нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Прискорювачі заряджених часток

   
 

Прискорювачі заряджених часток - пристрої для отримання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення проводиться за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію частинок, що володіють електричним зарядом. Магнітне поле може лише змінити напрям руху заряджених частинок, не міняючи величини їх швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом частинок (формою траєкторії). Зазвичай ускоряющее електричне поле створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливе прискорення за допомогою полів, створюваних ін зарядженими частинками; такий метод прискорення називається колективним (див. Прискорення заряджених частинок колективні методи ). В. з. Ч. слід відрізняти від плазмових прискорювачів , в яких відбувається прискорення в середньому електрично нейтральних потоків заряджених частинок ( плазми ).

В. з. ч. - один з основних інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами як пучків первинних прискорених заряджених частинок, так і пучків вторинних частинок (мезонів, нейтронів, фотонів і ін), одержуваних при взаємодії первинних прискорених частинок з речовиною. Пучки частинок великих енергій використовуються для вивчення природи і властивостей елементарних часток , в ядерній фізиці, у фізиці твердого тіла. Все більше застосування вони знаходять і при дослідженнях в ін областях: в хімії, біофізики, геофізики. Розширюється значення В. з. ч. різних діапазонів енергій в металургії - для виявлення дефектів деталей і конструкцій (дефектоскопія), в деревообделочной промисловості - для швидкої високоякісної обробки виробів, в харчовій промисловості - для стерилізації продуктів, в медицині - для променевої терапії , для "безкровної хірургії" і у ряді ін галузей.

1. Історія розвитку прискорювачів Поштовхом до розвитку В. з. ч. послужили дослідження будови атомного ядра, що вимагали потоків заряджених частинок високої енергії. Застосовувалися спочатку природні джерела заряджених частинок - радіоактивні елементи - були обмежені як за інтенсивністю, так і по енергії частинок, що випускаються. З моменту здійснення першого штучного перетворення ядер (1919, Е. Резерфорд ) за допомогою потоку a-частинок від радіоактивного джерела почалися пошуки способів отримання пучків прискорених частинок.

У початковий період (1919-32) розвиток прискорювачів йшов по шляху отримання високих напруг і їх використання для безпосереднього прискорення заряджених частинок. У 1931 амер. фізиком Р. Ван-де-Граафом був побудований електростатичний генератор, а в 1932 англ. фізики Дж. Кокрофт і Е. Уолтон з лабораторії Резерфорда розробили каскадний генератор . Ці установки дозволили отримати потоки прискорених частинок з енергією близько мільйона електрон-вольт ( МеВ ). У 1932 вперше була здійснена ядерна реакція, порушувана штучно прискореними частинками, - розщеплювання ядра літію протонами.

Період 1931-44 - час зародження і розквіту резонансного методу прискорення, при якому прискорювані частинки багато разів проходять прискорює проміжок, набираючи велику енергію навіть при помірному ускоряющем напрузі. Засновані на цьому методі циклічні прискорювачі - циклотрони (Е. О. Лоуренс ) - незабаром обігнали в своєму розвитку електростатичні прискорювачі. До кінця періоду на циклотронах була досягнута енергія протонів близько 10-20 МеВ. Резонансне прискорення можливо і в лінійних прискорювачах Проте лінійні резонансні прискорювачі не отримали в ті роки поширення через недостатній розвиток радіотехніки. У 1940 амер. фізик Д. У. Керст реалізував циклічний індукційний прискорювач електронів (бетатрон), ідея якого раніше вже висувалася (амер. фізик Дж. Слепян, 1922; швейц. фізик Р. Відерое, 1928).

Розробка прискорювачів сучасного типу почалася з 1944, коли сов. фізик В. І. Векслер і незалежно від нього (дещо пізніше) амер. фізик Е. М. Макміллан відкрили механізм автофазіровкі , діючий в резонансних прискорювачах і дозволяє істотно підвищити енергію прискорених частинок. На основі цього принципу були запропоновані нові типи резонансних прискорювачів - синхротрон, Фазотрон, синхрофазотрон, мікротрон. В цей же час розвиток радіотехніки зробив можливим створення ефективних резонансних лінійних прискорювачів електронів і важких заряджених частинок.

На початку 50-х рр.. був запропонований принцип знакозмінного фокусування частинок (амер. учені Н. Крістофілос, 1950; Е. Курант, М. Лівінгстон, Х. Снайдер, 1952), істотно підвищив технічний межа досяжних енергій в циклічних і лінійних В. з. ч. У 1956 Векслер опублікував роботу, в якій була висунута ідея когерентного, або колективного, методу прискорення частинок.

Наступні два десятиліття можна назвати роками реалізації цих ідей і технічного удосконалення В. з. ч. Для прискорення електронів перспективнішими виявилися лінійні резонансні прискорювачі. Найбільший з них, на 22 Гев, був запущений в 1966 амер. фізиком В. Панофского (США, Станфорд). Для протонів найбільші енергії досягнуті в синхрофазотронах. У 1957 в СРСР (Дубна) був запущений найбільший для того часу синхрофазотрон - на енергію 10 Гев. Через кілька років у Швейцарії та США вступили в лад синхрофазотрони з сильним фокусуванням на 25-30 Гев, а в 1967 в СРСР під Серпухова - синхрофазотрон на 76 Гев, який протягом багатьох років був найбільшим у світі. У 1972 в США був створений синхрофазотрон на 200-400 Гев. У СРСР і США розробляються проекти прискорювачів на 1 000-5 000 Гев.

