Большая Советская Энциклопедия (УС)
Шрифт:
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
Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё 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 её 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 остаётся 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 тяжёлых 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 тяжёлых 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.,
Э. Л. Бурштейн.
Рис. 3. Схема расположения магнитов в сильнофокусирующем ускорителе: Д — магниты, дефокусирующие по радиусу (n >> 1), Ф — фокусирующие по радиусу (n << -1); пунктирная кривая — орбита неотклонённой частицы (равновесная орбита), сплошная кривая — орбита отклонённой частицы.
Рис. 2. При «бочкообразной» форме магнитного поля сила F, действующая на отклоненную частицу (1), имеет составляющую Fz , фокусирующую частицу по вертикали; FR — радиальная составляющая F; 2 — полюсные наконечники.
Рис. 6. Схема слабофокусирующего синхротрона или синхрофазотрона: 1 — инжектор; 2 — система ввода; 3 — вакуумная камера; 4 — сектор электромагнита; 5 — прямолинейный промежуток; 6 — ускоряющее устройство. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка.
Рис. 9. Схематический разрез бетатрона: 1 — полюсы магнита; 2 — сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 — центральный сердечник; 4 — обмотки электромагнита; 5 — ярмо магнита.
Рис. 7. Схематический разрез магнита ускорителя с сильной фокусировкой: 1 — полюсные наконечники, обеспечивающие сильное изменение магнитного поля В по радиусу; 2 — обмотки электромагнита; 3 — сечение вакуумной камеры.
Рис. 12. Схематический разрез волновода с диафрагмами (1). Стрелками показано распределение поля, бегущего вдоль волновода; 2 — ускоряемый сгусток электронов.
Рис. 4. Поле магнитной квадрупольной линзы: N, S — северный и южный полюсы магнита, F — сила действия магнитного поля на частицу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (в центре О F = 0).
Рис. 1. К пояснению механизма автофазировки.
Рис. 10. Схема ускорителя Видероэ с пролётными трубками: 1 — пролётные трубки; 2 — источник переменного напряжения; 3 — область действия электрического поля Е.
Рис. 5. Распределение электрического поля в ускоряющем зазоре между электродами А и В; Fx , Fy — продольная и поперечная составляющие силы F, действующей на частицу.
Рис. 8. Схема движения частиц в циклотроне и фазотроне; магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. 1 — ионный источник; 2 — орбита ускоряемой частицы (спираль); 3 — ускоряющие электроды; 4 — выводное устройство (отклоняющие пластины); 5 — источник ускоряющего поля.
Рис. 11. Схематический разрез резонатора (1) линейного ускорителя с дрейфовыми трубками (2). Вблизи оси электрическое поле Е сосредоточено лишь в зазорах между трубками.
Ускорители на встречных пучках
Ускори'тели на встре'чных пучка'х, ускорители со встречными пучками, установки, в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренные электрическим полем до высоких энергий (см. Ускорители заряженных частиц ). На таких установках исследуются взаимодействия частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных условиях эффективных энергиях столкновения. Наибольшее распространение получили ускорители со встречными электрон-электронными (е– е– ), электрон-позитронными (е– е + ) и протон-протонными (рр) пучками.