63. Бетатрон

Бетатрон - це прискорювач індукційного типу, призначений для прискорення електронів. Його запропонував 1928 р. Р. Відерое і реалізував у 1940-1942 рр. американський фізик Д. Керст. Робота бетатрона дещо нагадує звичайний трансформатор. У трансформаторі змінний струм первинної обмотки зумовлює зміни магнітного потоку, що пронизує залізне осердя. Це, відповідно, приводить до виникнення вихрового електричного поля навколо осердя. Вихідний струм у трансформаторі тече по вторинній обмотці, розміщеній на магнітному осерді. Роль вторинної обмотки трансформатора в бетатроні відіграє пучок електронів, що рухається під дією вихрового поля в порожній камері,

Рис. 9.7. Принцип прискорення електронів індукованим електричним полем (а) та схема бетатрона (б). На рис. 9.7, б схематично зображено конструкцію бетатрона. Між полюсами магніту, що живиться змінним електричним струмом, поміщають кільцеву вакуумну камеру з діелектричного матеріалу. Камера має форму бублика. В ній створюють вакуум близько 10^-6 мм ртутного стовпчика і розміщують електронну пушку (інжектор), яка в потрібний момент може інжектувати електрони. У вакуумній камері є вихідне віконце для виведення прискорених електронів. У разі зростання в часі аксіально-симетричного магнітного поля електромагніту в проміжку між полюсами змінюється потік магнітної індукції

Ф= = π , (9.15) що проходить через контур L, який має форму кола з радіусом r₀. По цьому контурі рухатиметься електрон.Зміна потоку індукції породжує індукційне електричне поле: Тут L = 2 r₀ - стабільна колова орбіта; E_l - складова напруженості електричного поля на цю орбіту; B_n - середнє значенняіндукції магнітного поля, що пронизує площу π . Електрон, що потрапляє з інжектора в вакуумну камеру, перебуває під дією трьох сил:

а) з боку індукованого електричного поля (9.16) на електрон діятиме сила F_k = qE, яка надаватиме електрону прискорення qE/m(v). Завдяки роботі цієї m(v)сили електрон буде отримувати енергію; б) сила з боку магнітного поля B(t) на рухомий електрон F_n = -q[v • B];

в) під час руху електрона по криволінійній орбіті виникає відцентрова сила F_вц=(mv²/r) *(r/r) У разі одного обходу електрона вздовж замкнутої електричної силової лінії, що збігається з колом L = 2πr₀ , електрон отримує енергію ∆W = 2πr₀qE₁ . Енергія, яку отримує електрон у випадку n обертів, W = 2πr₀ • qE₁ • n . (9.17) У бетатроні можливі два види фокусування спектрального пучка: 1)аксіальне фокусування - збереження площини орбіти електрона в певній горизонтальній площині, 2) радіальне фокусування - утримання електронів на стабільній орбіті радіально. Обидва фокусування виконують шляхом вибору просторового розподілу напруженості магнітного поля в області рівноважної орбіти. Аксіальне фокусування в бетатроні автоматично забезпечене тим, що магнітне поле на периферії слабше, ніж у центрі. Внаслідок цього лінії індукції магнітного поля вигинаються від центра назовні, і поле набуває "бочкоподібного" вигляду. В такому полі через наявність радіальної складової B_r з'являється сила Лоренца F_л = -q[vB], що утримує орбіту електрона в середній площині. Радіальне фокусування також забезпечують просторовою неоднорідністю магнітного поля в радіальному напрямі. За допомогою бетатрона вдається прискорити електрони до енергії 100, 200 і навіть 315 МеВ. Подальшому зростанню енергії електронів заважає бетатронне випромінювання, що супроводжує рух електронів з прискоренням

Електрони, прискорені в бетатроні, можна використовувати для отримання жорсткого гальмівного у -випромінювання. Для цього вони в кінці прискорення надходять на гальмівну мішень, розміщену в прискорювальній камері.

65. Синхротрон. Фазотрон. Синхрофазотрон - прискорювач заряджених частинок, що є гібридом між синхротроном і фазотроном. Якщо в синхротроні для прискорення ультрарелятивістських частинок магнітне поле збільшують таким чином, щоб воно відповідало зміні енергії, а в фазотроні для цієї мети застосовують збільшення частоти зміни електричного поля в ділянках прискорення, то в синхрофазотроні використовують обидва методи. Синхрофазотрони застосовують для прискорення важких заряджених частинок до енергій понад 1 ГеВ. Сучасні синхрофазотрони мають великі розміри, понад кілометр. Вони складаються із секцій магнітів, в яких частинки завертаються і проміжків прямолінійного руху із камерами, в яких відбувається прискорення. На використанні явища автофазування ґрунтується принцип дії синхротрона, фазотрона, синхрофазотрона, а також сучасних лінійних прискорювачів релятивістських заряджених частинок. (9.25) де W = mc² - повна енергія частинки. Синхротрон - це кільцевий (циклічний) резонансний прискорювач електронів з фіксованою орбітою їхнього обертання і сталою частотою прискорювального електричного поля, проте з керівним магнітним полем, яке адіабатично наростає. Синхротрон суміщає в собі дію бетатрона іциклотрона. Умову синхронного прискорення (9.25) можна реалізувати і за B = const, якщо зі збільшенням енергії W частинки зменшувати частоту прискорювального поля відповідно до (9.25). Інакше кажучи, з повільним зменшенням частоти прискорювального електричного поля енергія W прискорюваної частинки буде зростати, і виконуватиметься умова (9.25). На цьому принципі побудована робота фазотрона. Фазотрон - це видозмінений циклотрон зі всіма його особливостями. Спроби отримати всі переваги і синхротрона, і фазотрона привели до створення синхрофазотрона. Це кільцевий резонансний прискорювач з фіксованою орбітою частинки. В ньому повільно (адіабатично) зростає в часі керівне магнітне поле й одночасно, узгоджено, зменшується частота прискорювального електричного поля. Частинки (протони) надвисоких енергій, які використовують у ядерній фізиці сьогодні, отримують за допомогою синхрофазотронів. Розглянемо принципову схему синхрофазотрона (рис. 9.10).