Сучасний розвиток прискорювачів йде як по шляху збільшення енергії прискорених частинок, так і по шляхи нарощування інтенсивності (сили струму) і тривалості імпульсу прискореного пучка, поліпшення якості пучка (зменшення розкиду по енергії, поперечним координатам і швидкостям). Паралельно з розробкою нових методів прискорення удосконалюються традиційні методи: досліджуються можливості застосування надпровідних матеріалів (і відповідної ним техніки низьких температур ) в магнітах і прискорюють системах, що дозволяють різко скоротити розміри магнітних систем і енергетичні витрати; розширюється область застосування методів автоматичного управління в прискорювачах; прискорювачі доповнюються накопичувальними кільцями, що дозволяють досліджувати елементарні взаємодії в зустрічних пучках (див. прискорювачі на зустрічних пучках ). При цьому особлива увага приділяється зменшенню вартості установок.

II. Класифікація прискорювачів

В. з. ч. можна класифікувати за різними ознаками. За типом прискорених частинок розрізняють електронні прискорювачі, протонні прискорювачі і прискорювачі іонів.

За характером траєкторій частинок розрізняють лінійні прискорювачі (точніше, прямолінійні прискорювачі), в яких траєкторії частинок близькі до прямої лінії, і циклічні прискорювачі, в яких траєкторії частинок близькі до кола (або спіралі).

За характером прискорює поля В. з. ч. ділять на резонансні прискорювачі, в яких прискорення проводиться змінним високочастотним (ВЧ ) електромагнітним полем і для успішного прискорення частинки повинні рухатися в резонанс із зміною поля, і нерезонансні прискорювачі, в яких напрям поля за час прискорення не змінюється. Останні в свою чергу діляться на індукційні прискорювачі, в яких електричне ускоряющее поле створюється за рахунок зміни магнітного поля (ерс індукції), і високовольтні прискорювачі, в яких ускоряющее поле обумовлено безпосередньо прикладеною різницею потенціалів.

По механізму, що забезпечує стійкість руху часток в перпендикулярних до орбіти напрямках (фокусування), розрізняють прискорювачі з однорідною фокусуванням, в яких фокусуються сила постійна уздовж траєкторії (принаймні, за знаком), і прискорювачі із знакозмінної фокусуванням, в яких фокусуються сила змінює знак вздовж траєкторії, тобто чергуються ділянки фокусування і дефокусування. У застосуванні до деяких типів циклічних прискорювачів (синхротрон і синхрофазотрон) замість термінів "однорідна" і "знакопеременная" фокусування користуються термінами "слабка" і "сильна" ("жорстка") фокусування.

Резонансні циклічні прискорювачі можуть бути класифіковані далі за характером керуючого - " ведучого "- магнітного поля і прискорює електричного поля: прискорювачі з постійним і з перемінним у часі магнітним полем і відповідно прискорювачі з постійною і змінною частотою прискорюючого поля. Наведена класифікація (табл. 1) не охоплює прискорювачів із зустрічними пучками і прискорювачів, що використовують колективні методи прискорення. Перший тип є своєрідним різновидом перерахованих в табл. 1 прискорювачів: пучки частинок від прискорювачів того чи іншого типу направляють назустріч один одному. Другий тип відрізняється від всієї сукупності описаних прискорювачів по джерелу прискорюючого поля.

Табл. 1. - Класифікація прискорювачів заряджених часток

Тип траєкторії

Характер прискорює поля

Магнітне поле

Частота прискорює поля

Фокусування

Назва

Прискорювані частинки

Окружність або спіраль

Циклічні прискорювачі

нерезонансних, (Або циклотрон

Секторний слабофокусірующій

-

Синхротрон слабофокусірующій

синхрофазотрон прискорювачі

Hepeзонансний, електростатичний

Електростатичний прискорювач, каскадний прискорювач

Протони, електрон ни

нерезонансних, індукційний

"

Лінійний індукційний резонансний прискорювач

Протони, електро-i ни

III. Принцип дії резонансних прискорювачів

У резонансному прискорювачі безперервне прискорення відбувається завдяки тому, що в прискорюють електроди частинка весь час потрапляє в прискорюючу фазу поля (тобто коли електричне поле спрямоване в бік руху частинок). Ідеальна, т. н. рівноважна, частка весь час потрапляє в одну і ту ж фазу - рівноважну фазу.

"

"

У циклічному прискорювачі період звернення

частки по орбіті пов'язаний із середнім радіусом

орбіти співвідношенням:

???? (1)

"

(u

швидкість частки). Середній радіус орбіти дорівнює

???? (2)

де

mc

повна релятивістська енергія частки маси

m,

рівна сумі енергії спокою частинки

і її кінетичної енергії

маса спокою частки,

с -

швидкість світла),

е -

"

заряд частинки, << *** ****> середнє значення індукції магнітного поля; тому період звернення пов'язаний з енергією частинки співвідношенням:

???? (3)

Для рівноважної частки період звернення дорівнює або кратний періоду

прискорює поля. Фіксованим значенням періоду обігу та індукції магнітного поля відповідають цілком певні рівноважна енергія частки і рівноважний радіус її орбіти. Рівноважна частка набирає за оборот енергію

eV

cos j

, де j

- рівноважна фаза, тобто фаза поля, що діє на рівноважну частку, відлічувана від максимуму поля, a

- амплітуда напруги на зазорі прискорюючих електродів. Для набору кінцевої кінетичної енергії

-

-

-

макс

частка повинна вчинити

макс

-

-

-

eV

cosj

оборотів. У циклічних прискорювачах довжина шляху, прохідного часткою, досягає десятків і сотень тисяч

-

км.

