Ускорение частиц до больших энергий

Вциклотронах можно ускорять протоны, дейтроны, альфа-частицы, а также тяжелые многозарядные ионы до энергий, составляющих несколько про- центов от энергии покоя. Дальнейшему увеличе- нию энергии препятствует релятивистское возрас- тание массы, из-за чего нарушается синхронизм между частотой ускоряющего поля и циклотронной частотой.

Для сохранения синхронизма в ускорителе надо из- менять либо частоту ускоряющего поля (ускори- тель называется "фазотрон"), либо индукцию маг- нитного поля (такой ускоритель называется "син- хротрон"), либо делать и то и другое (ускоритель называется "синхрофазотрон").

Фазотрон

Для поддержания синхронизма в фазотроне изменя- ют частоту генератора от значения ω0 в начале

Поэтому максимальная энергия, до которой может быть ускорена частица на фазотроне определяет- ся размерами вакуумной камеры, в которой уско- ряются частицы, и диаметром магнита, между по- люсами которого эта камера расположена.

Фазотрон на 680 Мэв (Дубна)

Синхротрон

Всинхротронах в процессе уско- рения увеличивают индукцию магнитного поля B, за счет чего поддерживается постоянное от- ношение B/m. При этом радиус траектории ускоряемой частицы также остается постоянным, что

позволяет сделать вакуумную камеру в виде кольца, а магнит- ное поле - в виде дорожки вдоль этого кольца.

Синхротроны чаще всего исполь- зуют для ускорения электронов до энергии 5 - 10 ГэВ.

Линейный ускоритель

Цилиндрические полые электроды, расположенные вдоль оси, присоединены к генератору переменно- го тока высокой частоты, причем четные электро- ды присоединены к одному полюсу генератора, а нечетные - к другому. Электрическое поле между электродами ускоряет попадающие в зазор части- цы, их энергия увеличивается на величину qU.

Схема линейного ускорителя

Внутри цилиндрического электрода поля нет, и час- тицы движутся по инерции. За время их пролета внутри цилиндра полярность электродов меняет- ся, и на выходе из электрода частицы снова попа- дают в ускоряющее поле, и т.д. Т.к. скорость час- тиц растет, то для синхронизма длина трубок дол- жна увеличиваться с удалением от источника.

Т.к. в линейном ускорителе частицы двигаются по прямой линии, потери на излучение почти отсутст- вуют. Благодаря этому на линейном ускорителе можно получить рекордно большие значения энер- гии электронов. Крупнейший ускоритель такого ти- па был построен в 1966 году в Стэнфорде (США). Он состоит из 900 секций, имеет длину 3200 м, и разгоняет электроны до 22 ГэВ, а после модерни- зации в 1989 году - до 50 ГэВ.

Для тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов) линейные ускорители используются как вспомога- тельные предварительные ускорители; они назы- ваются инжекторами. С их помощью производят впуск (инжекцию) частиц в наиболее мощные уско- рители - синхрофазотроны.

Линейный ускоритель протонов ИЯИ РАН.

Начальная (до 100 Мэв) часть ускорителя.

Линейный ускоритель протонов ИЯИ РАН. Основная (100-600 Мэв) часть ускорителя.

Синхрофазотрон

Синхрофазотроны используют для ускорения прото- нов, которые проходят несколько этапов ускоре- ния: форинжектор (высоковольтный ускоритель до 1 МэВ), инжектор (линейный ускоритель до 200 МэВ), и, наконец, кольцевая камера синхрофазо- трона, в которой для сохранения синхронизма ме- жду циклотронной частотой протона и частотой ус- коряющего поля на протяжении одного цикла уско- рения изменяют как индукцию магнитного поля, так и частоту ускоряющего поля.

В1967 году в Серпухове (Московская область) был построен синхрофазотрон, который 8 лет был са-

мым мощным ускорителем в мире. Параметры ны- нешних ускорителей приведены ниже.