Бетатрон
Рабочим циклом является первая (нарастающая) четверть периода магнитного поля. В конце неё (когда дальнейшее ускорение становится невозможным) электроны обычно направляются на специальную металлическую мишень, расположенную внутри камеры. Торможение электронов в этой мишени (называемой тормозной) приводит к возникновению электромагнитного тормозного излучения, максимальная
энергия которого Еγмакс равна кинетической энергии Ее электронов в конце ускорения: Еγмакс = Ee . Тормозные
фотоны летят в направлении движения первичных электронов в узком конусе. Их энергетический спектр
непрерывен, причем, чем меньше энергия фотонов Eγ , тем их больше в тормозном спектре Nγ . Характерная
форма тормозного спектра γ-излучения показана на
рисунке.
Формирование высокоэнергичного электромагнитного γ−излучения торможением высокоэнергичных электронов в мишени − наиболее простой и эффективный способ создания пучков γ−квантов высокой энергии для
экспериментов в области ядерной физики и физики частиц. Бетатроны преимущественно используются как источники тормозного излучения.
Пример
При вращении в магнитном поле с индукцией B электрон излучает электромагнитную энергию (магнитнотормозное или синхротронное излучение). Интенсивность излучения такова, что за один оборот электрон теряет энергию
E =3 10−5 E 2 B, |
(*) |
e |
|
Ee — энергия электронов, |
|
Ee и E — в ГэВ, B — в Тл. |
|
Частота излучаемых квантов в среднем составляет
ωγ ≈1018 Ee2 B, с−1.
При каких значениях Ee потери на синхротронное
излучение за оборот составляют 10% от первоначальной энергии электронов?
Сколько γ -квантов излучается при этом?
Из выражения (*) получаем отношение E / E =3 10−5 |
E B. |
|||||||||||
Возьмем значение B =1 Тл, |
E / Ee |
=1/10. |
|
e |
|
e |
||||||
|
Тогда |
|
|
|||||||||
E =3,3 103 |
ГэВ=3,3 ТэВ, а потери энергии электронами за |
|||||||||||
e |
= 330 ГэВ. Число γ -квантов, излучаемых за |
|||||||||||
оборот E |
||||||||||||
оборот |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nγ = |
E |
= |
E |
= |
|
E |
|
= |
|
|
|
|
E |
ω |
1018 E 2 B |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
γ |
|
γ |
|
|
e |
|
|
|
|
= |
|
|
|
3,3 1011 эВ |
|
|
|
|
= |
|||
6,6 10−28 эВ с×1018 |
эВ2 / ГэВ2 ×(3,3 103 |
ГэВ)2 ×1 Тл |
||||||||||
=5 1013 γ-квантов.
Линейныеускорители
l = 12 vT
l – длина трубки
v – скорость частицы T – период ВЧ-поля U
Линейныеускорители
В линейных ускорителях частица подвергается многократному ускорению, пролетая сквозь ряд цилиндрических трубок, присоединенных к электрическому генератору высокой частоты (используют радиочастотные генераторы). Пучок частиц направлен вдоль оси трубок. Внутри каждой трубки электрическое поле равно нулю. Соседние трубки имеют противоположную полярность. 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 ускоряющее поле имеет нужную величину и полярность. Длина трубки l, скорость частицы v и период высокочастотного поля T связаны соотношением
l = 12 vT
Так как скорость частицы увеличивается при прохождении очередного ускоряющего промежутка, длины ускоряющих трубок также должны соответственно возрастать. Линейные ускорители на большие энергии строят в основном для электронов, так как при энергиях от нескольких ГэВ и выше ускорение электронов в циклических ускорителях крайне затрудняется потерями на синхротронное излучение, которое возникает при движении частицы по криволинейной траектории.
Для достижения высоких энергий строят линейные ускорители большой длины. Линейный ускоритель SLAC (США) имеет длину около 3 км и ускоряет электроны и позитроны до энергии 50 ГэВ. Для достижения такой энергии частицы проходят около 80 000 ускоряющих промежутков. Ускоритель работает в режиме коллайдера: пучок электронов с энергией 50 ГэВ сталкивается с пучком позитронов такой же энергии.