-

При настільки великій довжині шляху для успішної роботи прискорювача необхідно забезпечити стійкість рівноважного руху: невеликі відхилення частки по фазі, по енергії, по радіусу і по вертикалі, а також невеликі початкові швидкості в напрямках, перпендикулярних орбіті, не повинні призводити до сильного відхиленню частинки від рівноважної орбіти - частка повинна здійснювати коливальний рух близько рівноважної частки. Забезпечення стійкості руху частки в напрямках, перпендикулярних орбіті (по радіусу і по вертикалі), називається фокусуванням, а в напрямку орбіти - фазіровкой.

У лінійному прискорювачі протонів (з прискорюючими зазорами) для рівноважної частки час прольоту

L / u

між сусідніми прискорюючими зазорами (

L - Т відстань між центрами зазорів, u - швидкість частки) кратно періоду прискорює поля

= l /

, де l - довжина хвилі електромагнітного поля. Енергія

макс

? набирається при проходженні Е = макс 2 - / eV cos j прискорюючих зазорів, що визначає необхідну довжину прискорювача. Довжини сучасних лінійних прискорювачів для протонів досягають сотень E0 = m0с2 м. W (m0 - Тому і тут питання стійкості руху, тобто забезпечення фокусування і фазування, є актуальним. Для того щоб розсіяння на ядрах атомів газу не приводило до сильного догляду частинок від рівноважної траєкторії і їх випадання з процесу прискорення, область навколо рівноважної траєкторії охоплюється вакуумною камерою, в якій спеціальними насосами створюється досить сильне розрідження. Фазировка в резонансних прискорювачах забезпечується механізмом автофазіровкі, обумовленим залежністю проміжку часу між наступними прискореннями від енергії. У циклічних прискорювачах з однорідною фокусуванням період обігу зростає із збільшенням енергії, тому що в співвідношенні (1) середній радіус орбіти зростає з зростанням енергії швидше, ніж швидкість частинки. В прискорювачах зі знакозмінної фокусуванням залежність середнього радіуса орбіти від енергії значно слабкіше; тому при малих енергіях період звернення зазвичай зменшується з ростом енергії ( зростає швидше, ніжВ> -

), А при великих енергіях - збільшується з ростом енергії ( зростає швидше, ніж u

яка обмежена швидкістю світла). При періоді, зростаючому з енергією, стійка права фаза на Турис. 1 : Якщо частка випадково потрапить у фазу j0 > J0, Вона придбає енергію менше рівноважної, тому її період обертання стане менше рівноважного, частка відстане по фазі і, отже; її фаза наблизиться до рівноважної фазі j0. Якщо ж період зменшується з ростом енергії, то фаза j V0 стає нестійкою, а стійкої буде симетрична їй фаза - j W. Як би там не було, якщоeV N = W досить велике, завжди існують стійка рівноважна фаза і область близьких до неї фаз (область захоплення), в межах якої частинки коливаються біля рівноважної. Приріст енергії рівноважної частки eV /cos j0 визначається умовою резонансу:0 qT  деq -

ціле число, називається кратністю частоти, або кратністю прискорення. Так, для циклічного прискорювача енергія рівноважної частки Т = ???? (3?)де w = 2p / Т частота прискорюючого поля, так що для збільшення рівноважної енергії потрібно або збільшувати магнітне поле (синхротрон), або зменшувати частоту прискорює поля (Фазотрон), або змінювати і те й інше (синхрофазотрон), або, нарешті, змінювати кратність прискорення  (Мікротрон). Закон зміни магнітного поля, частоти і кратності прискорення і визначає значення фази j Ту  для рівноважної частки; внаслідок автофазіровкі рівноважна частка набирає саме ту енергію, яка визначається співвідношенням (3?). Відповідно з енергією змінюється радіус рівноважної орбіти, визначається формулою (2).сДля нерівноважних часток, що знаходяться всередині області захоплення, приріст енергії відбувається нерівномірно, але в середньому вони набувають ту ж енергію, що і рівноважна частка. Ці частинки "захоплені" в режим прискорення. Частинки, що сильно відрізняються від рівноважних по фазі або по енергії, взагалі в середньому не набуватимуть енергії, тому що потраплятимуть то в ускоряющее, то в уповільнює поле ("ковзати по фазі прискорює напруги"). - Аналогічний механізм фазування має місце і в лінійних резонансних прискорювачах з тією різницею, що там завжди час проходження відстаней між сусідніми зазорами зменшується з ростом енергії, так що стійка рівноважна фаза завжди дорівнює - j WФокусування частинок в прискорювачах.  У циклічних прискорювачах фокусування досягається головним чином спеціальним підбором форми магнітного поля. Якби магнітне поле було строго однорідно, то при будь-якому відхиленні швидкості частки від площини орбіти прискорюється частка йшла б з рівноважної орбіти в напрямку осі магніту (по вертикалі N = W Але якщо магнітне поле зменшується зі збільшенням радіуса, то воно має "бочкоподібну" форму (це пов'язано з тим, що у відсутності струмів магнітне поле - безвіхревое), завдяки чому сила F,0 діє на частку, має складову0 у напрямку до площини рівноважної орбіти ( рис. 2).

Зміна поля по радіусу прийнято характеризувати показником спаду поля

 . Т. о., Для стійкості руху у вертикальному (аксіальному) напрямі необхідно виконання умови > 0u тобто щоб поле зменшувалося зі збільшенням радіусу. Рух в радіальному напрямку визначається співвідношенням між силою дії на частинку магнітного поля eB/ C, і доцентровою силою / R,відповідної радіусу1R.0 На рівноважної орбіті обидві ці величини рівні. Якщо частка з тією ж швидкістю випадково опинилася на більшому радіусі, то для забезпечення стійкості в радіальному напрямку потрібно, щоб сила дії магнітного поля на цьому радіусі0eB0/ C0 була більше, ніж / R,0тобто щоб магнітне поле зменшувалося медленее, ніж 1 /0R.0 Той же висновок виходить, якщо розглянути випадкове відхилення частинки в бік менших радіусів. Т. о., Умова стійкості в радіальному напрямку накладає обмеження на швидкість убування магнітного поля: показник спаду поля T =повинен бути менше 1 (y,<1). Для одночасної стійкості в радіальному і вертикальному напрямках повинна виконуватися умова: 0 < <1.???? (4)

Можна показати, що сили фокусування, діючі по радіусу і по вертикалі, виходять при цьому рівними:

(1 -yR, - N mу - ? w q,???? (5)0де

m -

маса, w - кутова швидкість обігу частки, D0.

