6. Ускорители заряженных частиц

Ускорители – устройства для полу­чения заряженных частиц (электронов, протонов, ядер атомов, ионов) больших энергий с помощью их ускорения в электриче­ских полях. Простейшими ускорителями являются линейные (высоковольтные) ускорители. Для их создания разработаны генераторы высоких напряжений (например, генератор Ван-де-Граафа). В таких ускорителях частицы ускоряются электриче­ским полем, пролетая под действием его сил в вакуумированной камере. Ускорители этого типа позволяют получать потоки ускоренных частиц с энергией до 10⁶ эВ. Недостаток высоко­вольтных ускорителей – невысокая энергия разогнанных час­тиц и большие размеры. На смену высоковольтным ускорите­лям, разработанным в начале 30-х гг. XX в., пришли циклотро­ны (конец 30-х гг.). В циклотронах для ускорения частиц ис­пользуется переменное высокочастотное электрическое поле. Циклотрон состоит из двух полых вакуумированных полуци­линдрических коробок – дуантов, в которых создается магнит­ное поле. В промежутке между дуантами создается электриче­ское поле, которое ускоряет введенную туда заряженную час­тицу. Получив некоторую скорость, частица влетает в дуант. В дуанте частица двигается по дуге окружности, так как ее ско­рость перпендикулярна магнитному полю. К моменту вылета частицы из дуанта направление электрического поля в проме­жутке между дуантами изменяется на противоположное и поле продолжает ускорять частицу. Увеличив скорость, частица движется во втором дуанте по дуге окружности большего ра­диуса. Циклы ускорения повторяются при каждом пролете частицы в промежутке между дуантами. Удобство ускорения час­тицы связано с тем, что время пролета частицы в дуанте не за­висит от ее скорости и радиуса дуги окружности. В самом деле, сила Лоренца создает центростремительное ускорение частицы и ее движение в дуанте описывается вторым законом Ньютона . Здесь q – заряд частицы, V – ее скорость, m – масса, R – радиус дуги окружности, по которой частица движется, В – индукция магнитного поля. Отсюда . Частица проходит в дуанте половину окружности, и время ее пролета . Независимость Т от R и V упрощает конструкцию ускорителя, позволяя для создания электрическо­го поля пользоваться генераторами постоянной частоты. Вско­ре после создания циклотронов в них удалось разогнать прото­ны до энергий 10 – 20 МэВ.

Недостатки циклотрона связаны с тем, что при разгоне час­тицы до скоростей, составляющих несколько процентов от ско­рости света, вступают в действие релятивистские эффекты, приводящие к увеличению времени пролета частицы в дуанте, из-за чего она сбивается с режима ускорения. Для преодоления этого недостатка были разработаны ускорители с изменяющи­мися магнитными полями и частотами ускоряющего магнитно­го поля (например, синхрофазотрон).

В 40-х гг. XX в. создан ускоритель иного типа действия – индукционный (бетатрон). В этих ускорителях электроны раз­гоняются вихревым электрическим полем, которое порождает­ся при изменении во времени магнитного поля. На таких ускорителях электроны разгоняются до скоростей, составляющих более 90% от скорости света.

В настоящее время реализованы ускорители новых типов, позволяющие существенно повысить энергии ускоряемых час­тиц (микротроны, резонансные линейные ускорители, линей­ные индукционные ускорители и др).