3. Ускорители элементарных частиц

Единственный способ изучения ядер и элементарных частиц состоит в осуществлении столкновений одних частиц с другими и регистрации последствий столкновений. При осуществлении столкновений более тяжелые частицы обычно покоятся и называются частицами мишени, а более легкие налетают на них в виде пучка ускоренных частиц.

Для ускорения заряженных частиц используется очень сложные установки, называемые ускорителями. Процесс ускорения заряженных частиц осуществляется с помощью электрических и магнитных полей.

Ускорители бывают: линейными, в которых частицы движутся по прямолинейной траектории и скорость частицы увеличивается на каждом последовательно расположенных ускоряющих промежутках (резонаторов); циклическими, в которых частица не проходит длинный ряд ускоряющих резонаторов, а многократно периодически возвращается к одним и тем же ускоряющим промежуткам.

Рассмотрим более подробно циклические ускорители.

3.1. Циклотрон.

Первый циклический ускоритель был построен в 1930 г Лоуренсом и назван циклотроном. Чтобы понять идеи циклотрона необходимо вспомнить, что в однородном постоянном магнитном поле заряженная частица, если ее скорость перпендикулярна к , равномерно вращается по окружности с цикличной частотой

т.е. с периодом обращения T=2Π/ . Существенно, что при движении период T не зависит от скорости движения частицы. Это и исследуется в циклотроне. Циклотрон представляет собой сплющенную цилиндрическую металлическую коробку, в которой вдоль диаметра имеется прорезь, разделяющая коробку на две части D₁ и D₂, называемые дуантами. Коробка помещается в постоянное однородное магнитное поле между противолежащими полюсами магнита (электромагнита).

Между дуантами D₁ и D₂ прикладывается электрическое напряжение от высокочастотного генератора с частотой . Источником ионов (положительных) служит небольшая дуга, горящая в центре циклотрона (S) между накаленным катодом и стенкой полости, служащей анодом.

Непрерывной откачкой в дуантах поддерживается давление в 10^-4-10^-5 мм.рт.ст. Положительный ион, выйдя из дуги, движется в электрическом поле зазора к отрицательному дуанту и набирает энергию. Внутри дуанта он движется равномерно, описывая полуокружность. Через промежуток времени T/2 он подходит к зазору между дуантами с противоположной стороны от центра. К этому моменту электрическое поле меняет направление на противоположное, так что ион снова попадает в ускоряющее поле и снова ускоряется. После этого в течение того же промежутка времени T/2 тон с приобретенной скоростью равномерно движется по полуокружности уже во втором дуанте. Он снова попадет к зазору между дуантами, когда ион изменит направление и снова будет ускоряться. И так продолжается дальше. Ион движется по раскручивающейся спирали, периодически получая ускорение через время T/2. На последнем ветке спирали включается электрическое поле, выводящее ион наружу.

Существенный недостаток циклотрона состоит в том, что он позволяет ускорять частицы только до нерелятивистских энергий. Лишь в том случае имеет место синхронизм колебаний электрического поля между дуантами с обращением частицы по окружности. При релятивистских движениях формулы сохраняется, но под m следует понимать не массу ионов, а релятивистскую массу частицы. Релятивистская же масс, а с ней и период обращения частицы T возрастают по мере ускорения частицы, что приводит к нарушению синхронизма. Ускоряет тяжелые частицы до энергии ≈ 25MэВ.

3.2. Фазотрон (синхроциклотрон)

Он позволяет ускорять частицы и до релятивистских энергий. он отличается от циклотрона тем, что в нем для ускорения применяются электрические поля медленно меняющейся частоты, так что частота поля равно частоте обращения частицы, которая уменьшается из-за релятивистского увеличения массы. Такое поле ускоряет частицу на каждом ветке пути несмотря на релятивистское изменение массы. Эти ускорители используются для ускорения тяжелых частиц – протонов, дейтронов, α-частиц. Они ускоряют частицы до энергии 1ГэВ.