати перевагу лінійним У.

Прискорювачі важких частинок(преим. протонів) сильно відрізняються від електронних У. Втрати енергії на синхротронне випромінювання в них при досягнутих в наст, час енергіях (~ \ ТеВ) практично відсутні, і підтримувати високий темп прискорення зазвичай виявляється невигідно (т. до. Потужність, що витрачається на харчування прискорювальних станцій, пропорційна квадрату напруженості електрич. поля і швидко зростає зі збільшенням темпу прискорення). Відсутність помітного синхротронного випромінювання призводить до того, що амплітуда поперечних частинок у процесі прискорить, циклу згасає порівняно повільно (як квадратний корінь з імпульсу частинок), і стійкість руху без спец. заходів порушується під впливом навіть порівняно слабких обурень. Усі У. важких частинок на високі-енергії належать до типу циклічних. ^iV

У 90-х роках. все більшого значення набувають накопичувальні і зустрічні кільця, в яких брало щільні пучки заряд. частинок циркулюють тривалий час, не змінюючи своєї енергії. Такі кільця використовуються для здійснення реакцій між частинками, що рухаються назустріч один одному (зустрічні пучки), для накопичення іонів і частинок, що безпосередньо в природі не зустрічаються (позитронів і антипротонів), а також для генерації синхротронного випромінювання. При взаємодії частинок, що рухаються назустріч один одному, може реалізуватися вся придана їм при прискоренні енергія, у той час як при взаємодії прискорених частинок з нерухомими більшість енергії пов'язана з рухом центру мас частинок і в реакціях не бере участі.

Історична довідка. Розробка У. почалася в 1920-х роках. і мала на меті розщеплення атомних ядер. Раніше інших було створено електростатичні генератори[Р. Ван-де-Грааф (R. Van de Graaf)] та каскадні генератори[Дж. Кокрофт (J. Cockroft) та Е. Уолтон (Е. Walton)], що належать до класу У. прямої дії, а потім перший цикліч. резонансний У.- [Е. Лоуренс (Е. Lawrence), 1921]. У 1940 Д. Керст (D. Kerst) побудував перший У. Індукц. типу – бетатрон.

У 40-х роках. з'явилися теоретичні. роботи, в яких брало досліджувалася стійкість руху прискорюваних частинок. У перших роботах цього циклу [Ст. І. Векслер та амер. фізик Е. Макміллан (Е. McMillan)] розглядалася стійкість поздовжнього (фазового) руху, сформульований принцип аетофазування. Потім з'явилися роботи зі створення теорії поперечного руху часток-бета-тронних коливань, що призвели до відкриття сильного (знакомозмінного) фокусування [Н. Крістофілос (N. Christophilos), 1950; е. Курант (Е. Curant), M. Лівінг-стон (M. Livingston), X. Снайдер (Н. Snyder), 1952], що лежить в основі всіх суч. великих У.

Швидкий розвиток техніки потужних В Ч радіотехн. пристроїв, що відбулися під час 2-ї світової війни 1939-45, дозволило приступити до створення лінійних У. на великі енергії. В електронних лінійних У. використовується електро. поле хвилі дециметрового діапазону в діафрагмір. хвилеводи, в протонних - розроблені Л. Альверецем (L. Alvarez) метрового діапазону, навантажені пролітними трубками. На поч. частини таких У. все частіше застосовуються У. з квадрупольним високочастотним фокусуванням(англ. позначення RFQ), у створенні яких брало осн. роль зіграли В. В. Володимирський, І. М. Капчинський та В. А. Тепляков.

При спорудженні цикліч. У. знаходять дедалі більше застосування надпровідні магн. системи. Надпровідні магніти використовуються в циклотронах для створення посту. магн. полів та в синхротронах протонних-для генерації повільно (протягом багатьох секунд) мінливих магн. полів. Так працює найбільший із діючих протонних синхротронів-теватрон (США).

До 80-х років. осн. відкриття фізики елементарних частинок робилися на протонних синхротронах. Зараз багато цікавих результатів отримують на електрон-позитронних і протон-антипротонних кільцевих прискорювачах із зустрічними пучками (колайдерах). Переваги таких У. перед звичайними: 1) сут. збільшення енергії взаємодії (у системі центру мас); в ультрарелятивістському випадку, який завжди має місце на зустрічних пучках, ця енергія зростає від при зіткненні швидких частинок з ядрами нерухомої мішені до колайдерах ( т-маса атомів і атомів мішені, що сударяются, -Повна енергія прискорених частинок); 2) різке зменшення фону від сторонніх реакцій. основ. Нестача колайдерів - суттєве (на дек. порядків) зменшення числа взаємодій (за той самий час). Техніка кільцевих У. із зустрічними електрон-позит-ронними пучками освоєна в 1961 (прискорювач на енергію 2 х 250 МеВ у Фраскатті, Італія), а установки із зустрічними протонними та антипротонними пучками з'явилися лише після того, як були запропоновані методи ел . р о н н о го (А. М. Будкер, 1967) і ст о х а с т і ч е с к о г о [С. Ван-дер-Меєр (S. Van der Meer), 1972] о х о ж д е н ня важких частинок (див. Охолодження пучківз а р я ж е н н их ч а с т і ц). Дедалі більше уваги приділяється розробці нетрадиц. способів прискорення: колективних методів, прискорення на биття лазерних полів, прискорення в кільватерних полях і т. д. Початок цим роботам поклали В. І. Векслер, А. М. Будкер та Я. Б. Файнберг. Однак засновані на цих ідеях У. поки що не створено.

Прискорювачі прямої дії. У таких У. заряд. частинки збільшують енергію в постійних або квазіпостійних (не змінюються за час, протягом якого частки набирають повну енергію) електрич. полях. Енергія, що купується частинками, дорівнює в цьому випадку їх заряду, помноженому на пройдену різницю потенціалів. Максимально досяжна енергія частинок в У. прямої дії визначається найбільшою різницею потенціалів (15-18 MB), яку можна створити без пробою в фіз. установках. У всіх практично використовуваних У. прямої дії останній електрод прискорюючої системи знаходиться при потенціалі землі, оскільки тільки в цьому випадку виведені з У. частинки не втрачають придбаної енергії при подальшому русі.

До У. прямої дії належать електростатич. генератори, каскадні генератори та перезарядні прискорювачі(Або тандемні У.). Прискорювані частинки таких У. рухаються всередині і вздовж труби, виготовленої з ізоляц. матеріалу (зазвичай порцеляни), всередині якої створюється вакуум, необхідний для безперешкодного руху прискорюваних частинок, а зовні (під високим тиском) нагнітається ретельно висушена, звільнена від кисню газова суміш (найчастіше азот з домішкою шестифтористої сірки), що перешкоджає розвитку електрич. пробоїв. Між електродами, розташованими біля торців трубки, створюється прискорююча різниця потенціалів (рис. 1). Електрич. поле, спрямоване вздовж осі трубки, вирівнюється металлич. розділить. кільцями, з'єднаними з омич. дільником напруги.

Висока напруга створюється за допомогою стрічки, що швидко рухається, виготовленої з ізолюючого матеріалу, напр. гуми. У низьковольтній частині установки на стрічку наноситься електрич. заряд. Цей заряд стікає на стрічку із металлич. голок, що заряджаються від спец. генератора до дек. десятків кВ. Стрічка, що рухається, переносить заряд у високовольтну частину У., розташовану всередині порожнього металлич. ковпака. Там заряд знімається зі стрічки за допомогою таких голок і перетікає з них до зовнішньої поверхні ковпака. Потенціал ковпака (і всього обладнання, укладеного всередині нього, в т. ч. іонного джерела та високовольтного електрода трубки) у міру надходження зарядів безперервно збільшується та обмежується лише пробоєм.

Мал. 1. Схема пристрою прискорювальної трубки.

В ка с к а д н их гене р а т о р ах для створення великих різниць потенціалів використовують схеми множення напруги.

У період з У. спочатку прискорюються заперечень. іони (атоми, що містять зайвий електрон), а потім, після видалення двох (або декількох) електронів, що утворилися при обдирці покладе. іони. Як джерело, так і вихідні пристрої таких У. знаходяться при потенціалі землі, а високовольтний, з обдирним пристосуванням електрод розташовується в порівн. частини У. Перезарядні У. дозволяють без пробою отримувати подвоєні (а при глибшій обдирці і більш високі) значення енергії.