 і D - Відхилення частинки від рівноважної орбіти по радіусу і по вертикалі. Під дією цих фокусирующих сил частинки здійснюють коливання (т. н. Бетатрон коливання) навколо рівноважної орбіти з частотами: z). ????? (6) Ці частоти менше частоти звернення w, тобто за оборот частка робить менше одного Бетатрон коливання. Фокусують сили обмежені гранично допустимими значеннямиn. Fz Таке фокусування називається однорідною, або слабкою.Для того щоб збільшити фокусуючу силу по вертикалі, треба застосувати сильно спадає поле ( > 1). Навпаки, для отримання великої фокусирующей сили по радіусу треба застосувати поле з великими негативними значеннями

(Тобто сильно зростаюче по радіусу). Ці вимоги одночасно несумісні. Однак виявляється, що за певних обмеженнях їх можна реалізувати по черзі, забезпечивши тим самим сильну фокусування і по радіусу, і по вертикалі. На цьому заснований принцип знакозмінного фокусування ( рис. 3 n ). Вся довжина рівноважної орбіти розбивається на велике число однакових періодів, в яких встановлюються магніти, сильно фокусують поперемінно то по радіусу, то по вертикалі. При певному співвідношенні між значеннями показника спаду магнітного поля, довжиною магнітів і числом періодів така система володіє сильним фокусирующим дією по обом поперечним напрямками. Фізично це пояснюється тим, що в фокусирующих магнітах частка виявляється далі від рівноважного положення, ніж у дефокусірующіх (тому що передує дефокусірующій магніт відхилив її від орбіти), тому дія фокусирующих магнітів сильніше дії дефокусірующіх. Частота коливань частинок при такій фокусуванні виходить істотно вище частоти звернення, тож за один оборот частка робить кілька коливань. Збільшення фокусирующей сили призводить до зменшення амплітуди коливань частинок під дією різних розгойдують факторів, що дозволяє зменшити поперечні розміри вакуумної камери і магнітів, а отже, істотно зменшити вагу і вартість установки. Тому у всіх великих циклічних прискорювачах на великі енергії застосовується знакопеременная (сильна) фокусування. Неприємна особливість сильного фокусування - наявність численних резонансів, обумовлених великою частотою коливань частинок: якщо число коливань частки по вертикалі або по радіусу за один повний оборот частинки або їх сума або різниця виявляються цілими або напівцілими числами, то відбувається резонансна розгойдування коливань. У зв'язку з цим необхідно пред'являти великі вимоги до точності виготовлення магнітів.,Знакозмінна фокусування магнітним полем застосовується і в лінійних прискорювачах з тією різницею, що на рівноважної орбіті (пряма) магнітне поле дорівнює нулю. Система фокусування являє собою в цьому випадку набір магнітів (магнітних квадрупольних лінз), що створюють магнітне поле, рівне нулю на осі Про системи і лінійно наростаюче при відхиленні від осі ( рис. 4u). В одній площині магніти фокусують частинки (сила  спрямована до осі), в іншій - дефокусіруют ( mu2 спрямована від осі). Ці площини фокусування чергуються від магніту до магніту, що і призводить до знакозмінної фокусуванні. При малих енергіях частинок поряд з магнітною фокусуванням застосовується (як у циклічних, так і в лінійних прискорювачах) фокусування електричним полем, для чого використовується ускоряющее електричне поле установки. Принцип фокусування пояснений на рис. 5. У звичайному ускоряющем зазорі електричне поле зазвичай "провисає" всередину в центрі зазору. Тому в першій частині зазору воно має складову, спрямовану до осі зазору (фокусуючу), у другій - від осі зазору (дефокусірующую). Результуючий фокусуючий ефект виходить, якщо фокусирующее дію виявляється більше дефокусірующего. Оскільки частка, проходячи зазор, прискорюється, то в другій частині зазору вона летить швидше, тобто знаходиться там менший час, ніж у першій, тому фокусирующее дію переважає. Цей ефект, заснований на зміні швидкості частинки, називається електростатичним фокусуванням. Він має помітну величину лише для малих швидкостей частинок, так що його застосування в прискорювачах обмежено. Різниця дії електричного поля в першій і в другій частині зазору може бути обумовлена ??також зміною електричного поля в часі (електродинамічна фокусування): якщо за час прольоту електричне поле зменшується, то дефокусірующее дію виявляється менше фокусирующего. Фокусування такого типу має місце в циклотроні і Фазотрон як доповнить. фактор до магнітної фокусуванні. Однак у лінійних прискорювачах протонів стійкою є негативна фаза j  (Див. вище), при якій поле зростає з часом. Тому в лінійних прискорювачах електричне поле дефокусірует і потрібні спеціальні додаткові заходи для фокусування частинок.uМожна і до електричного поля застосувати принцип знакозмінного фокусування. Наприклад, за допомогою електродів складної форми можна забезпечити зміну знака фокусирующей сили від зазору до зазору або, міняючи від зазору до зазору знак рівноважної фази, можна отримати систему зі знакозмінної фокусуванням і знакозмінної фазіровкой. Такі системи були запропоновані і розроблені, але вони мають досить обмежене застосування.При великих інтенсивностях прискорених пучків починає позначатися взаємодія між окремими частинками пучка; розштовхування за законом Кулона однойменно заряджених частинок призводить до ослаблення фокусирующих сил. У циклічному В. з. ч. испускаемое частками електромагнітне випромінювання (т. н. mu2синхротронне випромінювання , Див. нижче) також може викликати нестійкість руху. У різних прискорювачах взаємодія заряджених частинок позначається по-різному, але майже завжди саме воно визначає гранично досяжну інтенсивність (поряд з ним іноді виявляється визначальною потужність, необхідна для прискорення пучка).IV. Основні типи сучасних прискорювачівА. Циклічні прискорювачі n Синхрофазотронn  (Протонний синхротрон) - циклічний резонансний прискорювач протонів з змінюється в часі магнітним полем (5) і частотою, що змінюється прискорюючого електричного поля (w

