Ускорители

Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители.

Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, интенсивностью, пространственными размерами и т. д.). Для ряда экспериментов необходим пучок, так называемых, поляризованных частиц, т. е. частиц, спины которых направлены определенным образом относительно их импульса. В ускорителях, предназначенных для изучения частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны).

Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить. Есть ускорители более тяжелых

частиц – дейтронов (ядер дейтерия 12 Н), α-частиц

(42 Не), а также ионов других ядер, в том числе и

тяжёлых, таких как свинец. Современные ускорители высокой энергии имеют системы генерации пучков вторичных частиц — каонов

( K +K −), пионов (π± ), мюонов (μ± ), нейтрино (ν ),

антинейтрино (ν ) и др.

В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы.

Ускорители

E =(mi -m1-m2)(mi +m1+m2) c2

порог 2m2

Епорог=E1+E2

Полученные на ускорителе пучки направляются на неподвижную мишень (верхний рисунок). Характер взаимодействия частиц определяется энергией столкновения частиц не в лабораторной системе отсчёта, а в системе центра инерции. Происходит это потому, что налетающая частица вносит в систему наряду с энергией и определенный импульс. Поэтому при столкновении сильно релятивистской частицы с покоящейся в лабораторной системе частицей основная часть энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. В связи с этим была выдвинута и реализована идея встречных пучков — столкновение двух пучков частиц, движущихся навстречу друг другу с одинаковыми энергиями и импульсами (нижний рисунок).

Каскадныйгенератор

Первый ускоритель прямого действия — каскадный генератор на энергию 700 кэВ — был создан в 1931 г. в Англии Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. Принцип работы каскадного генератора поясняет рисунок.

При нижнем положении ключей К1 и К2, показанном сплошной линией, конденсаторы С1 и С2 заряжаются до напряжения источника. При переключении ключей К1 и К2 в верхнее положение К1' и К2' происходит заряд конденсатора С3, что повышает разность потенциалов между точками А и В. При нескольких последовательных переключениях ключей К1 и К2 напряжение между точками А и В удваивается. Увеличивая число конденсаторных ячеек можно утроить, учетверить и т.д. напряжение Увеличение разности потенциалов каскадного генератора ограничено пробойным напряжением изоляторов.

Каскадныйгенератор

Нобелевская премия по физике

1951 г. – Дж. Кокрофт и Э. Уолтон

За пионерскую работу по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц.

ГенераторВандеГраафа

Основная проблема при создании высоковольтных ускорителей заключается в том, как обеспечить между двумя электродами высокую разность потенциалов и избежать при этом электрического пробоя изолятора, разделяющего электроды. Для этого электроды выполняются в виде огромных шаров, что обеспечивает минимальную утечку заряда с поверхности. Для того, чтобы получить высокую разность потенциалов, используется принцип электростатической машины. Внутри колонны из изолятора протянута широкая лента из непроводящего материала (резина, шелк). В верхней и нижней частях установки расположены гребенки с металлическими остриями, которые соприкасаются с лентой. Нижняя гребенка соединена с выпрямителем, дающим напряжение несколько тысяч вольт, верхняя — с внутренней поверхностью металлической сферы. При вращении ленты заряд переносится с нижней гребенки вверх и заряжает металлическую сферу. Частица, имеющая заряд Ze, приобретает в таком ускорителе кинетическую энергию T = ZeV. Существенным преимуществом

ускорителей прямого действия является непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка (≈ 0.01%).

Ток пучка на ускорителях Ван-де-Граафа может достигать нескольких миллиампер. Однако, в таких ускорителях трудно обеспечить энергию частиц больше 40–50 МэВ для протонов.