Індукційні прискорювачі. До індукц. У. належать бетатрони та лінійні індукції. У.

Мал. 2. Схематичний розріз бетатрону: 1 - Полюси магніту; 2 -перетин кільцевої вакуумної камери; 3 -Сердечник; 4 - обмотки електромагніту; 5 - ярмо магніту.

Схема влаштування бетатрону наведена на рис. 2. Прискорювані частинки (електрони) рухаються у кільцевій вакуумній камері 2 , розташованої в зазорі електромагніту ( 1 - Полюси магніту). Їх прискорює вихрове електрич. поле, яке порушується при зміні магн. потоку, що пронизує орбіту прискорюваних частинок. основ. частина цього потоку проходить через сердечник 3 , розташований у центрі. частини бетатрону. Обмотки 4 живляться перем. струмом. Конфігурація магн. поля в бетатроні повинні підпорядковуватися двом умовам: 1) магн. індукції на центр. орбіта повинна відповідати змінній енергії електронів; 2) зміна магн. поля у вакуумній камері повинна забезпечувати стійкість поперечного руху електронів або, як кажуть, їх стійкість бетатронних коливань(див. нижче). Розташовані вище та нижче камери кільцеподібні скошені магн. полюси створюють необхідне для такої стійкості поле, що спадає до периферії (рис. 8, б).

Ідея бетатронного методу прискорення висловлена ​​в 1922 р. Дж. Сліпяном (J. Slepian), основи теорії розвинені в 1948 р. Р. Відеро (R. Wideroe). Перший бетатрон побудований в 1940 році. Простота і надійність бетатронів забезпечили їх широке застосування в техніці та медицині (в області енергій 20-50 МеВ).

У лінійних індукційних прискорювачах силові лінії електрич. поля (з напруженістю Е) спрямовані вздовж осі прискорювача. Електрич. поле індукується змінним у часі магн. потоком, що проходить через розташовані один за одним кільцеві феритові індуктори 1 (Рис. 3). магніт. потік збуджується в них короткими (десятки або сотні нc) імпульсами струму, що пропускаються через одновиткові обмотки 2 , що охоплюють індуктори. Фокусування проводиться поздовжнім магном. полем, яке створюється котушками 3 , розташовані всередині індукторів. Лінійні індукційні У. дозволяють отримувати в імпульсі рекордні (кілоамперні) струми; наиб. потужний із працюючих У.- АТА (США) - прискорює електрони до енергії 43 МеВ при струмі 10 кА. Тривалість струмових імпульсів 50 Нc.

Мал. 3. Схема влаштування лінійного індукційного прискорювача: 1 -Сердечник індуктора; 2 -збуджуюча обмотка; 3 -фокусуюча котушка.

Резонансні прискорювачі. У резонансних У. збільшення енергії заряд. частинок використовуються ВЧ поздовжні електрич. поля. Прискорення в таких полях можливе при виконанні однієї з двох умов: або частинки, що прискорюються, повинні рухатися разом з ел-магн. хвилею, зберігаючи своє становище щодо неї (ускорителі з біжучою волною), або вони повинні взаємодіяти з нею тільки в такі моменти часу, коли електрич. поле має необхідне (прискорююче) напрямок і необхідну величину (власне резонансні У.). Ділянки, на яких брало відбувається взаємодія частинок з прискорюючим полем, зв. у с к о р ю ю щ і м і з а з о р а м і л і у с к о р ю ю щ і м і про між у т к а м і. На решті шляху частинки не відчувають дії ВЧ-поля або тому, що його просто немає, або тому, що частинки захищені від нього екранами.

У. з біжучою хвилею застосовують в осн. для прискорення легких частинок (електронів і позитронів), швидкість яких вже при невеликих енергіях мало відрізняється від . Фазова швидкість ел-магн. хвиль у вакуумних хвилеводах завжди перевищує швидкість світла; навантажуючи хвилеводи системою перфорир. Діафрагм, можна уповільнити швидкість хвилі, але не дуже сильно. Тому для прискорення повільних частинок У. з хвилею, що біжить, не застосовують.

.

Мал. 4. Схема пристрою прискорювача Відерое: 1 - пролітні f трубки; 2-генератор ВЧ-коливань; 3 -прискорювальні зазори;

Лінійні резонансні прискорювачі. Найпростіший резонансний У.- у с к о р і т е л В і д е р о е (рис. 4). Розставлені по ходу пучка металлич. пролітні трубки приєднуються (через одну) до полюсів ВЧ-генератора. У прискорювальних зазорах (проміжках між протилежно зарядженими пролітними трубками) створюється поздовжнє електрич. ВЧ-поле з напругою близько сотень кВ. Частинки, придатні до прискорюючого зазору в потрібний момент часу, прискорюються електрич. полем, а потім "ховаються" в чергову пролітну трубку. Її довжина і швидкість частинки узгоджені між собою так, що до чергового зазору частки підходять у той час, коли електрич. поле має правильний напрямок і величину, тобто ту ж фазу, що і в попередньому зазорі, що прискорює. Для цього необхідно, щоб виконувалася умова

де /-довжина трубки та прискорюючого проміжку; - швидкість частки, виражена в частках швидкості світла; -довжина хвилі ел-магн. коливань (у порожнечі); п-будь-яке ціле число. Прискорений пучок складається, тобто з ланцюжка згустків частинок (банчів), що пройшли через прискорюючі зазори при належній електрич. поля. При розробці структури лінійного У. важливо правильно вибрати довжини не тільки пролітних трубок, а й прискорювальних зазорів. Ці довжини мають бути, з одного боку, досить великі, щоб витримувати помітні напруги (сотні кВ, котрий іноді мегавольти), з другого - досить малі, щоб фаза ВЧ-коливань під час проходження частки змінювалася дуже сильно.

При збільшенні швидкості частинок прискорювачі Видерое стають неефективними і поступаються місцем прискорювачам Альйареца. У них пролітні трубки не приєднуються до генератора, а розташовуються один за одним усередині довгого циліндра. резонатора, в якому збуджуються ел-магн. коливання. ВЧ-поле, яке далеко від пролітних трубок розподілено так само, як у звичайному резонаторі, у його осі концентрується-в прискорюючих зазорах. Схема розташування елементів "прискорювальний зазор - пролітна трубка-прискорювальний зазор" і т. д. залишається тією ж, що і в прискорювачах Відерое, але умова (1) набуває вигляду

Лінійні резонансні У. ефективно працюють, якщо в них інжектуються досить швидкі частинки, попередньо прискорені за допомогою У. прямої дії або за допомогою У. зі знакозмінним високочастотним фокусуванням. - v

Циклотрони-найпростіші та історично перші У. цик-лич. типу (рис. 5). У совр. розумінні циклотронами називаються резонансні цикліч. У., що працюють при не мінливому в часі провідному магн. поле та при пост, частоті прискорюючого ВЧ-поля. У традиційних циклотронах магн. поле має азимутальну і майже не залежить від радіусу; траєкторії прискорюваних частинок мають вигляд спіралей, що розкручуються. Звичайні циклотрони застосовують для прискорення важких нерелятивістських частинок-протонів та іонів. Вакуумна камера циклотронів обмежена зовніш. стінкою циліндрич. форми та двома плоскими горизонтально розташованими кришками. Полюси електромагніта звичайних циклотронів створюють у камері майже однорідне (злегка спадаюче до периферії) магн. поле. Прискорюючий зазор утворюється зрізами двох розташованих в камері і звернених один до одного електродів, що мають форму порожнистих напівциліндрів, - д у а н т о в. Дуанти приєднуються до полюсів високовольтного генератора через чвертьхвильові лінії.

Мал. 5. Схема влаштування циклотрону.

На частинку, що рухається по колу, діє центрострім. сила Лоренца рівна відцентровій силі де r - радіус кривизни траєкторії, Zе-Заряд частки. Т. о., Переходячи до зручніших одиниць, отримаємо

де рс-твір імпульсу частки рна швидкість світла з- Виражається в МеВ, індукція магн. поля Увимірюється у теслах, а r-в м.