). При цьому w n  змінюються в суворій відповідності один з одним, так щоб радіус рівноважної орбіти

 залишався постійним. У синхрофазотроні частота звернення частинок w = w

FR = -  / Qn) m w2D і порівн. значення магнітної індукції <

FZ => На орбіті пов'язані співвідношенням: .???? (7)2DzЦя умова випливає з формул (3) і (2). З формули (7) видно, що з ростом магнітного поля частота звернення спочатку збільшується пропорційно полю, а потім міняється все повільніше, наближаючись до граничного значення

відповідальному руху частки зі швидкістю світла; відповідно повинна змінюватися частота прискорює поля w  = W q.R Сталість радіусу рівноважної орбіти дозволяє зробити магніт синхрофазотрона у вигляді порівняно вузького кільця, що сильно здешевлює установку. З усіх сучасних В. з. ч. синхрофазотрони дозволяють отримувати найвищі енергії частинок. До 1972 найбільшим прискорювачем в світі був Серпуховский синхрофазотрон (СРСР), що прискорює протони до енергії 76zГев.

,  У 1972 в США (Батейвія) запущений синхрофазотрон на 200

Гев,  в 1975 його енергія була збільшена до 400Гев,

а в 1976 - до 500nГев. n  У 1976 введено в дію прискорювач на 400ГевЄвропейському центрі ядерних досліджень

(ЦЕРН, поблизу Женеви). Проектуються синхрофазотрони на 1000Гев і вище. FОскільки граничне значення магнітного поля обмежено технічними можливостями, то, як випливає з співвідношення (2), збільшення енергії неминуче пов'язане із збільшенням радіусу установки. Для максимальних досягнутих енергій радіус прискорювачів складає сотніFм,

а в проектованих прискорювачах на надвисокі енергії - кілька км. Саме розмір установки, а отже і її вартість, обмежує граничну досяжну енергію в прискорювачі. Найменша енергія, для отримання якої застосовують синхрофазотрони, становить приблизно 10Гев,

 для отримання протонів меншої енергії доцільно застосовувати Фазотрон (див. нижче).

Протони вводяться (инжектируются) в синхрофазотрон ззовні з ін прискорювача меншої енергії. Таким попередніми прискорювачем служить лінійний прискорювач, а іноді також допоміжний (бустерний) кільцевий прискорювач, для якого, в свою чергу, інжектором служить лінійний прискорювач. Така багатоступенева схема, підвищуючи енергію інжекції, полегшує умови роботи основного прискорювача (легше витримати допуски на точність відтворення магнітного поля при інжекції, в меншому діапазоні потрібно змінювати частоту прискорює поля) і здешевлює його, а також підвищує досяжну в прискорювачі інтенсивність прискореного пучка. У синхрофазотроні зі слабкою фокусуванням магнітна система складається з декількох магнітних секторів (рис. 6

), Розділених прямолінійними проміжками. У проміжках розташовуються системи введення, що прискорюють пристрої, системи спостереження за пучком, вакуумні насоси та ін Ввідний пристрій служить для перекладу частинок з інжектора у вакуумну камеру основного прискорювача. Зазвичай введення проводиться за допомогою імпульсного отклоняющего пристрої, електричне або магнітне поле якого "загортає" впускають частинки, направляючи їх по орбіті. У вакуумній камері, що представляє собою суцільну замкнуту трубу, що охоплює область навколо рівноважної орбіти, створюється за допомогою безперервно діючих откачивающих насосів досить низьке (~ 10

