Большая советская энциклопедия - ускорители заряженных частиц2

Микротрон — ускоритель непрерывного действия и способен давать токи порядка 100 ма, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (СССР, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов. Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили. Бетатрон — единственный циклический ускоритель (электронов) нерезонансного типа. Ускорение электронов в бетатроне производится вихревым электрическим полем индукции, создаваемым переменным магнитным потоком, проходящим через сердечник (центральную часть) магнита. Кольцевая вакуумная камера расположена в магнитном зазоре, где с помощью полюсных наконечников сформировано спадающее магнитное поле, обеспечивающее обращение частиц по окружности и фокусировку частиц около среднего равновесного радиуса (см. рис. 9). Для того чтобы радиус орбиты оставался постоянным, между скоростью прироста энергии, определяемой изменением поля в центральной части, и скоростью увеличения заворачивающего магнитного поля должно существовать определенное соотношение (бетатронное условие). Оно сводится к условию: (9) и означает, что поле на орбите (Ворб) должно быть в 2 раза меньше среднего поля (Bcp) внутри орбиты. При выполнении этого условия и условия фокусировки (4) будет происходить устойчивое ускорение частиц на орбите постоянного радиуса. Бетатрон — ускоритель импульсного действия и может служить источником электронов до энергии порядка 100—300 Мэв. Однако для энергий выше 100—200 Мэв более удобен синхротрон, не имеющий громоздкого центрального сердечника. Особенно распространены бетатроны на средние энергии — 20—50 Мэв, используемые для различных целей и выпускаемые серийно. Как уже отмечалось, бетатронным режимом ускорения часто пользуются в синхротронах для предварительного ускорения. Т. к. это ускорение производится до небольшой энергии, необходимый для бетатронного ускорения сердечник невелик и существенно не усложняет конструкции синхротрона. Б. Линейные ускорители Линейный электростатический ускоритель — см. Ускоритель высоковольтный. Линейный индукционный ускоритель. В этом У. з. ч. для ускорения используется эдс индукции, возникающая при изменении кольцеобразного магнитного поля. Вдоль оси ускорителя устанавливаются ферромагнитные кольца, охватываемые токовыми обмотками. При резком изменении тока в обмотках происходит быстрое изменение магнитного поля, которое согласно закону электромагнитной индукции создает на оси ускорителя электрическое поле Е. Заряженная частица, пролетающая за время существования этого поля вдоль оси, приобретает энергию eEL, где L — пройденное расстояние. Чтобы ускоряющее поле было достаточно велико, нужно быстро изменять магнитное поле, поэтому время существования ускоряющего поля и, следовательно, длительность импульса ускорения невелики (порядка 10-9—10-6 сек). Преимущества линейных индукционных ускорителей — большие значения тока ускоренных частиц (сотни и тысячи а), большая однородность пучка (малый разброс по энергии и малые скорости поперечного движения) и большой кпд, т. е. коэффициент преобразования затрачиваемой в ускоряющей системе энергии в энергию пучка. Существующие линейные индукционные ускорители дают электронные пучки с энергией в несколько Мэв. Они применяются преимущественно как источники интенсивных пучков релятивистских электронов в установках для коллективного ускорения частиц и для исследований по термоядерному синтезу, однако по своим возможностям они допускают значительно более широкое применение. Линейные резонансные ускорители — наиболее распространенный тип линейных ускорителей, особенно на большие энергии. Линейные резонансные ускорители электронов дают энергии от десятков Мэв до Ускорители заряженных частиц 20 Гэв, протонов — до 800 Мэв. Существ, различие между протонным и электронным линейными ускорителями обусловлено главным образом тем, что протоны ускоряются до нерелятивистских или слаборелятивистских скоростей, тогда как электроны — до ультрарелятивистских скоростей; протонные ускорители на энергии Ускорители заряженных частиц 600—800 Мэв, при которых релятивистские эффекты становятся заметными, конструктивно сближаются с электронными (см. табл. 3). Табл. 3. — Крупнейшие линейные ускорители МестонахождениеГод запускаМаксимальная энергия, МэвДлина, мДлительность импульса ускоряемых частиц, мксекМаксимальный средний ток, мкаМаксимальный ток в импульсе, ма Электронные Харьков (СССР)196418002401,40,8 Станфорд (США)19662230030501,648 Протонные Серпухов (СССР), инжектор196710080300 180 Батейвия (США), инжектор1970200145400 120 Лос-Аламос (США)197280079550030 Мезонная фабрика, АН СССРстроится600450100500 Протонные линейные резонансные ускорители. Идея линейного резонансного ускорителя выдвинута в 1924 швед. ученым Г. Изингом и в 1928 реализована на модели Видероэ. Ускоритель (рис. 10) представляет собой систему пролетных трубок (полых цилиндров), присоединенных через одну к разным полюсам источника переменного напряжения. Электрическое поле не проникает внутрь трубок, а сосредоточено в зазорах между ними. Длина трубок подобрана так, что частицы, попавшие в первый зазор между трубками в момент, когда поле ускоряет частицы, будут и в последующих зазорах попадать в ускоряющую фазу поля (резонанс), т. е. их энергия будет непрерывно повышаться. Ускоритель примерно такого типа был реализован в 1931 Э. О. Лоуренсом и Д. Слоуном (США). Успехи ВЧ радиотехники в 40-е гг. дали дальнейший толчок, развитию протонных линейных резонансных ускорителей. Вместо цепей с сосредоточенными постоянными в современных ускорителях протонов применяется обычно схема, предложенная амер. физиком Л. Альваресом, представляющая собой резонатор с дрейфовыми трубками. В объеме резонатора цилиндрической формы создается переменное электрическое поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые