22.3. Прискорювачі заряджених частинок

Вивчення характеристик елементарних частинок можливо лише при дослідженні взаємодії між ними і чим більші їх енергії тим більше достовірність одержаних результатів.Таким чином потрібно рзв'язати питання прискорення заряджених частинок у спеціальних установках які було названо прискорювачами заряджених частинок.

У прискорювачах заряджених частинок за рахунок роботи зовнішнього електричного поля створюються певні кінетичні енергії електронів, протонів, атомних ядер і іонів легких елементів. Прискорювачі поділяються на лінійні та циклічні . У перших - траєкторії частинок близькі до прямих ліній, а у других подібні до спіралей, що розкручуються. Електричне поле прискорювача може бути в залежності від типу прискорювача електростатичним, індукованим або змінним високочастотним полем.

Лінійні прискорювачі. У прискорювачі створюється електростатичне поле з різницею потенціалів U. При проходженні зарядженою частинкою із зарядом q цієї різниці потенціалів, поле виконує роботу A=qU, яка йде на створення кінетичної енергії . Таким чином на виході із прискорювача частинка буде мати швидкість . Електростатичне поле в прискорювачі утворюється високовольтним генератором Ван-де-Граафа (див.Мал.107), або високовольтним імпульсним генератором.

Генератор Ван - де - Граафа складається з порожньої, ізольованої від землі металічної кулі C та прорезиненої або шовкової стрічки L. Стрічка приводиться в рух двома шківами A та B. Електростатична машина E створює заряд, який стікає через щітку D на рухому стрічку. Заряд із стрічки через щітку K стікає на внутрішню поверхню 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 декількох метрів при різнойменних зарядах може дати різницю потенціалів величиною декількох мегавольт.

Імпульсний генератор складається з великого числа конденсаторів великої ємності. При паралельному з'єднанні, конденсатори заряджаються до напруги U , а потім вони з'єднуються послідовно (див.Мал.108). Така батарея з N послідовно з’єднаних конденсаторів створить напругу NU. У такий спосіб удається одержати напругу у прискорювачі до 15 мегавольт.

Лінійні резонансні прискорювачі. Значно більші енергії можна надати зарядженим частинкам у лінійних резонансних прискорювачах. У цих прискорювачах енергія частинок збільшується під впливом змінного електричного поля надвисокої частоти. Це поле змінюється синхронно (у резонанс) із рухом часток, що прискорюються. У США діє лінійний резонансний прискорювач електронів, який на шляху 3 км прискорює частинки до енергій ~ 22 ГэВ. При таких великих енергіях електронів, лінійні резонансні прискорювачі виявляються більш перспективними, чим циклічні. Інакше обстоїть справа у відношенні прискорювачів протонів і інших, більш важких часток.

Циклотрон. Прискорювач заряджених частинок, що складається з двох металічних дуантів А, С  двох половинок тонкостінної металічної циліндричної коробки, розділеної вузькою щілиною, називається циклотроном. Дуанти розміщені в плоскій камері K між полюсами сильного електромагніта так, що індукція поля B  площині основ дуантів. До них прикладена змінна напруга , 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. Траєкторії руху частинок в дуантах є частини кола, а при переході частинки з одного дуанта в другий радіус кола збільшується на величину

,

де V - швидкість виходу частинки з дуанта.

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).

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 еВ. Співударяння двох протонів у цих пучках, розігнаних до енергії 50 Гев, еквівалентно бомбардуванню нерухомої мішені з протонів пучком протонів, розігнаних до енергії ~ 5300 Гев.