11.11. Прискорювачі елементарних частинок

За формою траєкторії прискорюваних частинок прискорювачі поділяються на дві групи: лінійні та циклічні. У перших - траєкторії близькі до прямих, а у других вони можуть бути близькими до кола або спіралей, що розкручуються.

11.11.1. Лінійні прискорювачі.

В лінійних прискорювачах напруга створюється або високовольтним генератором Ван - де - Граафа, або високовольтним імпульсним генератором. Генератор Ван - де - Граафа складається з порожньої, ізольованої від землі металічної кулі та прорезиненої або шовкової стрічки. Стрічка приводиться в рух двома шківами. Електростатична машина створює заряд, який стікає через щітку на рухому стрічку. Заряд із стрічки також через щітку стікає в середину кулі і переходить на її зовнішню поверхню. Заряд і потенціал кулі збільшуються до тих пір поки вони не стануть рівними тим, при яких, в оточуючому кулю просторі, не станеться електричний пробій. Пара таких генераторів із кулями радіусами в декілька метрів при різнойменних зарядах може дати різницю потенціалів у декілька мегавольт. Імпульсний генератор утворюється послідовним з'єднанням N заряджених конденсаторів із різницею потенціалів . При цьому батарея конденсаторів дає напругу U=N.

11.11.2. Циклотрон.

Прискорювач заряджених частинок, що складається з двох металічних дуантів M i N  двох половинок тонкостінної металічної циліндричної коробки, розділеної вузькою щілиною D, називається циклотроном (див.Мал.121). Дуанти розміщені в плоскій вакуумній камері камері А між полюсами сильного електромагніта так, що індукція поля  площині основ дуантів. До них прикладена змінна напруга U, яка створює в щілині прискорююче електричне поле. Шляхом багаторазового проходження частинкою прискорюючого поля при обертовому русі в сильному магнітному полі, її енергія може стати досить значною. При одному оберті частинки, вона кожного разу при виході з дуанту потрапляє в прискорююче електричне поле. Це досягається тим, що період змінної напруги Т₀ дорівнює періоду Т обертання частинки (синфазність)

Т=Т₀, .

При досягненні певної швидкості, релятивістська маса частинки почне збільшувати період обертання Т, що приведе до запізнення входу частинки в прискорююче поле і з часом поле дуантів стане гальмувати рух частинки. Теоретично показано, що набута гранична енергія частинки в циклотроні не перевищує

,

де U₀ - амплітуда прискорюючого електричного поля, маса спокою частинки.

11.11.3. Синхрофазотрон.

Якщо проводиться синхронізація величини індукції магнітного поля В і частоти прискорюючого електричного поля для врахування зміни релятивістської маси частинки , то такий циклічний прискорювач називається синхрофазотроном. При цьому період Т залишається сталим, а енергії прискорених частинок досягають сотень ГеВ (1ГеВ = 10⁹ еВ).

11.11.4. Колайдери.

В таких прискорювачах реалізується зіткнення двох зустрічних пучків. При цьому уся енергія частинок, що співударяються, переходить у внутрішню енергію системи. Для збільшення ймовірності співударяння, в колайдерах використовують накопичувачі, у яких збираються разом частинки, прискорені у звичайних циклічних прискорювачах. У колайдерах енергії прискорених частинок сягають : співударяння двох протонів у цих пучках, розігнаних до енергії 50 Гев, еквівалентно бомбардуванню нерухомої мішені з протонів пучком протонів, розігнаних до енергії ~ 5300 Гев.