Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Ускорители заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц (далее У) — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создается внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

  У — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твердого тела. Все большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение У различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, для "бескровной хирургии" и в ряде др. отраслей.

  1. История развития ускорителей Толчком к развитию У послужили исследования строения ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале естественные источники заряженных частиц — радиоактивные элементы — были ограничены как по интенсивности, так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока a-частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.

  В начальный период (1919—32) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредственного ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, — расщепление ядра лития протонами.

  Период 1931—44 — время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при котором ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклические ускорители — циклотроны (Э. О. Лоуренс)вскоре обогнали в своем развитии электростатические ускорители. К концу периода на циклотронах была достигнута энергия протонов порядка 10—20 Мэв. Резонансное ускорение возможно и в линейных ускорителях Однако линейные резонансные ускорители не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик Д. У. Керст реализовал циклический индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идея которого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928).

  Разработка ускорителей современного типа началась с 1944, когда сов. физик В. И. Векслер и независимо от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных ускорителей — синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжелых заряженных частиц.

  В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. ученые Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных У В 1956 Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.

  Последующие два десятилетия можно назвать годами реализации этих идей и технического усовершенствования У Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные резонансные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен самый крупный для того времени синхрофазотрон — на энергию 10 Гэв. Через несколько лет в Швейцарии и США вступили в строй синхрофазотроны с сильной фокусировкой на 25—30 Гэв, а в 1967 в СССР под Серпуховом — синхрофазотрон на 76 Гэв, который в течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 в США был создан синхрофазотрон на 200—400 Гэв. В СССР и США разрабатываются проекты ускорителей на 1 000—5 000 Гэв.

  Современное развитие ускорителей идет как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиционные методы: исследуются возможности применения сверхпроводящих материалов (и соответствующей им техники низких температур) в и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры систем и энергетические расходы; расширяется область применения методов автоматического управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия во встречных пучках (см. Ускорители на встречных пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.

  . Классификация ускорителей

  У можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов.

  По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в которых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности (или спирали).

  По характеру ускоряющего поля У делят на резонансные ускорители, в которых ускорение производится переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в которых направление поля за время ускорения не изменяется. Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в которых электрическое ускоряющее поле создается за счет изменения поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в которых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.

  По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в которых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в которых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к некоторым типам циклических ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо терминов "однородная" и "знакопеременная" фокусировка пользуются терминами "слабая" и "сильная" ("жесткая") фокусировка.

  Резонансные циклические ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего — "ведущего" — поля и ускоряющего электрического поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведенная классификация (табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.
Табл. 1. — Классификация ускорителей заряженных частиц<

Тип траектории

Характер ускоряющего поля

поле

Частота ускоряющего поля

Фокусировка

Название

Ускоряемые частицы

Окружность или спираль

Циклические ускорители

Нерезонансный, индукционный

Переменное



Однородная

Бетатрон

Электроны

Резонансный

Постоянное

Постоянная

"

Циклотрон

Микротрон

Протоны (или ионы)

Электроны

"

"

Знакопеременная

Изохронный циклотрон

Секторный микротрон

Протоны

Электроны

"

Переменная

Однородная

Знакопеременная

Фазотрон

Секторный фазотрон

Протоны

Переменное

Постоянная

Однородная

Знакопеременная

Синхротрон слабофокусирующий

Синхротрон сильнофокусирующий

Электроны

"

Переменная

Однородная

Знакопеременная

Синхрофазотрон слабофокусирующий

Синхрофазотрон сильнофокусирующий

Протоны

Прямая

Линейные ускорители

Hepeзонансный, электростатический







Электростатический ускоритель, каскадный ускоритель

Протоны, электрон ны

Нерезонансный, индукционный







Линейный индукционный ускоритель

Электроны

Резонансный



Постоянная



Линейный резонансный ускоритель

Протоны, электро-i ны

  . Принцип действия резонансных ускорителей

  В резонансном ускорителе непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды частица все время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрическое поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная, частица все время попадает в одну и ту же фазу — равновесную фазу.

  В циклическом ускорителе период обращения Т частицы по орбите связан со средним радиусом <R> орбиты соотношением:

     (1)

(uскорость частицы). Средний радиус орбиты равен

     (2)

где Е = mc2полная релятивистская энергия частицы массы m, равная сумме энергии покоя частицы E0 = m0с2 и ее кинетической энергии (m0масса покоя частицы, с — скорость света), е — заряд частицы, <В>среднее значение индукции поля; поэтому период обращения связан с энергией частицы соотношением:

     (3)

