Глава 1

ОБЗОР ДЕЙСТВУЮЩИХ И РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

Исследований

Ниже приведен обзор действующих и разрабатываемых ускорителей заряженных частиц на высокие энергии. Ими являются как циклические, так и линейные ускорители. Большинство из рассмотренных установок является коллайдерами (столкновителями). Для исследования различных видов фундаментальных взаимодействий создаются «симметричные» коллайдеры, в которых обеспечивается столкновение частиц одного типа – протон-протонные, электрон-позитронные, и «несимметричные» коллайдеры, в которых взаимодействуют частицы различных типов, обладающие различными энергиями.

Ключевым параметром каждого коллайдера (циклического либо линейного), наряду с энергией в центре масс, является светимость:

. (1.1)

Здесь f_повт – частота повторения импульсов ускорителя, n_сг – число сгустков в импульсе, N_сг – заряд сгустка, _x и _y – горизонтальный и вертикальный размер пучка в точке встречи. Светимость существенно ограничена мощностью электропитания P_пит, потребляемой из сети, полным коэффициентом полезного действия  преобразования P_пит в мощность пучка, потерями энергии _п из-за потерь пучка в месте встречи (beamssrahlung) и нормализованного вертикального эмиттанса _y:

. (1.2)

Потребление мощности из сети должно оставаться в разумных пределах, потери энергии пучка в месте встречи ограничены несколькими процентами, для того чтобы поддержать хорошее разрешение по энергии и малую остаточную активность в экспериментальной зоне. Таким образом, свободными параметрами, которые могут повысить светимость, являются КПД и эмиттанс. Это справедливо для циклических и линейных машин. Оптимизации этих параметров уделяется значительное внимание.

Сделанный обзор не претендует на полноту, рассмотрены лишь некоторые ускорители с уникальными параметрами, его основной задачей является показ важнейших тенденций создания современных ускорителей для фундаментальных исследований и важной роли, которую играет разработка эффективных ускоряющих структур для таких машин.

1. . Циклические коллайдеры

1. Протон-протонные коллайдеры

В настоящее время крупнейшим создаваемым коллайдером протонов является ускоритель LHC (Large Hadron Collider). Эта установка сооружается в CERN усилиями ряда стран, включая и Россию. Физический запуск коллайдера намечен на 2005 г. Ниже приведены параметры установки:

Конечная энергия пучка, ТэВ 7

Энергия инжекции, ТэВ 0,45

Длина кольца, м 26658

Поле в дипольных магнитах, Тл 8,33

Светимость, см^-2с^-1 10³⁴

Время жизни накопленного пучка, ч 10

Число протонов в сгустке 1,110¹¹

Число сгустков в ускоряемом пучке 2808

Номинальное разделение сгустков, нс 25

Средний ток пучка, А 0,56

Нормированный эмиттанс, мк 3,75

Размер пучка в точке встречи пучков, мк 15,9

Внутренний диаметр обмотки магнита, мм 56

Потери энергии на оборот, кэВ 6,7

Мощность излучения пучка, кВт 3,8

Энергия, запасенная в пучке, МДж 350

Энергия, запасенная в магнитах, ГДж 11

ВЧ система работает на частоте 400,8 МГц. Ускоряющее напряжение составляет 16 МВ на пучок, что обеспечивает ускорение и сохранение сгруппированного пучка. Высокое значение тока пучка потребовало выбора в качестве ускоряющих структур медных резонаторов с ниобиевым напылением, работающих в сверхпроводящем режиме. Шестнадцать резонаторов, содержащих по одной ячейке и имеющих большую апертуру, собраны в четыре модуля, по два на каждый пучок. Набор энергии в каждом резонаторе составляет 2 МВ. Питание резонаторов осуществляется от клистронов мощностью 330 кВт каждый. Для компенсации погрешностей инжекции предполагается установить дополнительную ВЧ систему, работающую на частоте 200,4 МГц и обеспечивающую демпфирование колебаний.

В России осуществляется разработка Ускорительно-накопительного комплекса (УНК), которая начата в 1983 г. Первоначально предполагалось создание двух ускорителей в одном тоннеле. Первый должен обеспечивать ускорение частиц с 70 до 400 ГэВ, второй, со сверхпроводящими магнитами, должен увеличивать энергию пучка до 3000 ГэВ. Пучки с энергией 400 и 3000 ГэВ сталкиваются в месте встречи, обеспечивая энергию взаимодействия в системе центра масс 2200 ГэВ.

Из-за финансовых проблем сооружение сверхпроводящей части комплекса приостановлено. В настоящее время ведутся работы по созданию ускорителя на энергию 600 ГэВ (УНК-600) с выводом пучка на неподвижную мишень. Ниже приведены основные параметры ускорителя УНК-600:

Конечная энергия, ГэВ 600

Энергия инжекции, ГэВ 65

Длина кольца, м 20772

Поле в дипольных магнитах, Тл 1

Время ускорения, с 20

Номер гармоники частоты обращения 13860

Частота ускоряющего поля, МГц 200

Полное ускоряющее напряжение, МВ 7

Число частиц в сгустке 610¹⁴

Средний ток пучка, А 1,4

ВЧ система УНК-600 состоит из 8 независимых ускоряющих блоков. Каждый блок включает два резонатора, подключенных к выходным плечам квадратурного моста, и источника ВЧ мощности, установленного вне тоннеля ускорителя. Каждый источник обеспечивает выходную мощность 800 кВт в непрерывном режиме посредством суммирования мощности четырех тетродных усилителей с помощью мостовых устройств.