Гранична енергія, яка досягається у звичайних циклотронах; складає для протонів прибл. 20 МеВ, а частота прискорюючого поля (при В = 2 Тл) - бл. 30 МГц. При великих енергіях частинки, що прискорюються, виходять із синхронізму з прискорювальною напругою через необхідне для поперечної стійкості зменшення Увід центру до периферії та внаслідок релятивістських ефектів.

Звичайні циклотрони широко застосовуються для отримання ізотопів і в усіх інших випадках, коли потрібні протони (або іони) з енергією до 20 МеВ (або ~20 МеВ/нуклон). Якщо потрібні протони з вищою енергією (до дек. сотень МеВ), то застосовуються циклотрони з азимутальной варіацією магн. поля. Стійкість поперечного руху в таких циклотронах забезпечується завдяки відмові азимутальної симетрії магн. поля і вибору такої його конфігурації, яка дозволяє зберегти стійкість руху і при наростаючих (в середньому) до периферії значення магн. індукції.

Процес прискорення в циклотронах відбувається безперервно: в один і той же час одні частинки покидають іонне джерело, інші знаходяться на середині шляху, а треті закінчують процес прискорення. Типовий струм внутрішньо. пучка в циклотронах становить прибл. 1 мА, струм виведеного пучка залежить від ефективності ежекції та від теплової стійкості вивідних фольг; зазвичай він становить дек. десятків мкА.

Фазотрони. У фазотрон магн. поле постійно у часі та зберігається його циліндрич. симетрія. магніт. поле зменшується до периферії, частота обігу частинок зі зростанням їхньої енергії зменшується, і відповідно зменшується частота поля, що прискорює. При цьому відпадають обмеження на енергію прискорених частинок, але різко (на дек. порядків) зменшується інтенсивність прискореного пучка. Зміна частоти поля, що прискорює, призводить до того, що процес прискорення розбивається на цикли: нова партія частинок може бути введена в фазотрон лише після того, як прискорення попередньої партії закінчено і частота повернена до вихідного значення. Звичайна робоча область фазотронів від дек. сотень до тисячі МеВ. При подальшому збільшенні енергії розміри магнітів стають занадто великими, а їхня вага та вартість надмірно зростають. Останнім часом (90-ті рр.) нових фазотронів не будують. Для енергій до дек. сотень МеВ застосовують циклотрони з азимутальною варіацією магн. поля, а прискорення до великих енергій використовують синхротрони.

Синхротронизастосовують для прискорення частинок всіх типів: власне синхротрони-для електронів і синхротрони для протонів та ін. Синхротрон протонний). Енергія, до якої прискорюються частки в синхротронах, обмежена для електронів потужністю синхротронного випромінювання, а для протонів і іонів тільки розмірами і вартістю У.

У синхротронах постійної в процесі прискорення залишається орбіта, по якій звертаються частинки. Провідне магн. поле створюється тільки вздовж вузької доріжки, що охоплює кільцеву вакуумну камеру, в якій рухаються частинки. Як зрозуміло з (3), при пост. радіусі магн. індукція має зростати пропорц. імпульсу частинок, що прискорюються. Частота поводження з (при пост. Довжині орбіти) пов'язана з імпульсом ф-лою

де -частота, з якою зверталася б у синхротроні частка, що рухається зі швидкістю світла. Частота прискорюючого поля може збігатися з частотою обігу частинок або в ціле число разів (воно наз. к р а т н о с т ю) перевершувати її. Т. о., в електронних синхротронах (у яких завжди p>>mc) частота поля, що прискорює, постійна, в той час як індукція магн. поля зростає. У протонних синхротронах протягом прискорюючого циклу зростає як індукція магнію. поля, і частота прискорюючого напруги.

Мікротрони-цикліч. У. з пост. магн. полем і з збільшенням енергії на оборот, що дорівнює енергії спокою електрона (0,511 МеВ). Якщо все збільшення енергії відбувається однією короткому ділянці, то пост. магн. поле частки переходять із однієї кругової орбіти в іншу. Всі ці орбіти стосуються один одного в точці розташування пристрою, що прискорює. Енергія електронів у таких У. досягає дек. десятків МеВ.

Розміри прискорювачів. Прискорювальні комплекси. Довжина лінійного У. визначається енергією частинок, що прискорюються, і темпом прискорення, а радіус кривизни орбіти кільцевих прискорювачів - енергією частинок і макс. індукцією провідного магн. поля.

У совр. електронних лінійних У. темп прискорення становить 10-20 МеВ/м, у протонних - 2,5-5 МеВ/м. Збільшення темпу прискорення наштовхується на дві осн. Проблеми: збільшення резистивних втрат у стінках резонаторів і небезпеку электрич. пробоїв. Для зниження резистивних втрат можна використовувати надпровідні резонатори (перші такі У. вже почали працювати); для боротьби з пробоями ретельно вирівнюють розподіл електрич. поля у резонаторах, уникаючи місцевих неоднорідностей. Можливо, темп прискорення в лінійних протонних У. вдасться збільшити з часом на порядок величини.

Розміри циклічних У. пов'язані з індукцією провідного магн. поля ф-лой (3). При прискоренні однозарядних частинок та середньому за кільцем значенні Тл (що відповідає ця ф-ла дає (М). Відповідно до цього У. на 1 ТеВ повинен мати периметр ~ 20 км. Такі У. з метою захисту від випромінювань будують під землею. Величезні розміри У. на великі енергії призводять до капітальних витрат, що виражаються мільярдами доларів.

Наведені оцінки справедливі для У. магн. блоки яких брало містять залізне ярмо. Збільшувати Bмакс вище 1,8 Тл виявляється неможливим через насичення заліза, проте це можна зробити, переходячи до надпровідних магн. системам. Перший такий У. - Теватрон - вже працює у Лабораторії ім. Фермі у США. магніт. поле в блоках, намотаних кабелем з жилами з NbTi в мідній матриці, при темп-ре 4 До може бути піднято до 5- 5,5 Тл, а при зниженні темп-ри до 1,8 К або при переході до NbSn-до 8 -10 Тл. (Сплав NbSn при виготовленні прискорювачів не застосовують через його крихкості.) Подальше зниження температури дозволяє переходити до ще більших магн. полям, але економічно невигідно; розміри У. зменшуються, але зростає кількість дорогого та енергоємного кріогенного обладнання.

Менш жорстко визначено мінімально допустимі значення У. В У. із залізним ярмом Bхв не повинно бути менше (6-10). 10~ 3 Тл, тому що при менших полях занадто великий внесок у повну величину магн. індукції починають вносити залишкові магнію. поля, просторовий розподіл яких брало зазвичай буває несприятливим. Ставлення Bмакс / Bхв, отже, і ставлення імпульсів ежектируемых і инжектируемых частинок У. зі звичайними магнітами неспроможна тому перевищувати 200-300. У надпровідних магн. системах цей діапазон виявляється ще меншим, тому що при малих полях на просторах. розподіл магн. індукції сильно позначаються вихрові струми у надпровідних провідниках. Зазначені обмеження - одна з причин, що призводять до того, що всі великі прискорить. комплекси містять дек. послідовно працюючих У.: лінійний У.- інжектор, один або дек. проміжних У.- бустерів,нарешті, основний У., що доводить заряд. частинки до граничної енергії, і, можливо, накопичувальне кільце. Схема пришвидшить. комплексу ЦЕРН наведено на рис. 6.

Спорудження та експлуатація цього комплексу виробляється та фінансується співдружністю країн Європи. наиб. У., що входить до складу комплексу, - це накопичувально-зіткнувальне електрон-по-зітронне кільце LEP, що прискорює електронні та позитронні пучки до енергії 45 ГеВ. У. розташований у глибокому підземному тунелі та має периметр 27 км. У цьому тунелі у 90-х роках. передбачається спорудити великий надпровідний адронний колайдер LHC (Large Hadron Collider), розрахований на прискорення протонів і антипротонів до енергії 7 ТеВ, а надалі і на прискорення іонів.

Мал. 6. Схема прискорювального комплексу ЦЕРН (Швейцарія).