-6

мм рт. ст.) Тиск, щоб розсіювання прискорених частинок на залишковому газі не призводило до розширення пучка і втрати частинок. Закруглені ділянки камери розташовані в зазорах між полюсами електромагнітів, що створюють усередині камери магнітне поле, необхідне для управління рухом частинок по замкнутій орбіті (загортання частинок по орбіті). Т. к. радіус рівноважної орбіти повинен залишатися постійним, необхідно, щоб магнітне поле росло в процесі прискорення від значення, відповідного енергії інжекції, до максимального значення, відповідного кінцевої енергії. Зростання магнітного поля здійснює ся збільшенням сили струму, що протікає через обмотки електромагнітів. Форма полюсів магнітів підбирається так, щоб забезпечити слабке спадання магнітного поля по радіусу відповідно з умовою (4), необхідне для сталого руху частинок в поперечному напрямку. В одному або декількох зазорах розташовані прискорюють пристрої, що створюють змінне електричне поле. Частота поля змінюється в суворій відповідності з зміною магнітного поля [см. формулу (7)]. Необхідна точність відтворення частоти дуже велика. Це досягається звичайно за допомогою системи автоматичного спостереження за частотою за даними про становище частинок: помилка в частоті призводить до відходу частинок від рівноважного положення, чутливі датчики реєструють цей відхід, їх сигнал посилюється і використовується для введення необхідних поправок в частоту.уПід дією прискорюючого поля частинки инжектированного пучка розпадаються на згустки, що групуються навколо стійких рівноважних фаз. Число таких згустків, що розташовуються по колу прискорювача, так само кратності прискоренняy и Вq. R У процесі прискорення згустки скорочуються по довжині, стискаючись до рівноважної фазі. Одночасно відбувається зменшення поперечних розмірів пучка, який на початку прискорення займає майже весь перетин вакуумної камери.yСинхрофазотрон з сильним фокусуванням відрізняється насамперед пристроєм магнітної системи, що складається з великого числа магнітів, в яких чергуються сильне спадання і сильне нарощування магнітного поля по радіусу. Фокусування часток в цьому випадку значно сильніше, ніж в слабофокусірующем прискорювачі. Кожен магніт (рис. 7В) Здійснює дві функції: загортає частки по орбіті і фокусує їх (система з суміщеними функціями). Застосовується також магнітна структура з розділеними функціями, в якій для загортання частинок використовуються магніти з однорідним полем, а фокусування здійснюється за допомогою магнітних квадрупольних лінз, розташованих в проміжках між магнітами.

Перехід до сільнофокусірующім магнітним системам пов'язаний з підвищенням вимог до точності виготовлення і монтажу магнітів; при довжині кільцевого магніту більше 1

км ,  точність монтажу вимірюється десятими і сотими часткамиумм. Це обумовлено великою чутливістю поведінки частинок до різних випадковим відхиленням магнітного поля, пов'язаної з резонансною розгойдуванням пучка. Інша особливість прискорювача з сильним фокусуванням - наявність т. н. критичної, або перехідною, енергії. При енергії частки менше критичної стійка рівноважна фаза розташована на висхідній частині кривої напруги (фаза - j на рис. 1), Тому що із збільшенням енергії період зменшується (як в лінійному прискорювачі). При енергії частки більше критичної збільшення енергії призводить, навпаки, до збільшення періоду обігу (як в прискорювачі зі слабкою фокусуванням) і рівноважної стає фаза + j . Щоб при проходженні критичної енергії не відбувалися втрати пучка, в момент переходу через критичну енергію в систему вводиться швидке зміщення фази коливань на 2 j, Так що прискорювані частинки, які до критичної енергії були згруповані поблизу стійкої фази - j , Виявляються в околиці нової стійкої фази + j Прискорений в синхрофазотроні пучок або використовується всередині камери (наводиться на внутрішню мішень), або виводиться з прискорювача відхиляють пристроєм того ж типу, що і в системі вводу, але більш потужним через велику швидкість частинок. Після цього починається цикл прискорення. Частота проходження циклів прискорення в сучасних синхрофазотронах становить 5-30 циклів хвилину. У кожному циклі прискорюється 10 11-10 12 в  частинок. В принципі гранична інтенсивність визначається обмежуючим впливом просторового заряду. У зв'язку з тим, що синхрофазотрони на надвисокі енергії зажадали б дуже великих розмірів і надвисокої точності виготовлення установки (зокрема, магніту), розглядаються можливості застосування надпровідних матеріалів в електромагнітах прискорювача (що дозволяє отримати магнітні поля принаймні в 3-4 рази вище звичайних і в стільки ж разів скоротити розміри установки) і методів автоматичного управління параметрами прискорювача (що дозволяє послабити вимоги до точності його виготовлення). Синхротрон - Циклічний резонансний прискорювач електронів, що відрізняється від синхрофазотрона тим, що в ньому змінюється в часі лише магнітне поле, а частота прискорюючого електричного поля залишається незмінною. Т. к. при постійній частоті звернення радіус орбіти пропорційний швидкості частинок (

/ W), а для електронів вже при енергії близько 1 МеВ  швидкість дуже близька до швидкості світла (тобто дуже слабо змінюється з ростом енергії), то радіус рівноважної орбіти майже не змінюється. Тому магніт синхротрона (як і магніт синхрофазотрона) має вигляд кільця. Конструктивно як слабо-, так і сільнофокусірующій синхротрони вельми схожі з синхрофазотроном (тому синхрофазотрон і називається також протонним синхротроном). Максимально досяжні в синхротроні енергії визначаються в першу чергу електромагнітним випромінюванням релятивістських електронів. Електрони, що рухаються по кругових траєкторіях, відчувають доцентровийприскорення і, відповідно до законів електродинаміки, повинні випромінювати електромагнітні хвилі (див. синхротронне випромінювання Випромінювана електроном за 1 оборот енергія дорівнює:  ???? (8)енергія спокою частинки, рівна для електрона 0,5

МеВ

 тобто дуже швидко росте із збільшенням енергії електрона. [В принципі електромагнітне випромінювання має місце при русі по колу будь-яких заряджених частинок, але для важких частинок (протонів, ядер) багато більше, ніж для електронів, так що їх випромінювання при досягнутих в прискорювачах енергіях не виявляється.] У великих електронних прискорювачах енергія, що випромінюється за 1 оборот, стає порівнянної з енергією, набираемой часткою. Отримана електроном від прискорюючого поля енергіяeV jcos  витрачається частиною на збільшення енергії частки, а частиною на випромінювання. Випромінювання позначається і на коливаннях частинок близько рівноважної орбіти: з одного боку, випромінювання, діючи подібно тертю, вносить загасання в коливання частинок, з іншого - через квантового характеру випромінювання (випромінювання фотонів) гальмування відбувається не плавно, а як би клацаннями, що вносить додаткову розкачку коливань. Внаслідок великих втрат на випромінювання прискорює система повинна розвивати дуже велику потужність. Хоча сталість частоти звернення дозволяє застосувати резонансні системи з фіксованою частотою, проте саме труднощі створення прискорюючої системи обмежують у першу чергу гранично досяжні енергії. До 1976 в синхротронах досягнуті максимальні енергії близько 5-10Гев

 (Див. табл. 2). Існують проекти синхротронів на 100-150 Гев. У синхротронах на менші енергії (сотні

МеВ) Замість інжекції ззовні (як у синхрофазотроні) часто застосовують Бетатрон инжекцию: прискорювач спочатку працює як бетатрон (див. нижче), а після досягнення електроном релятивістських швидкостей (u ") Включається ускоряющее ВЧ поле і прискорювач переходить на синхротронного режим.

