Циклотрон

В 1930 году Э. Лоуренс (США) построил первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). Помимо протонов он позволял получать дейтроны с энергией до 6 МэВ. Схема устройства циклотрона показана на рисунке. Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) ускоряются в циклотроне переменным ускоряющим полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном однородном магнитном поле напряженности B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой

= mvc R ZeB .

1 – источник тяжелых заряженных частиц;

2 – орбита ускоряемой частицы;

3 – ускоряющие электроды (дуанты);

4 – генератор ускоряющего поля. Однородное магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Циклотрон

В циклотроне для нерелятивистской (γ ≈1) частицы период обращения Т

Т = 2πvR = 2ZeBπmc

не зависит от энергии частицы. Частицы попадают из инжектора в ускорительную камеру вблизи её центра и начинают вращаться по орбите малого радиуса. В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем при каждом прохождении ускоряющего зазора между дуантами, энергию и радиус орбиты доводят до максимально возможных значений. На последнем витке спирали отклоняющее электрическое поле выводит пучок ускоренных частиц наружу.

Циклотрон

Ernest Orlando Lawrence

(1901-1958)

Нобелевская премия по физике

1939 г. – Э. Лоуренс

За изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные на нем в особенности связанные с искусственными радиоактивными элементами.

Бетатрон

Первый циклический ускоритель электронов бетатрон был построен в 1940 г. Д. Керстом. Бетатрон — это индукционный ускоритель, в котором энергия электронов увеличивается за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным потоком, направленным перпендикулярно к плоскости орбиты частиц. Электроны двигаются по круговой орбите постоянного радиуса в нарастающем во времени по синусоидальному закону магнитном поле. Удержание электронов на орбите постоянного радиуса обеспечивается определенным образом подобранным соотношением между величинами магнитного поля на орбите и внутри неё. Для устойчивого движения электрона по круговой орбите необходимо чтобы магнитное поле H убывало по мере

1

увеличения расстояния r от центра по закону H rn (n <1). На электрон, вращающийся на равновесной орбите r0 действует

направленная к центру орбиты, и центробежная сила

mv2 Fцб r ,

направленная от центра орбиты. Поэтому радиальная устойчивость будет осуществляться лишь при n <1, т.е. в

случае, когда магнитное поле убывает с расстоянием медленнее, чем центробежная сила. Обычно выбирают n = 0,6 ÷0,7 .