частицы пролетают систему дрейфовых (пролетных) трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению частиц (рис. 11). Когда же поле направлено в противоположную сторону, частицы находятся внутри трубок, куда поле не проникает. В линейном резонансном ускорителе, как было указано выше, действует механизм автофазировки, так что частицы, расположенные в некоторой области вблизи равновесной частицы (область захвата), ускоряются вместе с ней, набирая в среднем такую же энергию. Устойчивая равновесная фаза в линейном ускорителе отрицательна, т. е. находится на участке, где поле растет. Поэтому электрическое поле оказывает в линейном ускорителе дефокусирующее действие и нужно принимать специальные меры для обеспечения фокусировки протонов. В ускорителях на небольшие энергии можно применять фольговую или сеточную фокусировку: входы дрейфовых трубок перекрываются фольговой или сетчатой перегородкой. Это приводит к деформации поля между трубками, при которой дефокусирующая область почти полностью исчезает. В ускорителях на большие энергии этот метод фокусировки неприменим (фольги и сетки приводят к недопустимым потерям интенсивности и, кроме того, перегорают под действием пучка). Наиболее распространенный метод фокусировки — знакопеременная фокусировка с помощью магнитных квадрупольных линз (располагаемых внутри дрейфовых трубок), создающих в окрестности оси ускорителя магнитное поле, линейно нарастающее по мере удаления от оси. Качественно фокусировка таким полем объясняется так же, как в циклических ускорителях. Преимущество линейных ускорителей над циклическими — отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50—100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше которого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнической точки зрения, т.к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрического поля (слишком мало шунтовое сопротивление). Для ускорения до больших энергий разработаны специальные системы связанных резонаторов; может также применяться волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных ускорителях; см. ниже). Современные линейные ускорители протонов на большую энергию состоят из двух ступеней: в первой ускорение производится до 100—200 Мэв резонаторами типа Альвареса, во второй — резонаторами иного типа, имеющими при этих скоростях частиц более благоприятные характеристики. По такой двухступенчатой схеме реализован линейный протонный ускоритель в Лос-Аламосе (США) на 800 Мэв, дающий средний ток 30 мка (проектируется повышение тока до 1000 мка), предназначенный для физических опытов с интенсивными вторичными пучками (т. н. мезонная фабрика). По этой же схеме в СССР разработана мезонная фабрика на 600 Мэв. Электронные линейные резонансные ускорители обладают еще одним существенным преимуществом над циклическими — в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия современных линейных электронных ускорителей составляет 20 Гэв, но она диктуется только экономическими соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины. Для электронных ускорителей, в которых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов ее нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, например, введением в волновод перегородок (диафрагм; рис. 12). Близость скорости электронов к скорости света приводит к особенностям в движении электронов относительно ускоряющей волны. Для электронов отсутствует механизм автофазировки: изменение энергии электрона практически не приводит к изменению его скорости и, следовательно, к перемещению относительно ускоряющей волны. Фокусировка в поперечном направлении тоже оказывается, как правило, ненужной, т.к. случайные поперечные скорости электронов убывают по мере роста их энергии (по закону сохранения импульса постоянным остается поперечный импульс mu (, а т.к. по теории относительности масса m растет с ростом энергии, то скорость u (убывает). Кроме того, поперечное кулоновское расталкивание в электронных ускорителях оказывается почти скомпенсированным магнитным притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки могут, однако, возбуждать в ускоряющем волноводе паразитные волны, раскачивающие пучок и приводящие к его неустойчивости. Этот эффект особенно существен в больших ускорителях, где он ограничивает предельно достижимые токи. Разработан ряд инженерных методов подавления этого эффекта. Широко распространены линейные резонансные электронные ускорители на малые (порядка десятков Мэв) энергии, используемые для исследований по ядерной н нейтронной физике и для прикладных целей. Ведутся интенсивные исследования возможностей применения сверхпроводящих материалов для стенок резонаторов и волноводов в протонных и электронных ускорителях. Это сильно сократило бы расход ВЧ мощности и позволило бы перейти на работу ускорителей в непрерывном режиме. Описанные типы У. з. ч. применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц. Электронные ускорители практически без переделок могут быть использованы для ускорения позитронов. Для ускорения тяжелых частиц используются различные типы протонных ускорителей. Наибольшая энергия ионов достигнута на ускорителе «Бэвалак» (Bevalac, США) типа синхрофазотрона, где в 1974 получены ускоренные ядра вплоть до ядер аргона с энергией 2 Гэв на нуклон. В Дубне разработан проект ускорителя («нуклотрона»), рассчитанного на получение 16 Гэв на нуклон. Как источник тяжелых ионов применяются также ускорители типа циклотрона и линейные ускорители. Лит.: Гринберг А. П., Методы ускорения заряженных частиц, М. — Л., 1950, Ускорители, сб. статей, пер. с англ. и нем., М., 1962; Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М 1970; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители М., 1969; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский электрон, М., 1974. Э. Л. Бурштейн.