Глава 1 Ускорители прямого действия

Ускорителями прямого действия называются машины, в которых ускоряемая частица движется в постоянном электрическом поле, причем конечная энергия ускоренных частиц в электрон-вольтах равна электрическому напряжению машины в вольтах (при ускорении электронов, протонов и однозарядных ионов). Так, например, в ускорителе на энергию протонов 5 МэВ реально существует напряжение 5 Mв. Так как ускорители на энергию, меньшую 150…200 кэв, применяются редко, то все ускорители прямого действия оказываются высоковольтными машинами. При их разработке и эксплуатации в значительной мере используются закономерности техники высоких напряжений.

Элементарная схема ускорителя прямого действия представлена на рис. 1.

Рис.1. Ускорение положительного иона в равномерном электрическом поле

Если между двумя плоскостями А и В, отстоящими друг от друга на расстоянии L, см, имеется разность потенциалов U, в, то в пространстве между плоскостями действует электрическое поле напряжённостью:

.

Положительно заряженная частица с зарядом, равным заряду электрона, ускоряется электрическим полем в направлении стрелки и, достигнув при своём движении плоскости В, приобретёт кинетическую энергию U, эв.

Пространство в котором происходит ускорение частиц, должно быть откачено до давления порядка 10^-5…10^-6 мм рт. ст. Сечение ускоряемого пучка обычно мало, не более 1 см², а длина ускорительного тракта велика, порядка десятков сантиметров и нескольких метров. Поэтому ускорительное пространство удобнее всего ограничить стенками изоляционной трубки. Наружный диаметр трубки обычно составляет примерно 300 мм.

Ускорители прямого действия по конструктивному исполнению высоковольтной части можно разделить на две больших группы: ускорители на открытом воздухе и ускорители в сжатом газе.

Установки на открытом воздухе с напряжением более 1 Mв, получаются громоздкими и требуют больших помещений. Поэтому ускорители первой группы встречаются обычно только до энергии не выше 1 Мэв, чаще не выше 800 кэв. Ускорители в сжатом газе сооружаются на более высокие энергии — до 5 Мэв. Энергия 5 Мэв — нормально предельная для ускорителей прямого действия. Возможно, построить машины и на более высокие энергии — до 10 и даже 15 Мэв, однако такие установки являются рекордными и их сооружение не всегда экономически оправдано.

Схема основного оборудования ускорителя прямого действия, установленного на открытом воздухе, представлена на рис. 2.

Рис.2. Схема основного оборудования ускорителя прямого действия, установленного на

открытом воздухе

Ускорительный цикл начинается с источника заряженных частиц ИЗЧ, установленного обычно на высоковольтном конце ускорительной трубки УТ. Частицы поступают в трубку из источника с энергией порядка нескольких килоэлектронвольт. Противоположный выходной конец трубки заземлен. Отрицательный выводной конец высоковольтного генератора напряжения ВГ при ускорении положительных ионов также заземлен. Из ускорительной трубки пучок частиц попадает в металлическую трубу, называемую ионопроводом И. В самом начале ионопровода установлен вакуумный насос ВН. Такая схема откачки характерна для всех ускорителей прямого действия. Источник ионов дает основную часть газа, натекающего в вакуумный объем. Насос же установлен на противоположном заземленном конце трубки. При такой схеме практически весь газ откачивается через ускорительную трубку, которая должна иметь достаточное сечение для обеспечения нужной скорости откачки и заданного давления газа в ее высоковольтной части.

В одном или нескольких местах ионопровода устанавливаются специальные фокусирующие устройства (линзы) ФУ, с помощью которых производится фокусировка пучка на мишень М.

На одном из участков ионопровода устанавливается поворотный магнит МП. Он служит для очистки пучка от частиц, отличных от заданных по массе и энергии. Незначительное перемещение проходящего через магнитное поле пучка в ионопроводе исполь­зуется для стабилизации напряжения высоковольтного генератора.

Для нерелятивистского случая, с которым мы в большинстве случаев встречаемся в ускорителях прямого действия, следует пользоваться формулой

где E₀ - энергия покоя частицы,

_{ω - кинетическая энергия частицы,}

_{Z - заряд,}

_{H - напряженность магнитного поля.}

Попадая в поле поворотного магнита, частицы отличающиеся от заданных по массе (другое Е₀), энергии (другое ω), и заряду (другое Z), будут двигаться по радиусам, отличным от радиуса изгиба ионопровода, и потеряются на его стенках.

Особо следует отметить многозарядные ионы. Пусть, например, из источника в трубку попал двухзарядный ион. В процессе ускорения он получит двойную энергию 2ω; для него Z=2 и

Радиус его траектории окажется в раза меньше номинального, и он также потеряется на стенке. Из источника могут выходить также и нейтральные частицы, ускоренные до нескольких киловольт. Они, как показано на рис. 3, не отклоняются магнитом и также остаются на стенках. Таким образом, происходит очищение пучка от нежелательных составляющих.

Формула показывает, что поворотный магнит может быть использован для целей стабилизации энергии ускорителя. При отклонении энергии пучка от номинального значения изменится радиус поворота его в магнитом поле и пучок приблизится к одной из пластин датчика Д стабилизатора Cт.

Сигнал с пластины, соответственно усиленный, может быть использован для повышения или понижения напряжения генератора до тех пор, пока пучок не займет среднего положения между двумя пластинами датчика.

Рис. 3. Отклонение пучка поворотным магнитом

Существует большое количество типов ускорителей прямого действия. Они отличаются друг от друга типами и системами генераторов высокого напряжения. Источники заряженных частиц и ускорительные трубки принципиально одинаковы для всех типов машин.