Содержание

Введение

1 Конструкции ускорителей

1.1 Линейные ускорители

1.1.1 Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

1.1.2 Линейный индукционный ускоритель

1.1.3 Линейный резонансный ускоритель

1.2 Циклические ускорители

1.2.1 Бетатрон

1.2.2 Циклотрон

1.2.3 Микротрон

1.2.4 FFAG

1.2.5 Фазотрон (синхроциклотрон)

1.2.6 Синхрофазотрон

1.2.7 Синхротрон

1.2.8 Ускоритель-рекуператор

2 Ускорители по назначению

2.1 Коллайдер

Список использованной литературы

Введение

Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители. Необходимость использования ускорителей для исследования структуры микромира очевидна. Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают очень малые области пространства, и проникновение в эти области требует высокой разрешающей способности зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии.

Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий взаимодействующих (сталкивающихся) частиц. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.

Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, потоком или интенсивностью, пространственными размерами и т. д.). Для ряда экспериментов необходим пучок поляризованных частиц, т. е. частиц, спины которых направлены в одну сторону, что достигается пропусканием пучка частиц через сильное магнитное поле.

В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы и для многократного роста эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок (коллайдерах) после завершения ускорительного цикла сталкиваются. Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка, а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить. Есть ускорители более тяжелых частиц – дейтронов (ядер дейтерия ²H),  -частиц (⁴He), а также ионов других ядер, в том числе и тяжёлых, таких как свинец. Современные ускорители высокой энергии оснащаются системами генерации пучков вторичных частиц. В качестве последних могут быть пионы, мюоны, нейтрино и др. С помощью пучков вторичных частиц выполнены многие важные эксперименты.

В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы. Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – инжектора, где “изготавливаются” ускоряемые частицы, ускорительной системы, где частицы от инжектора увеличивают энергию до проектной, и системы транспортировки пучка к экспериментальной установке (рис.1). С точки зрения траектории, по которой частицы двигаются в процессе ускорения, ускорители можно разбить на линейные и циклические. В линейных ускорителях частицы в процессе ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки (синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль (циклотроны, микротроны).

1 Конструкции ускорителей

1.1 Линейные ускорители

1.1.1 Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Ускорителями прямого действия называют установки, в которых частицы ускоряются в электрическом поле и их конечная энергия на единицу заряда ( ) численно равна разности потенциалов в вольтах на входе и выходе ускорителя:

Например, в ускорителе протонов или электронов (q=1) на 1 МэВ реально должна существовать разность потенциалов в 1 МВ. Мы будем считать ускорителями такие установки, которые ускоряют частицы до энергий больших 500 кэВ. Соответственно, все ускорители прямого действия являются высоковольтными ускорителями (ВВУ) и прогресс в их развитии обусловлен, в значительной степени, успехами техники высоких напряжений.

В историческом плане ВВУ были первыми ускорителями, на которых осуществлены ядерные реакции. В 1932 г. Дж. Кокрофт и Э.Уолтон создали в Кавендишской Лаборатории (Великобритания) высоковольтный генератор на 700 кВ и наблюдали ядерные реакции под действием протонов с энергией 400 кэВ на ядрах лития и некоторых других элементов.

Блок-схема ВВУ представлена на рисунке 2, на котором указаны основные узлы таких ускорителей:

Рисунок 2 - блок-схема ВВУ

Следует отметить, что:

-     Ускорение частиц происходит в ускорительной камере, которая в ВВУ часто называется “ускорительной трубкой” (УТ);

-    Высокое напряжение от генератора высокого напряжения (ГВН) всегда подается со стороны ИЗЧ (  для q>0 и   для q<0), а противоположная сторона УТ заземлена для того, чтобы внешние фокусирующие устройства (ФУ), мишени ( , ) и другое экспериментальное оборудование имели нулевой потенциал;

-    Вакуумный насос (ВН) всегда устанавливается на противоположном от ИЗЧ конце УТ (может быть и несколько насосов в разных частях УТ);

-    С помощью поворотного магнита (ПМ) может осуществляться разводка пучка ускоренных частиц на несколько мишеней;

-    Для контроля параметров пучка (E, I, ) применяют датчики ( ) и систему стабилизации (Стаб).

Основными достоинствами ВВУ являются:

-     возможность ускорения на одном и том же ускорителе частиц с разной массой, разными величинами и знаком заряда;

-     пучок частиц может быть непрерывным и импульсным;

-     возможность изменения величины энергии ускоренных частиц.

В настоящее время ВВУ используются для ускорения электронов, протонов и ионов до энергий ~20-30  и применяются, главным образом, либо в прикладных областях ядерной физики, либо в качестве инжекторов для ускорителей на более высокие энергии. Благодаря своей экономичности, надежности, универсальности и относительно простому устройству, а также - возможности получения пучков большой мощности, эти ускорители имеют наибольшее распространение из всех типов ускорителей в области низких энергий.

1.1.2 Линейный ускоритель

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 (генератор Ван де Граафа), 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 резонансных ускорителях (рис.3) 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, ускоряющее поле высокой частоты с напряжением порядка сотен кВ 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 , скорость частицы  и частота ускоряющего поля f связаны соотношением:

Так как скорость частицы увеличивается при прохождении очередного ускоряющего промежутка, длины ускоряющих трубок также увеличиваются. После прохождения n ускоряющих промежутков частица приобретет кинетическую энергию:

В нерелятивистcком приближении скорость частицы:

и длина  соответствующей дрейфовой трубки возрастает пропорционально . Когда частица достигает релятивистских скоростей, длина трубок становится постоянной.

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 проходят около 80 000 ускоряющих промежутков. Этот ускоритель работал в режиме коллайдера, когда пучок электронов с энергией 50 ГэВ сталкивается с пучком позитронов такой же энергии.