Линейные ускорители.
Линейные ускорители – ускорители заряженных частиц, в которых частица движется по прямолинейной траектории. Линейные ускорители можно разбить на две категории – ускорители прямого действия и собственно линейные ускорители.
Наиболее известным ускорителем прямого действия является электростатический генератор, где частицы или ионы ядер ускоряются непосредственно за счет одно- или двукратного (в тандемах) прохождения разности потенциалов, достигающей 20 миллионов вольт. Однако, в таких ускорителях трудно обеспечить энергию частиц больше 40 - 50 МэВ для протонов и для достижения ещё больших энергий используют собственно линейные ускорители.
В линейных ускорителях (рис. 7.2) частица подвергается многократному ускорению, пролетая сквозь ряд цилиндрических трубок, присоединенных к электрическому генератору высокой частоты (используют радиочастотные генераторы). Пучок частиц двигается вдоль оси трубок. Внутри каждой трубки электрическое поле равно нулю. Соседние трубки имеют противоположную полярность. Таким образом, ускорительное поле находится в зазорах между трубками. Частота генератора и размеры трубок подбираются так, чтобы сгусток ускоряемых частиц подходил к очередному зазору в тот момент, когда полярность трубок изменяется на противоположную. Длина трубки l, скорость частицы v и период высокочастотного поля T связаны соотношением l=vT/2. В линейных ускорителях частицы могут ускоряться также электромагнитной волной, распространяющейся внутри цилиндрических полостей (ускорители бегущей волны).
Длина L каждого последующего зазора должна быть выбрана так, чтобы частица оказывалась в следующем зазоре как раз в тот момент, когда поле изменит знак. В этом случае частица опять испытает воздействие максимального ускоряющего поля. Чтобы такой трюк удался, длина L предшествующего цилиндра должна точно равняться 1/2vT, где v-скорость частицы, а T- период осцилляций поля. Поскольку скорость частицы увеличивается при прохождении каждого очередного зазора, длина цилиндров должна также соответственно возрастать. В линейных ускорителях электронов скорость электронов v приближается к скорости света с, поэтому L стремится в пределе к 1/2сT.
Рис. 7.2. Схема линейного ускорителя
В качестве примера можно сослаться на Стенфордский электронный линейный ускоритель трёхкилометровой длины, дающий электроны с энергией более 20 ГэВ. Для достижения больших энергий приходится строить линейные ускорители большой длины. Наибольший линейный ускоритель был построен в Стэнфорде (США). Он работал в период 1989-1998 гг., имел длину около 3 км и ускорял как электроны, так и позитроны до энергии 50 ГэВ. Для достижения такой энергии частицы испытывают около 80 000 актов ускорения. Этот ускоритель работал в режиме коллайдера, когда пучок электронов с энергией 50 ГэВ сталкивается с пучком позитронов такой же энергии.
Циклические ускорители.
В циклических ускорителях частица не проходит однократно через длинный ряд ускоряющих промежутков (резонаторов), а многократно периодически возвращается к одним и тем же ускоряющим промежуткам. Таким путём достигается значительное снижение размеров и стоимости ускорителя. Первый циклический ускоритель был построен в 1930 г. Лоуренсом и назван циклотроном. Идея циклотрона основывается на том факте, что в однородном постоянном магнитном поле с напряжённостью Н заряженная частица, движущаяся в плоскости, перпендикулярной Н, равномерно вращается по окружности с циклической частотой
, (7.1)
т. е. с периодом обращения Т=2/.
Циклотрон представляет собой сплющенную цилиндрическую металлическую коробку, в которой вдоль диаметра имеется прорезь, разделяющая коробку на две половины, называемые дуантами. Коробка помещается в постоянное однородное магнитное поле между противоположными полюсами магнита. Между дуантами прикладывается переменное электрическое напряжение с частотой . В центре между дуантами помещается источник ионов. Ион движется по раскручивающейся спирали, получая ускорение (дополнительную энергию) всякий раз, как проходит ускоряющий промежуток между дуантами.
При не слишком больших скоростях эта частота не зависит от радиуса окружности и скорости частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же промежуток времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения превращается в плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу.[1]
Диаграмма циклотрона из патента Э. Лоуренса 1934года
Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как при высоких скоростях начинает проявляться релятивистская зависимость периода обращения от скорости частиц. С ростом скорости этот период возрастает, и поэтому при каждом очередном попадании в ускоряющий зазор частицы начинают всё больше опаздывать, пока не оказываются в нём тогда, когда существующее в зазоре поле будет их тормозить. Поэтому для получения частиц высоких энергий используют другие, более сложные ускорители, например, электронные синхротроны и синхрофазотроны.
Циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц по траектории раскручивающейся спирали до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку на базе циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля. Для этих целей также используется фазотрон.[1]
Существенным недостатком циклотрона является то, что он позволяет ускорять частицы только до нерелятивистских энергий, так как только в этом случае имеет место синхронизм колебаний электрического поля между дуантами с обращением частицы по окружности. При релятивистских энергиях формула (7.1) сохраняется, но под m следует понимать не массу покоя, а релятивистскую массу частицы. В силу выше сказанного эффективно ускорять протоны на циклотроне можно лишь до энергий 20-25 МэВ. Но в области низких энергий циклотрон, давая токи 1 мА, по интенсивности значительно превосходит все другие ускорители. По этой причине циклотроны до сих пор широко используются для изучения ядерных реакций при низких энергиях, а также для промышленного получения тех (преимущественно нейтронодефицитных) изотопов, которые невозможно получить в ядерных реакторах.
Для электрона, если его энергия больше 10МэВ, то его скорость практически постоянна и мало отличается от скорости света. Поэтому и период обращения электрона по круговой орбите практически постоянен. Это используется в синхротронах- циклических кольцевых резонансных ускорителях электронов с орбитой почти постоянного радиуса, в которых частота ускоряющего электрического поля постоянна, а напряжённость удерживающего магнитного поля изменяется во времени.