 Табл. 2. - Найбільші циклічні прискорювачі МісцезнаходженняМаксимальна енергія, Гев Діаметр установки, мПеретин камери, см0Тип інжектора Енергія інжекції, МеВРік запуску0 Синхрофазотрони0Дубна (СРСР)0100.

7235'120Лінійний прискорювач9,41957

Аргонн (США)

12,755R = u15'82 то ж50 1963).Женева (Швейцарія)

28

(E0 = m0c2 - 200 7'15),то ж E0Бустер 50080001959 1972Брукхейвен (США) 33257 8'17Лінійний прискорювач c200

1960

Серпухов (СРСР)

76

472

12'20

(Будується бустер)

100

1967

Батейвія (США)

500 (на 1976)

2000

5'13

Бустер

8000

1972

 Синхротрони

Дарсбері (Великобританія)

5,2

70

(4-6) '(11-15)

Лінійний прискорювач

43

1966

Єреван (СРСР)

6,1

69

3'10

то ж

50

1967

Гамбург (ФРН)

7,5

101

(4-7) '(10-12)

300-500

1964

Корнелл (США)

12,2

250

2,5 '5, 5

150

1967

 Фазотрон

Женева (Швейцарія)

"

0,60

5,0

1957

Дубна (СРСР)

0,68

6,0

1953

Ленінград (СРСР)

1,00

6,85

1968

? Фазотрон

 (Синхроциклотрон, циклотрон з варіацією частоти) - третій основний тип резонансних циклічних прискорювачів, що працюють на принципі автофазіровкі. У Фазотрон магнітне поле постійно в часі, а частота прискорюючого електричного поля змінюється. Зі співвідношення (3 ') видно, що для збільшення рівноважної енергії частоту слід зменшувати. Фазотрон застосовується для прискорення важких частинок (протонів, дейтронів, a-частинок). Найбільші сучасні Фазотрон дають протони з кінетичною енергією до 1000

МеВ.

 У Фазотрон частки рухаються по спіральних траєкторіях від центру, де розташований іонний джерело (газовий розряд), до периферії вакуумної камери (

рис. 8

). Енергію вони набувають за рахунок багаторазового проходження прискорюючого зазору. Прискорені частинки або використовуються всередині камери, або виводяться назовні за допомогою відхиляють систем. Зміна частоти прискорює поля здійснюється за допомогою варіатора - конденсатора змінної ємності, включеного в резонансний контур. Внаслідок того що орбіта частинки в Фазотрон має форму спіралі, магніт Фазотрон НЕ кільцевої, а суцільний, так що магнітна система вельми громіздка. Саме тому при енергіях вище 1

Гев

 віддають перевагу синхрофазотрон, хоча досягається в ньому інтенсивність прискореного пучка істотно нижче.

У Фазотрон з однорідним по азимуту магнітним полем фокусування по вертикалі дуже слабка, тому що

<1. Для її збільшення іноді застосовують додаткові модуляції магнітного поля по азимуту, тобто використовують знакозмінного фокусування.

Описані 3 типи резонансних прискорювачів, заснованих на механізмі автофазіровкі, працюють в імпульсному режимі: певна група захоплених в синхротронного режим частинок підвищує свою енергію в міру належного зміни частоти прискорює поля і (або) індукції магнітного поля. Після досягнення максимальної енергії ця група частинок або використовується всередині камери, або виводиться з прискорювача; параметри прискорювача повертаються до початкових значень, і починається новий цикл прискорення. Тривалість імпульсу прискорення в синхротронах і Фазотрон порядку сотих часток

сек,

в синхрофазотронах - кілька

сек.

Циклотрон

 - Циклічний резонансний прискорювач протонів (або іонів), в якому і магнітне поле, і частота прискорюючого електричного поля постійні. На відміну від раніше описаних прискорювачів, циклотрон - прискорювач безперервної дії. Конструктивно він дуже схожий з Фазотрон. Частинки з іонного джерела безперервно надходять у вакуумну камеру і прискорюються електродами, рухаючись по спіралі. Однак оскільки в циклотроні з однорідною фокусуванням w

 постійні в часі, а енергія частинок зростає, то умова резонансу (3 ') порушується: резонансне прискорення може відбуватися лише до тих пір, поки придбана кінетична енергія

 багато менше енергії спокою

"

 тобто поки не позначається ефект релятивистского зростання маси частинки. Це і визначає межу досяжних енергій в циклотроні (для протонів приблизно 10-20

МеВ

 причому гранична енергія досягається при дуже великих значеннях напруги на прискорювальних електродах. Зате циклотрон внаслідок роботи в безперервному режимі має перевагою інтенсивності. Магнітне поле в циклотроні дуже слабо спадає по радіусу (сильне спадання поля ще більше посилило б відхилення від точного резонансу). Тому фокусування магнітним полем у вертикальному напрямку дуже слабка (

"0)

особливо в центрі магніту. Однак у центральній області швидкості частинок ще малі і істотний вплив робить фокусування електричним полем.