Рис. 9.10. Схема будови синхрофазотрона. Електромагніт створює магнітне поле у вузькій кільцевій області, де розміщена вакуумна камера прискорювача з подвійними стінками. Електромагніт прискорювача не є замкненим, а складається з чотирьох квадрантів, розділених прямолінійними проміжками. Відповідно, і орбіта протонів не є коловою, а комбінованою. У прискорювальній камері підтримують вакуум (3-5) • 10^-6 мм. рт. ст. Протони, що надходять у синхрофазотрон, попередньо зазнають прискорення в каскадному генераторі до 600 кеВ, потім у лінійному прискорювачі до енергії 9 МеВ. Згодом пучок протонів проходить складну поворотно-фокусувальну систему, розміщену в одній з прямолінійних ділянок, і потрапляє в вакуумну камеру прискорювача, коли магнітне поле в ній досягає 1,5 • 10^-2 Тл. Протони зазнають захоплення і починають рух по коловій орбіті сталого радіуса:r=mv/qB=(1/q)*p(t)/B(t). (9.26) Це настає, якщо B(t) зростає пропорційно до імпульсу р-частинки. За один оберт протон отримує невелику енергію (~ 2 200 еВ). Проте за час зростання поля до Bmax = 13 Тл частинки зроблять близько 4,5 • 10⁶ обертів. За час прискорення t = 3,3 с протон проходить шлях довжиною 9 • 10⁵км. Максимальна енергія протонів на кінець прискорення досягає 10 ГеВ. Найперспективніший шлях підвищення енергії полягає в створенні двокаскадних прискорювачів. Перший каскад - звичайний прискорювач, який надає частинкам енергії 5-7 МеВ. З його виходу частинки надходять на другий ступінь, у якому можуть досягати енергії до 300-500 ГеВ.

66.Лінійний прискорювач — установка для прискорення заряджених мікрочастинок, в якій траєкторія руху частинки близька до прямої лінії. На відміну від циклічних прискорювачів, пучок заряджених частинок проходить відрізок прискорення лише один раз. Пристрій створює іонізуюче випромінювання з високою проникною здатністю (енергія 20 МеВ та більше).

Цей метод прискорення частинок був відкритий у 1928 році норвезьким фізиком Рольфом Відерое Лінійні прискорювачі можна поділити на дві категорії: лінійний прискорювач прямої дії та власне лінійний прискорювач. Найвідомішим прискорювачем прямої дії є електростатичний генератор Ван де Граафа. В ньому частинки або іониядер прискорюються безпосередньо за рахунок одно- чи дворазового проходження різниці потенціалів, що досягає 20 млн вольт. Однак, в таких прискорювачах важко забезпечити енергію частинок понад 40-50 МеВ для протонів. Тому для досягнення ще більших енергій використовуються власне лінійні прискорювачі.

Принцип дії В лінійних прискорювачах частинка багатократно прискорюється, пролітаючи через ряд циліндричних трубок, приєднаних до електричного генератора високої частоти. Для цього зазвичай використовуються радіочастотні генератори. Пучок частинок рухається вздовж осі трубок. Всередині кожної трубки електричне поле дорівнює нулю. Сусідні трубки мають протилежну полярність. Таким чином, прискорювальне поле знаходиться в проміжках між трубками. Частота генератора і розміри трубок підбираються так, аби прискорювані частинки підлітали до наступного проміжку в той момент, коли полярність трубок міняється на протилежну. Довжина рубки l, швидкість частинки v та період високочастотного поля T пов'язані між собою співвідношенням l = vT/2.В лінійних прискорювачах частинки можуть прискорюватись також за допомогою електромагнітної хвилі, що поширюється всередині циліндричних порожнин (прискорювачі біжучої хвилі).Для досягнення більших енергій доводиться будувати лінійні прискорювачі більшої довжини. Найбільший лінійний прискорювач був споруджений в Стенфорді, США. Він працював в період з 1989—1998 рр., мав довжину близько 3 км і прискорював як електрони, так і позитрони до енергії 50 ГеВ. Для досягнення такої енергії частинки проходять крізь близько 80 000 актів прискорення. Цей прискорювач працював в режимі колайдера, коли пучок електронів з енергією 50 ГеВ стикався з пучком позитронів з такою ж енергією.