  Для равновесной частицы период обращения равен или кратен периоду Ту ускоряющего поля. Фиксированным значениям периода обращения и индукции поля соответствуют вполне определенные равновесная энергия частицы и равновесный радиус ее орбиты. Равновесная частица набирает за оборот энергию eV0cos j0, где j0 — равновесная фаза, т. е. фаза поля, действующего на равновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a 0 — амплитуда напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетической энергии макс частица должна совершить = макс /eV0cosj0 оборотов. В циклических ускорителях длина пути, проходимого частицей, достигает десятков и сотен тысяч км. При столь большой длине пути для успешной работы ускорителя необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения: небольшие отклонения частицы по фазе, по энергии, по радиусу и по вертикали, а также небольшие начальные скорости в направлениях, перпендикулярных орбите, не должны приводить к сильному отклонению частицы от равновесной орбиты — частица должна совершать колебательное движение около равновесной частицы. Обеспечение устойчивости движения частицы в направлениях, перпендикулярных орбите (по радиусу и по вертикали), называется фокусировкой, а в направлении орбиты — фазировкой.

  В линейном ускорителе протонов (с ускоряющими зазорами) для равновесной частицы время пролета Т = L/u между соседними ускоряющими зазорами (L — расстояние между центрами зазоров, u — скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Ту = l/с, где l длина волны электромагнитного поля. Энергия макс  набирается при прохождении = макс /eV0cos j0 ускоряющих зазоров, что определяет требуемую длину ускорителя. Длины современных линейных ускорителей для протонов достигают сотен м. Поэтому и здесь вопрос устойчивости движения, т. е. обеспечения фокусировки и фазировки, является актуальным.

  Для того чтобы рассеяние на ядрах газа не приводило к сильному уходу частиц от равновесной траектории и их выпаданию из процесса ускорения, область вокруг равновесной траектории охватывается вакуумной камерой, в которой специальными насосами создается достаточно сильное разрежение.

  Фазировка в резонансных ускорителях обеспечивается механизмом автофазировки, обусловленным зависимостью промежутка времени между последующими ускорениями от энергии. В циклических ускорителях с однородной фокусировкой период обращения растет с увеличением энергии, т.к. в соотношении (1) средний радиус орбиты растет с возрастанием энергии быстрее, чем скорость частицы. В ускорителях со знакопеременной фокусировкой зависимость среднего радиуса орбиты от энергии значительно слабее; поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с ростом энергии (u растет быстрее, чем <R>), а при больших энергиях — увеличивается с ростом энергии (<R> растет быстрее, чем u, которая ограничена скоростью света). При периоде, растущем с энергией, устойчива правая фаза на рис. 1: если частица случайно попадет в фазу j1 > j0, она приобретет энергию меньше равновесной, поэтому ее период обращения станет меньше равновесного, частица отстанет по фазе и, следовательно; ее фаза приблизится к равновесной фазе j0. Если же период уменьшается с ростом энергии, то фаза j0 становится неустойчивой, а устойчивой будет симметричная ей фаза — j0. Как бы то ни было, если eV0 достаточно велико, всегда существуют устойчивая равновесная фаза и область близких к ней фаз (область захвата), в пределах которой частицы колеблются около равновесной. Прирост энергии равновесной частицы eV0cos j0 определяется условием резонанса: T = qTy, где q — целое число, называется кратностью частоты, или кратностью ускорения. Так, для циклического ускорителя энергия равновесной частицы

     (3`)

где wy = 2pучастота ускоряющего поля, так что для увеличения равновесной энергии нужно либо увеличивать поле (синхротрон), либо уменьшать частоту ускоряющего поля (фазотрон), либо изменять и то и другое (синхрофазотрон), либо, наконец, изменять кратность ускорения q (микротрон). Закон изменения поля, частоты и кратности ускорения и определяет значение фазы j0 для равновесной частицы; вследствие автофазировки равновесная частица набирает именно ту энергию, которая определяется соотношением (3`). В соответствии с энергией изменяется радиус равновесной орбиты, определяемый формулой (2).

  Для неравновесных частиц, находящихся внутри области захвата, прирост энергии происходит неравномерно, но в среднем они приобретают ту же энергию, что и равновесная частица. Эти частицы "захвачены" в режим ускорения. Частицы, сильно отличающиеся от равновесных по фазе или по энергии, вообще в среднем не будут приобретать энергии, т.к. будут попадать то в ускоряющее, то в замедляющее поле ("скользить по фазе ускоряющего напряжения").

  Аналогичный механизм фазировки имеет место и в линейных резонансных ускорителях с той разницей, что там всегда время прохождения расстояний между соседними зазорами уменьшается с ростом энергии, так что устойчивая равновесная фаза всегда равна — j0.

  Фокусировка частиц в ускорителях. В циклических ускорителях фокусировка достигается главным образом специальным подбором формы поля. Если бы поле было строго однородно, то при любом отклонении скорости частицы от плоскости орбиты ускоряемая частица уходила бы с равновесной орбиты в направлении оси (по вертикали z). Но если поле уменьшается с увеличением радиуса, то оно имеет "бочкообразную" форму (это связано с тем, что в отсутствии токов поле — безвихревое), благодаря чему сила , действующая на частицу, имеет составляющую z по направлению к плоскости равновесной орбиты (рис. 2).