Для інжекції в LHC буде використовуватися прискорювач SPS (Super Proton Synchrotron), на виході якого протони мають енергію ~450 ГеВ. Периметр цього прискорювача 6,9 км, він розташований під землею на глибині 40 м. SPS отримує важкі частинки від протонного синхротрона PS, в який, у свою чергу, протони і іони потрапляють з бустера "Ізольда", а електрони і позитрони- з бустера ЕРА.

У Росії наиб. протонний (і іонний) У. (70 ГеВ) працює в Протвіно (бл. Серпухова, Моск. обл.). При ньому розпочато спорудження прискорювально-накопичувального центру (УНЦ) із периметром 21 км. Він розрахований на прискорення протонів та антипротонів до енергії 3 ТеВ. У Міжнародному об'єднаному інституті ядерних досліджень (ОІЯД, м. Дубна, Моск. обл.) працює протонний синхротрон, що прискорює протони до 9 ГеВ, фазотрон і надпровідний У. іонів - нуклотрон, що прискорює іони до енергії 6 ГеВ/нуклон.

В Ін-ті теоретич. та експерим. фізики (ІТЕФ, Москва) протонний синхротрон прискорює протони до енергії 9 ГеВ.

Фазові коливання. Як зазначалося, в резонансних У. пучок прискорюваних частинок мимоволі розділяється на згустки. Центр. частинки згустків вкотре підходять до прискорюючого зазору (в циклич. У.) чи чергового прискорюючого зазору (у лінійних У.) тоді моменти часу, коли фаза прискорюючого ВЧ-напруги має потрібне значення. Такі частки зв. рів н о в о с н і м і. Др. частинки згустку в процесі прискорення коливаються біля рівноважної, випереджаючи її, то відстаючи від неї. Ці коливання зв. фазовими. Вони супроводжуються коливаннями енергії та імпульсу прискорюваних частинок щодо енергії та імпульсу рівноважної частки.

Розглянемо фазове рух у лінійному У. Будемо для простоти вважати, що прискорюючі зазори настільки короткі, що частки проходять їх майже миттєво. Нехай деяка частка підійшла до зазору пізніше, ніж рівноважна. Щоб вона почала наздоганяти, вона повинна отримати більше енергії при проходженні зазору. Навпаки, частка, що прийшла до зазору раніше рівноважною, має отримати менше енергії.

На рис. 7 синусоїдальна крива зображує напруження, що змінюється в часі Е що прискорює ВЧ-поля. Штрихова лінія відзначає напруженість, яка повинна існувати в момент проходження рівноважної частинки, щоб вона вчасно підійшла до наступного зазору. На кожному періоді зміни Е є дві такі точки: Зі D. Легко, однак, бачити, що рух стійкий тільки в точці С. Лише в цій точці в пізніші моменти часу напруженість поля зростає, а більш ранні моменти знижується.

Мал. 7. До обговорення принципу автофазування.

Детальний аналіз поздовжнього руху частинок показує, що з достатньої амплітуді ВЧ-коливань завжди існує область стійкого фазового руху- у разі область, розташована навколо точки З. Це твердження зв. принципом автофазування.

У циклічному У. від енергії залежить не тільки швидкість частинок, але і довжина шляху, що проходить ними від попереднього прискорюючого зазору до наступного (якщо їх кілька), а також периметр траєкторії. Введемо коеф. подовження орбіт.

де L- периметр орбіти, р-Імпульс частинки. Зміна часу, затрачуваного часткою звернення до У., залежить від її імпульсу і описується ф-лой

де g-лоренц-фактор частинки, В лінійних У. a = 0, і стійкою є точка З. У циклічному У. при стійка точка С, а при крапка D. Енергія, при якій ці точки змінюються місцями, відповідає співвідношенню

та зв. до р і т і ч е с к о й е н е р г і й (в англ. літературі-transition energy). У цій точці фаза напруги, що прискорює, повинна бути перекинута з однієї "синхронної точки" в іншу. При підході до критич. енергії частоти фазових коливань (у циклічних У. вони часто зв. радиально-фазовими) знижуються і фазові розміри згустків різко зменшуються, а розкид часток по імпульсах (і по енергії) збільшується. У момент переходу через критич. енергію посилюється вплив разл. виду нестійкостей. Залежно від особливостей конструкції У. від величини a-критич. енергія може лежати всередині або поза робочим діапазоном енергій.

Проблема поперечної стійкості. Бетатронні коливання. У великих кільцевих У. за час прискорення частки проходять шлях, що вимірюється сотнями тисяч або навіть мільйонами км. У накопичить. системах цей шлях ще на дек. порядків більше, а невеликих У.- на дек. порядків менше, але він завжди дуже великий в порівнянні з діаметром вакуумної камери, поперечні розміри якої зазвичай не перевищують двох десятків см. Зіткнення частинок зі стінками камери призводить до їх втрати. Тому прискорення можливе лише за наявності ретельно розрахованої та виконаної системи фокусування.

При будь-якому значенні енергії частки, що прискорюється (в області стійкості фазових коливань) в кільцевих У. є замкнута (стійка) орбіта. Перебуваючи у вакуумній камері У., частки рухаються поблизу цієї орбіти, роблячи біля неї бетатронні коливання.Частоти цих коливань значно перевищують частоти фазових коливань, отже щодо бетатронних коливань енергію прискорюваних частинок і становище замкнутої орбіти вважатимуться постійними.

При теоретич. розгляді бетатронних коливань зазвичай досліджують площі, які займають прискорювані частинки в "фазових площинах" ( r, р r)і (z, p z), де rі z- горизонтальна та вертикальна координати частки ( r = R - R 0 , де R-радіус частки, R 0 - радіус рівноважної траєкторії), a p rі p z- Відповідні складові її імпульсу. При незворушеному русі ці площі мають форму еліпса. Згідно Ліувіля теоремі, величини площ не змінюються під час руху. У процесі прискорення частки перетинають багаточисельність. неоднорідності магн. та електрич. полів. При цьому зайнята пучком у фазовому просторі область може набувати складної форми, так що ефф. величина площі – площа описаного еліпса – зростає. У ретельно налаштованому У. такого зростання не відбувається. За наявності зв'язку між горизонтальним і вертикальним рухами зберігається не кожна із зазначених площ, а об'єм, який займає пучком у чотиривимірному просторі ( r, z, р r , p z).

Практич. інтерес зазвичай представляє область, займана пучком над фазових площинах, а площинах ( r, q r), (z, q z) де q rта q z-кути, що складаються швидкостями частинок з дотичної до рівноважної орбіти Ці площі зв. горизонтальним (або радіалальним) і віртикальним (або аксіальні) м) еміттансамипучка e rта e z. Перехід від імпульсів до кутів дається ф-лами

де р-Поздовжня складова імпульсу, яка практично збігається з повним імпульсом; р 0 = тс. З теореми Ліувіля випливає, що інтегралами руху є величини p e rі p e zабо, відповідно, bge rта bge z, К-рі зв. н о р м а л і з о в а н н і м і е м і т т а н а м і.

Зі сказаного ясно, що при прискоренні нормалізовані еміттанси залишаються незмінними, а звичайні еміт-танси e rта e zзменшуються як 1/bg. Відповідно зменшуються поперечні розміри пучка.

Найважливішою характеристикою будь-якого У. є його аксептанс - наиб. еміттанс, який У. пропускає без втрат. Висока інтенсивність пучка, що прискорюється, може бути досягнута тільки в У. з досить великим аксеп-тансом.

За заданих розмірів вакуумної камери аксептанс У. пропорційний макс. куті, який можуть становити траєкторії частинок з рівноважною орбітою, і, отже, назад пропорційний довжині хвилі бетатронних коливань. Вертикальний і горизонтальний аксептанси У. пропорційні, тобто числам бетатронних коливань на оборот Q rі Q z які тому бажано збільшувати. У всіх існуючих У. Q rі Q z близькі один до одного. Якщо обидва вони менше 1, фокусування зв. слабкої (м'якої), а якщо більше 1-сільної (жорсткої).