Дотримання точного резонансу між часткою і пришвидшує полем постійної частоти можна забезпечити і в циклотроні, якщо магнітне поле буде рости по радіусу. У прискорювачі з однорідною фокусуванням це неприпустимо через нестійкість руху у вертикальному напрямку. Якщо ж використовувати знакозмінного фокусування, то можна реалізувати стійке прискорення до значно більших енергій, ніж у звичайних циклотронах. Такого типу установки (секторні, або ізохронні, циклотрони), володіючи перевагою великої інтенсивності, властивим циклотрон, здатні давати інтенсивні пучки протонів при енергіях до 1000

"

МеВ.

Ізохронний циклотрон

SIN

 (Швейцарія) дає протонний струм 12

мка

 (Максимальна енергія прискорених частинок в циклотроні - 590

-

"

-

МеВ

).

Мікротрон

 (Електронний циклотрон) - циклічний резонансний прискорювач, в якому, як і в циклотроні, і магнітне поле, і частота прискорює поля постійні в часі, але резонансне умова в процесі прискорення все ж зберігається за рахунок зміни кратності прискорення

-

"

-

q.

 Частка звертається в мікротроні в однорідному магнітному полі, багаторазово проходячи прискорює резонатор. У резонаторі вона отримує такий приріст енергії, що її період обертання змінюється на величину, що дорівнює або кратну періоду прискорює напруги. При цьому, якщо частка з самого початку зверталася в резонанс з прискорюючою полем, цей резонанс зберігається, незважаючи на зміну періоду обігу. Наприклад, перший оборот частинка проходить за один період прискорює поля (тобто

= 1)

 другий за два (

-

"

-

= 2), третій - за три (

 = 3) і т.д. Ясно, що частка потрапляє при цьому в одну і ту ж фазу прискорює поля. У мікротроні діє механізм автофазіровкі, так що частинки, близькі до рівноважної, також будуть прискорюватися. Мікротрон - прискорювач безперервної дії і здатний давати струми порядку 100ма,  максимальна досягнута енергія порядку 30МеВ(СРСР, Великобританія). Реалізація великих енергій скрутна через підвищених вимог до точності магнітного поля, а істотне підвищення струму обмежено електромагнітним випромінюванням прискорених електронів.Для тривалого збереження резонансу магнітне поле мікротрона має бути однорідним. Таке поле не володіє фокусирующими властивостями по вертикалі; відповідна фокусування проводиться електричним полем резонатора. Пропонувалися варіанти мікротронів з мінливим Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.

В фазотронах с однородным по азимуту магнитным полем фокусировка по вертикали очень слабая, т.к. n < 1. Для её увеличения иногда применяют дополнительные модуляции магнитного поля по азимуту, т. е. используют знакопеременную фокусировку.

Описанные 3 типа резонансных ускорителей, основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: определённая группа захваченных в синхротронный режим частиц повышает свою энергию по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магнитного поля. После достижения максимальной энергии эта группа частиц либо используется внутри камеры, либо выводится из ускорителя; параметры ускорителя возвращаются к исходным значениям, и начинается новый цикл ускорения. Длительность импульса ускорения в синхротронах и фазотронах порядка сотых долей сек, в синхрофазотронах - несколько сек.

Циклотрон - циклический резонансный ускоритель протонов (или ионов), в котором и магнитное поле, и частота ускоряющего электрического поля постоянны. В отличие от ранее описанных ускорителей, циклотрон - ускоритель непрерывного действия. Конструктивно он весьма схож с фазотроном. Частицы из ионного источника непрерывно поступают в вакуумную камеру и ускоряются электродами, двигаясь по спирали. Однако поскольку в циклотроне с однородной фокусировкой wy и В постоянны во времени, а энергия частиц растет, то условие резонанса (3') нарушается: резонансное ускорение может происходить лишь до тех пор, пока приобретённая кинетическая энергия W много меньше энергии покоя m0с2, т. е. пока не сказывается эффект релятивистского возрастания массы частицы. Это и определяет предел достижимых энергий в циклотроне (для протонов примерно 10-20 Мэв), причём предельная энергия достигается при очень больших значениях напряжения на ускоряющих электродах. Зато циклотрон вследствие работы в непрерывном режиме обладает преимуществом по интенсивности. Магнитное поле в циклотроне очень слабо спадает по радиусу (сильное спадание поля ещё больше усилило бы отклонение от точного резонанса). Поэтому фокусировка магнитным полем в вертикальном направлении очень слабая (n " 0), особенно в центре магнита. Однако в центральной области скорости частиц ещё малы и существенное влияние оказывает фокусировка электрическим полем.

Соблюдение точного резонанса между частицей и ускоряющим полем постоянной частоты можно обеспечить и в циклотроне, если магнитное поле будет расти по радиусу. В ускорителе с однородной фокусировкой это недопустимо из-за неустойчивости движения в вертикальном направлении. Если же использовать знакопеременную фокусировку, то можно реализовать устойчивое ускорение до значительно больших энергий, чем в обычных циклотронах. Такого типа установки (секторные, или изохронные, циклотроны), обладая преимуществом большой интенсивности, свойственным циклотронам, способны давать интенсивные пучки протонов при энергиях до 1000 Мэв. Изохронный циклотрон SIN (Швейцария) даёт протонный ток 12 мка (максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне - 590 Мэв).

Микротрон (электронный циклотрон) - циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q. Частица обращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. При этом, если частица с самого начала обращалась в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. Например, первый оборот частица проходит за один период ускоряющего поля (т. е. q =1), второй за два (q =2), третий - за три (q = 3) и т.д. Ясно, что частица попадает при этом в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. 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





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка