Высоковольтный ускоритель – ускоритель, в котором ускоряющее электрическое поле создается большой разностью потенциалов между электродами ускоряющего промежутка и существует в течение интервала времени, значительно большего времени пролета частицами всего пути ускорения. В основе данного типа ускорителей лежит ускорение заряженных частиц в постоянном или практически не изменяющемся во времени электрическом поле:

F = zeE, W = Fd = zeEd

Ускорители трансформаторного типа. К данному типу ускорителей относятся высоковольтные ускорители импульсного и непрерывного действия.

В ускорителях трансформаторного типа источниками высокого напряжения служат обычные повышающие трансформаторы. На первичную обмотку напряжение подается либо из промышлен-

ной сети, либо с преобразователя частоты переменного напряжения. Высокое напряжение с вторичной обмотки трансформатора подается на ускоряющее устройство или непосредственно, или после предварительного выпрямления.

Каскадные ускорители. Идея получения высокого напряжения в данном типе высоковольтных ускорителей заключается в использовании электрических схем (каскадов) удвоения напряжения. Существует несколько схем каскадных генераторов, среди которых наиболее известен генератор Кокрофта–Уолтона. В нем источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в постоянное высокое напряжение.

Электростатические ускорители. Эти ускорители называют еще ускорителями Ван-де-Граафа. Физическая идея, положенная в основу создания данного типа ускорителей, заключается в том, что используется зарядное устройство, напыляющее ионы на транспортную ленту. Лента транспортера из диэлектрического материала, закрепленная на двух валах, перемещается механически.

Тандемные ускорители. Для получения на высоковольтных ускорителях более высоких энергий предложены перезарядные

системы ускорителей, которые состоят из двух каскадов (танде-

мов) или даже трех и четырех каскадов. Повышение энергии, та-

ким образом, существенно проще, чем строительство высоковоль-тного ускорителя на двойную энергию. Для создания перезарядных ускорителей используются электростатические или каскадные ускорители. Физическая идея ускорителя заключается в том, чтобы использовать один высоковольтный электрод.

Основные характеристики высоковольтных ускорителей:

● используются для ускорения электронов, протонов и ионов;

● максимальная энергия пучка частиц составляет от единиц

МэВ до 15 МэВ;

● режим ускорения непрерывный или импульсный;

● энергетическое разрешение выведенного пучка составляет от 5% в ускорителях трансформаторного типа до 10^-4% в электростатических ускорителях;

● ток пучка составляет от сотен микроампер до ~10 А, а в сильноточных ускорителях до 106 А в импульсе.

3.2. Индукционные ускорители

У всех ранее рассмотренных высоковольтных ускорителей есть принципиальное ограничение сверху на энергию, до которой можно ускорить частицы, связанное с развитием электрического

пробоя. Обойти это ограничение и увеличить максимально достигаемые энергии по сравнению с высоковольтными ускорителями можно, используя не градиентные электрические поля Е = -grad U , а квазистатическое вихревое электрическое поле, связанное с изменением во времени магнитного поля, описываемого уравнением Максвелла…

Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется возрастающим во времени вихревым электрическим полем.

Линейный индукционный ускоритель (ЛИУ) – ускоритель, в котором, как и в бетатроне, используется индукционный принцип ускорения. Последовательность тороидальных ферримагнитных сердечников, из которых состоит индукционный ускоритель, может последовательно располагаться вдоль траектории любой формы. Обычно они располагаются вдоль прямой линии

(рис. 3.2.6). Ускорение осуществляется действующим вдоль траектории частицы квазистационарным электрическим полем.

Основные характеристики индукционных ускорителей:

● используются для ускорения электронов;

● максимальная энергия пучка частиц обычно составляет от 20

до 50 МэВ;

● режим ускорения импульсный с частотой промышленной се-

ти напряжения или кратная ей;

● ток пучка бетатронов составляет от 10-3 мкА до единиц мкА, а

в линейных сильноточных ускорителях до 102–104 А в импульсе.

Циклотрон – резонансный ускоритель тяжелых заряженных

частиц (протонов, ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени. В циклотроне ускорение пучка частиц происходит путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по спиральной траектории и много раз проходить один и тот же ускоряющий промежуток.

Поскольку ограничение энергии оказалось связанным с релятивистским изменением частоты обращения, можно сразу же указать на две возможные физические модификации циклотронной

схемы ускорения:

а) использовать магнитное поле, возрастающее с радиусом, чтобы поддержать частоту обращения постоянной, так как радиус орбиты растет с энергией;

б) менять частоту ускоряющего поля во времени, пропорционально изменению энергии частиц и искусственно поддерживая равенство частот ускоряющего электромагнитного поля и цикло-

тронной частоты.

Основные характеристики пучка частиц циклотронов:

· используется для ускорения протонов и ионов;

· энергия пучка частиц нерелятивистская, а ее максимальное значение лежит в пределах 10–60 МэВ;

· заряженные частицы данного типа ускоряются до фиксированной энергии;

· нергетическое разрешение выведенного пучка составляет1%;

· пучок имеет временную структуру, состоит из сгустков, частота следования которых кратна частоте ускоряющего электрического поля ~ 20–25 МГц;

· средний ток выведенного наружу пучка составляет ~100 мкА, внутреннего ~500 мкА.

Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель релятивистских заряженных частиц с постоянным во времени магнитным полем и переменной частотой электрического поля на ускоряющих промежутках.

Идея фазотрона была предложена В.И. Векслером после открытия им принципа автофазировки. Создание фазотрона позволило перейти от энергий 15–20 МэВ, достигаемых в классических

циклотронах, к энергиям 800–1000 МэВ. Фазотрон отличается от циклотрона тем, что ускорение осуществляется электрическим полем, частота которого изменяется в процессе ускорения. С ростом энергии, как видно из соотношениямасса частицы растет и частота обращения частицы уменьшается. Чтобы сохранить значение равновесной фазы, в которой заряженная частица проходит через ускоряющие промежутки между дуантами, должно выполняться равенствоω = ω.

Модификациями фазотрона являются:

· секторный фазотрон, в котором магнитная система состоит из секторов с различной напряженностью магнитного поля;

· кольцевой фазотрон – секторный фазотрон с положительным радиальным градиентом среднего по орбите магнитного поля, обеспечивающего удержание частиц в узкой кольцевой области;

· симметричный кольцевой фазотрон – кольцевой радиально-секторный фазотрон, приспособленный для одновременного встречного ускорения одинаковых частиц.

Фазотрон мало отличается от циклотрона. Магнитное поле постоянно во времени и обладает азимутальной симметрией, протоны и ионы начинают ускорение с нулевой энергии и движутся

по спиральной траектории, так же как в циклотроне, для ускорения используется система дуантов.