Усі цілі та напівцілі значення Q rі Q z заборонено. За цілих Qчастинки повертаються до магн. елементам в одній і тій же фазі бетатронних коливань, вплив похибок поля складається і виникає резонансна розгойдування коливань (зовнішній резонанс). Навколо цілих значень є заборонені області частот, всередині яких брало зростання коливань, хоча і обмежено за величиною, але виявляється неприпустимо великим, напр. перевищує розміри вакуумної камери.

Напівцілі значення Q rі Q z заборонені через виникнення п а р а м е т р і ч е с к о го р е з о н а н а - резонансного розгойдування коливань, що виникає завдяки нерегулярностям градієнта магн. поля. У деяких У., особливо в накопичувачах, позначаються і більш високих порядків.

У цикліч. Для фокусування частинок використовують поперечні магн. поля. В однорідному провідному полі є тільки горизонтальне фокусування, а вертикальне фокусування відсутнє ( Q z = 0) Цей результат легко зрозуміти, помічаючи, що при русі частинок в однорідному (вертикальному) магн. поле ( B r = 0, B z = const) сили Лоренца немає складової по z і частки зберігають поч. аксіальну швидкість. Необхідні для осьової фокусування сили виникають лише за наявності радіальної складової магн. поля.

Конфігурація магн. поля залежить від форми полюсних наконечників. На рис. 8 ( a) та 8( б) зображені полюсні наконечники, що мають форму фігури обертання (навколо осі z). На рис. 8 ( а)зображені плоскі полюси, що створюють однорідне вертикальне поле, такі поля не створюють осьового фокусування. На рис. 8 ( б)зображена картина поля, що виникає між полюсами, що створюють зазор, що розширюється до периферії. В цьому випадку сила Лоренца набуває фокусуючої (повертає до центральної площини) осьову складову. Однак поява осьової фокусування супроводжується ослабленням радіальної: частинки, що відхилилися до периферії, повільніше повертаються до рівноважної траєкторії, тому що потрапляють у слабкіше поле.

Мал. 8. а-магнітні сили в однорідному полі; б-магнітні сили в полі, що зменшується до периферії.

У лінійних У. проблема фокусування також є важливою, хоча вона і не така критична, як у кільцевих У.: довжина шляху частинок у лінійних У. невелика і прискорювані частинки не повертаються до вже пройдених обурень поля.

У циклічних У. магн. система яких брало має азимутальну симетрію, справедлива ф-ла

Одночасна стійкість радіальних та аксіальних бетатронних коливань у цьому випадку можлива лише при т. е. при слабкому фокусуванні (див. Фокусування частинок у прискорювачі).При сильному фокусуванні ділянки, що фокусують по z і дефокусують по r, Змінюються ділянками, що фокусують по горизонтальній і дефокусують по вертикальній координатах. При послідовності. розміщення таких ділянок та правильному виборі градієнтів магн. поля та геометрії магнітів система в цілому виявляється фокусуючою, причому обидва результуючі значення бетатронних частот можуть істотно перевищувати одиницю.

У У. з сильним фокусуванням застосовуються квадруполь-ні магн. або електрич. (при невеликих енергіях частинок, що прискорюються) поля. На рис. 9 ( а)зображена квадрупольна магн. лінза, що створює фокусуючий у вертикальному напрямку (по осі z) і дефокусуючий по радіусу rмагн. поле. Вакуумна камера розташовується вздовж осі лінзи між її полюсами (на рис. не зображено). Позитивно заряджені частинки "летять" читача. Чотири такі частинки і сили Лоренца, що діють на них, зображені точками і стрілками. У фокусуючих по радіусу (і дефокусуючих по z) лінзах магн. полюса Nі Sміняються місцями. У кільцевих У. магніти, що створюють провідне магн. поле, що розташовуються між лінзами. Вони створюють спрямоване осі z однорідне магн. поле. У деяких У. застосовують магніти з поєднаними ф-циями. Їхній магн. поле містить як дипольну (провідне поле), так і квадрупольну складову (рис. 9, б).

Ркс. 9. а-квадрупольна магнітна лінза; б-магнітний блок із суміщеними функціями.

Для поперечного фокусування в лінійних У. можна було б спробувати використовувати ел-магн. хвилю, яка прискорює частки. Однак у звичайних хвилях E-Типу точки, відповідні стійкого фазового руху, виявляються нестійкими для поперечних коливань і навпаки. Щоб обійти цю труднощі, можна застосовувати знакозмінне фазове фокусування (точки Зі Dна рис. 7 послідовно змінюють один одного) або відмовитися від азимутальної симетрії електрич. поля в резонаторі (квадрупольне ВЧ-фокусування). Найчастіше, однак, для поперечного фокусування застосовують квадрупольні поля, створювані спец. магн. лінзами. З 80-х років. для виготовлення таких лінз почали використовувати пост. магніти (сплав SmCo)

Ефекти, пов'язані з інтенсивністю. Крім резонансів, що виникають при взаємодії пучка із зовніш. полями, при високих інтенсивностях пучків починають грати роль разл. роду нестійкості, пов'язані з взаємодіями частинок пучка один з одним, з елементами вакуумної камери та прискорюючої системи, а в У. із зустрічними пучками-і з впливом пучків один на одного. наиб. Найпростішим серед цих ефектів є кулоновський зсув частоти бетатронних коливань. Електрич. поле пучка відштовхує до периферії зовнішні частки і діє на центральну частинку згустку. В результаті цього частоти коливань бетатронних частинок в пучку починають відрізнятися від частоти коливань центру тяжкості пучка. Якщо ця відмінність перевищує відстань між найближчими забороненими значеннями Q, то при будь-якому налаштуванні У. частина пучка неминуче губиться. Електроста-тич. відштовхування частинок позначається і фазових коливаннях пучка (зокрема, призводить до ефекту " негативної маси " ).

Пучок прискорених частинок взаємодіє зі своїми електростатич. зображенням у вакуумній камері та з розташованими в ній предметами (резонаторами прискорювальних станцій, датчиками вимірювальних пристроїв, деталями та введеннями вакуумної системи тощо). При цьому сила, що діє на кожну частину, є пропорц. зсуву пучка в камері щодо рівноважної траєкторії та його лінійної щільності. В результаті цієї взаємодії виникають ел-магн. поля, що діють на пізніше пролітаючі частинки (ефект "голова - х схід") і на самі викликали появу полів частинки при поверненні цих частинок до збудженої ділянки. Вказана взаємодія викликає ряд ефектів, що призводять до втрати стійкості пучка. Крім вже згаданого ефекту "голова-хвіст", можуть виникати різьблення, в т о й ч і в о с т ь (взаємодія з біжить уздовж камери електрич. зображенням пучка, до-рої запізнюється по фазі через кінцеву провідність стінок камери), мікрохвильова нестійкість (взаємодія з об'єктами, здатними збуджуватися на високих частотах) та ін.

Прискорювачі із зустрічними пучками (колайдери). При генерації нових частинок в акті зіткнення повинна виділятися енергія, що дорівнює або перевершує енергію спокою часток, що народжуються, тобто. сотні МеВ, котрий іноді багато десятків ГеВ. За таких великих енерговиділень втрачає значення не тільки хім. зв'язок частинок, що входять до складу мішені, але і зв'язок нуклонів в ядрі, так що зіткнення відбувається з одиночними нуклонами або навіть з одиночними нуклонами. Т. зв. кумулятивні процеси, які можна розглядати як одночасом. зіткнення прискореної частинки з двома або дек. нуклонами, представляють науковий інтерес, але за високих енергіях спостерігаються вкрай рідко.

Як зазначалося вище, при зіткненні частинок в кол-лайдерах може реалізуватися вся набрана при прискоренні енергія, тоді як із зіткненні швидкого протона з нуклоном нерухомої мішені використовується лише частина цієї енергії. Так, для генерації J/y-мезона енергія протона має у 3,7 разів перевищувати енергію спокою J/y-мезона, а генерації Z 0 -бозона потрібно 50-кратное перевищення енергії. Генерація важких частинок на нерухомих мішенях виявляється тому катастрофічно невигідною і необхідно переходити до колайдерів. У колайдерах частинки можуть рухатися назустріч один одному або в одному кільці (частки та античастинки), або в двох кільцях, що перетинаються.

Техніка роботи з нагромадження. кільцями, в яких брало рухаються зустрічні пучки, дуже складна. Кількість ядерних реакцій, що відбуваються в одиницю часу, виявляється в тисячі разів менше, ніж при нерухомих мішенях, через крайню розрідженість пучків. Ефективність колайдерів прийнято характеризувати їх світністю,Т. е. числом, на якому потрібно помножити ефф. переріз реакції, що вивчається, щоб отримати число таких реакцій в одиницю часу. Світність пропорц. твору інтенсивностей пучків, що стикаються, і назад пропорц. площі перерізу пучків (якщо вони рівні). Пучки, що стикаються, повинні, тобто, містити багато частинок і займати невеликі обсяги у фазовому просторі. Охолодження фазового обсягу електронних та позитронних пучків через синхротрон-не випромінювання обговорювалося вище. У той же час фазовий об'єм протонних пучків у міру прискорення зменшується як 1 /р, Т. е. цілком недостатньо. А обсяг, зайнятий антипротонними пучками, виявляється дуже великим вже за їхньої генерації і мало зменшується надалі, тому що антипротони утворюються за високої енергії (неск. геВ). Тому перед соударениями антипротонні пучки повинні накопичуватися і охолоджуватися, тобто стискатися у фазовому просторі.

Існує два способи охолодження пучків важких частинок (протонів, антипротонів, іонів)-електронний та стохастичний. Електронна охолодження відбувається при взаємодії охолоджуваних пучків з пучком "холодних" електронів, що летить на деякому загальному ділянці разом з охолоджуваними частинками і мають ту ж пор. швидкість. (Темп-рой пучка зв. середня енергія його частинок, виміряна в системі координат, що рухається разом з пучком.)

С т о х о с т о ч о с о е о х о л о д н ення засноване на тому, що число часток, що одночасно охолоджуються, не дуже велике. Якщо всередині пристрою, що вимірює координати пучка, знаходиться лише одна частка, то її відхилення може бути виміряно датчиком, а потім виправлено коректором. Якщо ж усередині виміряє. пристрою виявиться дек. частинок, то датчик реагує на положення їх електрич. центру тяжіння і має місце не корекція, а демпфування коливань (при Nчастинках у пристрої коригується один, а не Nпараметрів). Стохастич. охолодження відбувається поступово і потребує великої кількості обертів.

Зазначимо, що електронне охолодження виявляється більш ефективним при малих енергіях пучка, а стохастичне-при невеликій кількості частинок.

Перспективи розвитку прискорювачів. Серед проектів великих прискорювачів, які перебувають у стадії розробки, будівництва або вже вступили в дію, можна перерахувати такі.

У Росії (м. Троїцьк, Моск. обл.) закінчується спорудження "мезонної фабрики" на енергію 600 МеВ із пор. струмом 70 мкА. У 1993 році вона вже видавала пучок з енергією 430 МеВ. Для виробництва ізотопів використовується пучок протонів з енергією 160 МеВ і з порівн. струмом 100 мкА. У Про-твіно ведеться спорудження прискорювально-накопичувального комплексу (УНК), розрахованого на прискорення протонів до 3 ТЕВ. УНК знаходиться в підземному тунелі з периметром 21 км. Очікується інтенсивність частинок імпульсу 5 . 10 12 .

У ФРН (Гамбург) вступив у дію У. на зустрічних пучках (HERA), призначений вивчення взаємодії протонів (820 ГеВ) з електронами і позитронами (30 ГеВ). Проектна світність ~2. 1031 см -2. з 1 . Протонний синхротрон містить надпровідні магніти, а електронний - звичайні (що б не збільшувати втрати на син-хротронне випромінювання). У оснащенні цього У. і в роботі на ньому беруть участь 37 ін-тів з різних країн.

У Німеччині розробляється проект лінійного колайдера DESY з енергією частинок 250x250 ГеВ (1-й варіант) або 500 х 500 ГеВ (2-й варіант). У ЦЕРНі (Швей-царія) у тунелі кільцевого електронно-позитронного У. (LEP) починається спорудження колайдера для важких частинок LHC (Large Hadron Collider). На ньому можна буде вивчати зіткнення протонів (2x7 ТеВ), протонів та електронів, протонів та іонів (вкл. свинець, 1148 ТеВ).

Прискорення важких іонів може проводитися на нук-лотроні (Дубна, Росія). Починаючи з 1977 року на протонному синхротроні в Дубні прискорювалися разл. іони до вуглецю (4,2 ГеВ/нуклон, і з 1992-до 6 ГеВ/нуклон).

На У. " Сатурн " в Сакле (Франція) прискорюються іони до аргону (до 1,15 ГеВ/нуклон). Прискорювач SPS (ЦЕРН) дозволяє прискорювати іони кисню та сірки до 200 ГеВ/нуклон.

У розроблено проект наиб. великого надпровідного суперколайдера (SSC) на енергію 2 х 20 ТеВ. Спорудження цього прискорювача відкладено.

У Міжнар. комітеті з прискорювачам розглядаються ще більші проекти, здійснення яких потребує спільних зусиль розвинених держав. Конкретний проект такого У. ще не визначено. Всі проекти, що здійснюються і розробляються, засновані на відомих принципах, що добре зарекомендували себе. Нові методи прискорення, про яких говорилося вище, можуть у разі успіху повністю змінити ці плани.

Застосування прискорювачів. Крім наукового У. мають і практич. застосування. Так, лінійні У. використовуються для створення нейтронних генераторівдля радіації. випробування матеріалів, що активно обговорюються електроядерні методи напрацювання ядерного пального та прискорення важких малозарядних іонів для керованого інерційного термоядерного синтезу. У Лома-Лінді (США) закінчується спорудження спеціалізації. комплексу з протонним синхротроном для променевої терапії Аналогічний проект розглядається у Росії.

Літ.:Коломенський А. А., Лебедєв А. Н., Теорія циклічних прискорювачів, М., 1962; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. Ст, Лінійні прискорювачі, М., 1969; Брук Р., Циклічні прискорювачі заряджених частинок, пров. з франц., М., 1970; Комар Е. Р., Основи прискорювальної техніки, М., 1975; Лінійні прискорювачі іонів, за ред. Би. П. Муріна, т. 1-2, М., 1978; Бахрушин Ю. П., Анацький А. І., Лінійні індукційні прискорювачі, М., 1978; Лебедєв А. Н., Шальнов А. Ст, Основи фізики та техніки прискорювачів, т. 3, М., 1981; Москальов Ст А., Бетатрони, М., 1981; Капчинський І. М., Теорія лінійних резонансних прискорювачів, М., 1982. Л. Л. Гольдін.

З дисципліни

«Концепції сучасного природознавства»

на тему " Прискорювачі елементарних частинок»

1. Вступ………………………………………………………………………….3

2. Сучасні прискорювачі заряджених частинок………………………………...4

3. Наукові центри з вивчення елементарних частинок……………………7

4. Циклічний прискорювач………………………………………………………15

5. Лазерний прискорювач на биттях……………………………………………..16

6. Висновок……………………………………………………………………..20

7. Список використаної літератури……………………………………………21

Вступ

В даний час широке застосування в науці та техніці знайшли прискорювачі заряджених частинок - установки для отримання пучків заряджених частинок (протонів, електронів, античасток, ядер інших атомів) високих енергій - від десятків кеВ (10 3 еВ) до кількох ТЕВ (10 12 еВ) . У техніці такі прискорювачі використовуються для отримання ізотопів, зміцнення поверхонь матеріалів та виробництва нових матеріалів, для створення джерел електромагнітного випромінювання (від мікрохвильового до рентгенівського випромінювання) широко застосовуються в медицині і т.д. Однак, як і раніше, до основних областей застосування прискорювачів належать ядерна фізика та фізика високих енергій. Сучасні прискорювачі заряджених частинок – основні джерела інформації для фізиків, вивчають речовину, енергію, простір і час. Переважна більшість елементарних частинок, відомих сьогодні, не зустрічаються у природних умовах на Землі та отримані на прискорювачах. Саме потреби фізики елементарних частинок є головним стимулом у розвиток прискорювальної техніки, й у першу чергу підвищення енергії, до якої можуть бути прискорені заряджені частки.

Сучасні прискорювачі заряджених частинок.

У сучасній фізиці високих енергій використовують прискорювальні установки двох типів. Традиційна схема експерименту на докорювачі така: пучок заряджених частинок прискорюється до максимально можливої ​​енергії і потім прямує на нерухому мішень, при зіткненні з частинками якої народжується безліч елементарних частинок. Вимірювання параметрів часток, що народжуються, дають багату експериментальну інформацію, необхідну для перевірки (або створення) сучасної теорії елементарних частинок. Ефективність реакції визначається енергією частинки, що стикається з мішенню в системі центру мас. Відповідно до теорії відносності при нерухомій мішені та однакових масах спокою часток, що стикаються, енергія реакцій

Де E – енергія налітає на ціль частинки, m 0 – її маса, c – швидкість світла. Так, при зіткненні з нерухомою мішенню протона, прискореного до енергії 1000 ГеВ, тільки енергія 42 ГеВ йде на народження нових частинок, а більшість енергії витрачається на кінетичну енергію частинок, що народилися в результаті реакції.

Запропоновані наприкінці 60-х років XX століття прискорювачі на зустрічних пучках (колайдери), у яких реакція здійснюється при зіткненні зустрічних прискорених пучків заряджених частинок (електронів та позитронів, протонів та антипротонів та ін.) дають суттєвий виграш у енергії реакції. У колайдерах енергія реакцій дорівнює сумі енергій часток, що стикаються.

E 1 + E 2 тобто при рівних енергіях частинок виграш становить 2E/m 0 c 2 . Зрозуміло, ефективність колайдера виявляється нижчою, ніж прискорювача з нерухомою мішенню, так як частинки двох розріджених пучків стикаються між собою набагато рідше, ніж частинки пучка та щільної мішені. Тим не менш, основна тенденція фізики високих енергій – це просування у вищі енергії, і більшість найбільших прискорювачів сьогодні – це колайдери, в яких заради досягнення рекордних енергій жертвують кількістю зіткнень.

Сучасні прискорювачі заряджених частинок є найбільшими експериментальними установками у світі, причому енергія частинок у прискорювачі лінійно пов'язана з його розміром. Так, лінійний прискорювач електронів SLC на енергію 50 ГеВ у Стенфордському університеті (США) має довжину 3 км, периметр протонного синхротрону Теватрон на енергію 900 ГеВ у лабораторії ім. Е.Фермі (Батавія, США) складає 6,3 км, а довжина кільця, що споруджується в Серпухові, прискорювально-накопичувального комплексу УНК, розрахованого на енергію3 ТеВ, що споруджується в 27-кілометровому прискорювальному тунелі європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) в Женеві.

Розміри прискорювачів, що постійно зростають, вже досягли межі розумного співвідношення фізичних характеристик і фінансових витрат, перетворюючи будівництво прискорювачів на проблему національного масштабу. Можна говорити, що суто інженерні рішення теж близькі до своєї межі. Очевидно, що подальший прогрес у прискорювальній техніці має бути пов'язаний з пошуками нових підходів та фізичних рішень, які роблять прискорювачі компактнішими та дешевшими у спорудженні та експлуатації. Останнє також є важливим, оскільки енергоспоживання сучасних прискорювачів близьке до енергоспоживання невеликого міста. Прикладна прискорювальна наука формулює перед сучасною фізикою цікаву та надзвичайно важливу проблему. Потрібно звернутися до нових досягнень у радіофізиці, фізиці плазми, квантовій електроніці та фізиці твердого тіла, щоб знайти гідні рішення.

Найбільш перспективними є пошук способів збільшення темпу прискорення частинок. У сучасних прискорювачах темп прискорення частинок обмежений максимальною напруженістю електричного поля, що прискорює, яке можна створити у вакуумних системах. Ця величина вбирається у сьогодні 50МВ/м. У сильніших полях виникають явища електричного пробою на стінках резонатора та утворення плазми, що поглинає енергію поля та перешкоджає прискоренню частинок. Насправді величина максимально допустимого високочастотного поля залежить з його довжини хвилі. Сучасні прискорювачі використовують електричні поля з довжиною хвилі більше 10 см. Наприклад, перехід до довжини хвилі 1 см дозволить збільшити максимально допустимі електричні поля в кілька разів і зменшити розміри прискорювача. Зрозуміло, для реалізації цієї переваги необхідна розробка в цьому діапазоні надпотужних джерел випромінювання, здатних генерувати імпульси електромагнітних хвиль з потужністю сотні МВт і тривалістю імпульсу коротше 100 нс. Це являє собою велику науково-технічну проблему, вирішенням якої зайняті багато дослідних центрів світу.

Інший можливий шлях – це відмова від традиційних вакуумних мікрохвильових резонансних систем та використання лазерного випромінювання для прискорення заряджених частинок. За допомогою сучасних лазерів можливе створення електричних полів із напруженістю, що набагато перевищує граничні поля в мікрохвильовому діапазоні. Однак безпосереднє використання лазерного випромінювання у вакуумі не дозволяє досягти ефекту помітного прискорення заряджених частинок через неможливість резонансної черенківської взаємодії хвилі з часткою, так як швидкість світла у вакуумі завжди більша за швидкість частки. В останні роки активно вивчаються методи прискорення заряджених частинок лазерним випромінюванням у газах та плазмі, причому, оскільки у сильних електричних полях відбувається іонізація речовини та утворення плазми, зрештою, йдеться про прискорення заряджених частинок інтенсивним лазерним випромінюванням у плазмі.

Наукові центри дослідження елементарних частинок

Інститут фізики високих енергій (ІФВЕ)

Основою створення інституту стало будівництво в Протвино, розташованому поблизу підмосковного міста Серпухова, найбільшого у світі (аж до 1972 р.) кільцевого протонного синхротрона. Зібрана у цьому науковому центрі унікальна експериментальна техніка дає змогу вченим проникнути у глибини будови матерії, зрозуміти та розкрити невідомі людині закони нескінченно різноманітного та таємничого світу елементарних частинок.

Прискорювач пущений в жовтні 1967 р. У цьому прискорювачі спочатку протони утворюються в результаті газового розряду, потім прискорюються електричним полем високовольтного імпульсу трансформатора до енергії 760 КэВ і потрапляють в лінійний прискорювач - інжектор, де попередньо прискорюються до енергії 100 прискорювач. У ньому протони прискорюються до енергії 76 ГеВ. Число протонів в одному імпульсі прискорювача - 3 · 1012. Повторення імпульсів відбувається кожні 7 сек. Прискорювач має в діаметрі 472 м. Вага електромагнітів 20 тис. т. Споживана прискорювачем потужність 100 МВт. Щорічно для фізичних досліджень прискорювач працює 3000 – 4000 год.

Науковий центр має насип, під яким знаходиться прискорювальне кільце, та експериментальний зал. Експерименти ІФВЕ здійснюються як на внутрішній мішені прискорювача, так і на виведених пучках частинок.

Лише відхиляє частинку, не змінюючи її енергії, і ставить орбіту, якою рухаються частки.

Прискорювачі можна розділити на великі групи. Це лінійні прискорювачіде пучок частинок одноразово проходить прискорюючі проміжки, і циклічні прискорювачі, у яких пучки рухаються замкнутим кривим типу кіл, проходячи прискорюючі проміжки багато разів. Також можна класифікувати прискорювачі за призначенням: колайдери, джерела нейтронів, бустери, джерела синхротронного випромінювання, установки для терапії раку, промислові прискорювачі.

Конструкції прискорювачів

Високовольтний прискорювач (прискорювач прямої дії)

Основна стаття: Високовольтний прискорювач

Прискорювач заряджених частинок (електронів) в якому прискорення заряджених частинок відбувається електричним полем, незмінним або слабким протягом всього часу прискорення частинок. Важлива перевага В.У. в порівнянні з ін. типами прискорювачів - можливість отримання малого розкиду енергії частинок, що прискорюються в постійному в часі і однорідному електричному полі. Даний тип прискорювачів характеризується високим ККД (до 95%) та можливістю створення установок великої потужності (500кВт і вище), що дуже важливо при використанні прискорювачів у промислових цілях.

