Глава 3 Циклические Ускорители с переменным во времени магнитным полем

Радиус полюса магнита определяется радиусом конечной орбиты, который зависит в свою очередь от предельной энергии ускорителя. В кольцевом ускорителе частица не меняет радиуса орбиты в течение всего времени ускорения и движется по кольцевому зазору между полюсами магнита. Каждому значению энергии частицы соответствует определенное значение напряженности магнитного поля и частоты вращения. Поэтому в кольцевом ускорителе возможна только импульсная работа. Энергия пакета частиц, захваченных в режиме ускорения, постепенно увеличивается и достигает максимального значения в тот момент, когда напряженность магнитного поля в зазоре также становится наибольшей. При этом процесс ускорения заканчивается. Магнитное поле в зазоре электромагнита уменьшается до нуля, после чего начинается новый цикл ускорения. Число циклов определяется возможной коростью увеличения магнитного поля в э/м ускорителя. Ускоритель кольцевого типа с постоянной для всех энергий радиусом равновесной орбиты и с переменным во времени полем, изменяющимся по закону:

называется синхротроном. Он пригоден для ускорения и протонов и электронов. Для протонов называется синхрофазотроном (т.к. изменяется и частота вращения частиц, а, следовательно, и частота ускоряющего напряжения). В электронном ускорителе частота вращения остается постоянной в процессе всего цикла ускорения.

Бетатрон

Первый бетатрон построен в 1940 году Керетом.

В бетатроне электрон движется по круговой орбите в постоянно нарастающем магнитном поле. Этот нарастающий магнитный поток вызывает вихревую электродвижущую силу. Вихревое электрическое поле ускоряет электроны. Процесс ускорения продолжается до тех пор, пока напряженность поля не достигнет своего предельного значения. Такой метод ускорения частиц называется бетатронным методом. Для обеспечения устойчивого движения частицы в бетатроне необходимо, чтобы напряженность магнитного поля на орбите частицы была в два раза меньше, чем средняя напряженность магнитного поля внутри орбиты. Это так называемый закон два к одному. При соблюдении этого условия радиус орбиты остается постоянным в течение всего времени ускорения.

Ускорители заряженных частиц – физический прибор, сложная, наукоёмкая техническая установка, мощный инструмент науки 20-го столетия. Основным параметром, характеризующим фундаментальную физику процессов взаимодействия элементарных частиц, являются линейные размеры пространственной области взаимодействия элементарных частиц, уменьшающиеся с ростом энергии частиц. Отсюда становится понятным непрерывный рост энергии ускоряемых частиц с 30- х годов 20 века по настоящее время. Средний темп роста энергии ускоряемых частиц примерно на порядок за 10 лет. Современная теория элементарных частиц ставит задачу достижения энергии взаимодействия на уровне 10²⁸ эВ; современная техника ускорения позволяет достигать энергий порядка 10¹³ эВ. Реализация ускорителей на сверхвысокие энергии ограничивается их грандиозной стоимостью (милларды $), огромными размерами (характерный радиус современного синхрофазотрона порядка 10 км). Их эксплуатация требует огромных людских и материальных ресурсов. Однако развитие ускорительной техники привело к созданию многих тысяч установок для генерации ионизирующих излучений разных типов, ориентированных на применения прикладного характера в различных областях науки, техники и производства. Рентгендиагностика и лучевая терапия, стерилизация медицинских инструментов и продуктов сельскохозяйственного производства, радиационная химическая технология, радиационный неразрушающий контроль крупногабаритных изделий - вот далеко не полный перечень применения ускорителей заряженных частиц и генераторов вторичных (нейтроны,  - кванты) излучений на их основе.

Основными преимуществами ускорителей заряженных частиц и генераторов вторичных излучений на их основе являются:

1. Включение и выключение установки по необходимости;

2. Изменение энергии моноэнергетических пучков частиц в широких пределах;

3. Управление потоками излучений с помощью электромагнитных полей (фокусировка, отклонение, формирование зоны облучения и т.п.);

4. Создание мощных высокоэнергетических пучков (десятки и сотни киловатт) в непрерывном и импульсном режимах;

5. Высокий (до 70- 80%) коэффициент использования ускоренных пучков;

6. Безопасность в выключенном состоянии.

Классификация существующих типов ускорителей осуществляется, в частности, по типу траектории ускоряемых частиц.