Електростатичний прискорювач

Ідеологічно найпростіший, лінійний прискорювач. Частинки прискорюються постійним електричним полем і рухаються прямолінійно вакуумною камерою, вздовж якої розташовані електроди, що прискорюють.

Різновиди:

• Прискорювач Ван де Граафа.генератором Ван де Граафа, заснованому на механічному перенесенні зарядів діелектричною стрічкою. Максимальна електрична напруга ~20МВ визначає максимальну енергію частинок ~20МеВ.
• Каскадний прискорювач.Прискорююча напруга створюється каскадним генератором, який створює постійну прискорюючу високу напругу ~5 МВ, перетворюючи низьку змінну напругу за схемою діодного помножувача.

Лінійні прискорювачі електронів невеликих енергій часто використовуються як частина різних електровакуумних приладів (електронно-променева трубка, кінескоп, рентгенівська трубка та ін.).

Циклотрон

Влаштування циклотрону. 1 – місце надходження частинок, 2 – траєкторія їх руху, 3 – електроди, 4 – джерело змінної напруги. Магнітне поле спрямоване перпендикулярно до площини малюнка.

Ідея циклотрону проста. Між двома напівкруглими порожнистими електродами, т.з. дуантами, додана змінна електрична напруга. Дуанти вміщені між полюсами електромагніту, що створює постійне магнітне поле. Частка, обертаючись по колу в магнітному полі, прискорюється кожному обороті електричним полем у щілини між дуантами. Для цього необхідно, щоб частота зміни полярності напруги на дуантах дорівнювала частоті обігу частинки. Іншими словами, циклотрон є резонансним прискорювачем. Зрозуміло, що зі збільшенням енергії, на кожному обороті, радіус траєкторії частки збільшуватиметься, доки вона не вийде за межі дуантів.

Циклотрон – перший із циклічних прискорювачів. Вперше був розроблений і побудований в Лоуренсом році, за що йому була присуджена Нобелівська премія в році. До цих пір циклотрони застосовуються для прискорення важких частинок відносно невеликих енергій, до 50МеВ/нуклон.

Бетатрон

Інша назва: індукційний прискорювач. Циклічний прискорювач, в якому прискорення частинок здійснюється вихровим електричним полем, що індукується зміною магнітного потоку, що охоплюється орбітою пучка. Оскільки для створення вихрового електричного поля необхідно змінювати магнітне поле осердя, а магнітні поля в ненадпровідних машинах зазвичай обмежені ефектами насичення заліза на рівні ~20кГс виникає обмеження зверху на максимальну енергію бетатрона. Бетатрони використовують переважно для прискорення електронів до енергій 10-100 МеВ (максимум досягнутої в бетатроні енергії 300 МеВ).

Вперше бетатрон був розроблений і створений Відероє в році, який, однак, йому не вдалося запустити. Перший надійно працюючий бетатрон був створений Д. В. Керст лише в - мм. в США.

Мікротрон

Основна стаття: Мікротрон

Він же – прискорювач із змінною кратністю. Резонансний циклічний прискорювач з постійним як у циклотрона провідним магнітним полем і частотою напруги, що прискорює. Ідея мікротрона полягає в тому, щоб зробити збільшення часу обороту частки, що виходить за рахунок прискорення на кожному обороті, кратним періоду коливань напруги, що прискорює.

Фазотрон (синхроциклотрон)

Принципова відмінність від циклотрону - частота електричного поля, що змінюється в процесі прискорення. Це дозволяє, за рахунок автофазування, підняти максимальну енергію іонів, що прискорюються, в порівнянні з граничним значенням для циклотрону. Енергія у фазотронах досягає 600-700 МеВ.

Синхрофазотрон

Циклічний прискорювач із постійною довжиною рівноважної орбіти. Щоб частинки в процесі прискорення залишалися на тій самій орбіті, змінюється як провідне магнітне поле, так і частота електричного поля, що прискорює. Більшість сучасних циклічних прискорювачів є сильнофокусуючими синхрофазотронами. Для ультрарелятивістських електронів у процесі прискорення частота обігу практично не змінюється, і використовуються синхроноти.

Синхротрон

Циклічний прискорювач з постійною довжиною орбіти і постійною частотою прискорюючого електричного поля, але провідним магнітним полем, що змінюється.

Лазер на вільних електронах (ЛСЕ)

Основна стаття: Лазер на вільних електронах

Спеціалізоване джерело когерентного рентгенівського випромінювання.

Лінійний прискорювач

Також часто називається лінак (скорочення від LINear ACcelerator). Прискорювач, у якому частки пролітають одноразово. Лінійні прискорювачі найчастіше використовуються для первинного прискорення частинок, одержаних з електронної гармати або джерела іонів. Проте, ідея лінійного колайдера на повну енергію також не є новою. Основною перевагою лінаків є можливість отримання ультрамалих еміттансів та відсутність втрат енергії на випромінювання, які зростають пропорційно до четвертого ступеня (!) енергії частинок.

Колайдер

Він же прискорювач на зустрічних пучках. Суто експериментальні установки, мета яких – вивчення процесів зіткнення частинок високих енергій.

Застосування

• Стерилізація (для стерилізації продуктів харчування, медичного інструменту).
• Медицина (лікування онкологічних захворювань, радіодіагностика).
• Виробництво напівпровідникових пристроїв (інжекція домішок).
• Радіаційна дефектоскопія.
• Радіаційне зшивання полімерів.
• Радіаційне очищення топкових газів та стічних вод.

Див. також

• Детектор частинок

Посилання

• Коломенський Д.Д., Лебедєв А. Н. Теорія циклічних прискорювачів. М.: Фізматгіз, 1962.
• A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
• Б.С. Ішханов, І.М. Капітонов, Е.І. Кебін, Експеримент (Web-публікація)
• Історія, класифікація, принцип дії, основні типи сучасних прискорювачів

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Умова Гельдера
• Прискорювач елементарних частинок

Дивитись що таке "Прискорювачі заряджених частинок" в інших словниках:

Прискорювачі заряджених частинок- установки, що служать для прискорення заряджання. частинок високих енергій. За звичайного слововживання прискорювачами (У.) зв. установки, розраховані прискорення частинок до енергій більше МеВ. На рекордному У. протонів теватроні досягнуто енергія 940… … Фізична енциклопедія

Прискорювачі заряджених частинок- пристрої для одержання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення здійснюється за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію частинок, що мають електричний заряд. Магнітне… … Велика Радянська Енциклопедія

Прискорювачі заряджених частинок- Установки для отримання направл. пучків електронів, протонів, альфа частинок чи іонів з енергією від сотень кеВ до сотень ГеВ. У У. з. ч. прискорювані заряд. частинки збільшують свою енергію, рухаючись в електрич. поле (статич., індукованому або ... ... Великий енциклопедичний політехнічний словник

ГОСТ 22491-87: Прискорювачі заряджених частинок. терміни та визначення- Термінологія ГОСТ 2249187: Прискорювачі заряджених частинок. Терміни та визначення оригінал документа: 14. Бетатрон з підмаг чуванням 15. Резонансний прискорювач Бетатрон із постійною складовою індукції магнітного поля Прискорювач… …

ГОСТ 4.477-87: Система показників якості продукції. Прискорювачі заряджених частин промислового застосування. Номенклатура показників- Термінологія ГОСТ 4.477 87: Система показників якості продукції. Прискорювачі заряджених частин промислового застосування. Номенклатура показників оригінал документа: 3. Базовий зразок Прискорювач, вибраний із групи прискорювачів, найбільше… Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

Прискорювач заряджених частинок- Погляд на прискорювальний центр Fermilab, США. Теватрон (кільце на задньому плані) та кільце інжектор Прискорювач заряджених частинок клас пристроїв для отримання заряджених частинок (елементарних … Вікіпедія

прискорювач (заряджених частинок)- Електрофізичний пристрій, призначений збільшення кінетичної енергії заряджених частинок. Примітка Прийнято, що у прискорювачах енергія частинок збільшується більш ніж 0,1 МеВ. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики прискорювачі заряджених…

угруповання заряджених частинок- Пристрій, що здійснює фазове угруповання заряджених частинок. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики прискорювачі заряджених частинок EN charged particle buncher … Довідник технічного перекладача