  Изменение поля по радиусу принято характеризовать показателем спада поля . Т. о., для устойчивости движения в вертикальном (аксиальном) направлении необходимо выполнение условия n > 0, т. е. чтобы поле убывало с увеличением радиуса. Движение в радиальном направлении определяется соотношением между силой действия на частицу поля eBu/c и центростремительной силой mu2/R, соответствующей радиусу R. На равновесной орбите обе эти величины равны. Если частица с той же скоростью случайно оказалась на большем радиусе, то для обеспечения устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила действия поля на этом радиусе eBu/c была больше, чем mu2/R, т. е. чтобы поле уменьшалось медленее, чем 1/R. Тот же вывод получается, если рассмотреть случайное отклонение частицы в сторону меньших радиусов. Т. о., условие устойчивости в радиальном направлении налагает ограничение на скорость убывания поля: показатель спада поля n должен быть меньше 1 (n < 1). Для одновременной устойчивости в радиальном и вертикальном направлениях должно выполняться условие:

0 < n < 1.     (4)

  Можно показать, что силы фокусировки, действующие по радиусу и по вертикали, получаются при этом равными:

R = - (1-n) m w2DR,

Z = — n m×w2Dz,     (5)

где m — масса, w — угловая скорость обращения частицы, DR и Dz — отклонения частицы от равновесной орбиты по радиусу и по вертикали. Под действием этих фокусирующих сил частицы совершают колебания (т. н. бетатронные колебания) вокруг равновесной орбиты с частотами:

,      (6)

  Эти частоты меньше частоты обращения w, т. е. за оборот частица совершает меньше одного бетатронного колебания. Фокусирующие силы ограничены предельно допустимыми значениями n. Такая фокусировка называется однородной, или слабой.

  Для того чтобы увеличить фокусирующую силу по вертикали, надо применить сильно спадающее поле (n > 1). Напротив, для получения большой фокусирующей силы по радиусу надо применить поле с большими отрицательными значениями n (т. е. сильно возрастающее по радиусу). Эти требования одновременно несовместимы. Однако оказывается, что при определенных ограничениях их можно реализовать поочередно, обеспечив тем самым сильную фокусировку и по радиусу, и по вертикали. На этом основан принцип знакопеременной фокусировки (рис. 3). Вся длина равновесной орбиты разбивается на большое число одинаковых периодов, в которых устанавливаются сильно фокусирующие попеременно то по радиусу, то по вертикали. При определенном соотношении между значениями показателя спада поля, длиной и числом периодов такая система обладает сильным фокусирующим действием по обоим поперечным направлениям. Физически это объясняется тем, что в фокусирующих частица оказывается дальше от равновесного положения, чем в дефокусирующих (т.к. предшествующий дефокусирующий отклонил ее от орбиты), поэтому действие фокусирующих сильнее действия дефокусирующих. Частота колебаний частиц при такой фокусировке получается существенно выше частоты обращения, так что за один оборот частица совершает несколько колебаний. Увеличение фокусирующей силы приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц под действием различных раскачивающих факторов, что позволяет уменьшить поперечные размеры вакуумной камеры и а следовательно, существенно уменьшить вес и стоимость установки. Поэтому во всех крупных циклических ускорителях на большие энергии применяется знакопеременная (сильная) фокусировка. Неприятная особенность сильной фокусировки — наличие многочисленных резонансов, обусловленных большой частотой колебаний частиц: если число колебаний частицы по вертикали или по радиусу за один полный оборот частицы или их сумма или разность оказываются целыми или полуцелыми числами, то происходит резонансная раскачка колебаний. В связи с этим необходимо предъявлять большие требования к точности изготовления
  Знакопеременная фокусировка полем применяется и в линейных ускорителях с той разницей, что на равновесной орбите (прямая) поле равно нулю. Система фокусировки представляет собой в этом случае набор ( квадрупольных линз), создающих поле, равное нулю на оси О системы и линейно нарастающее при отклонении от оси (рис. 4). В одной плоскости фокусируют частицы (сила направлена к оси), в другой — дефокусируют ( направлена от оси). Эти плоскости фокусировки чередуются от к что и приводит к знакопеременной фокусировке.

  При малых энергиях частиц наряду с фокусировкой применяется (как в циклических, так и в линейных ускорителях) фокусировка электрическим полем, для чего используется ускоряющее электрическое поле установки. Принцип фокусировки пояснен на рис. 5. В обычном ускоряющем зазоре электрическое поле обычно "провисает" внутрь в центре зазора. Поэтому в первой части зазора оно имеет составляющую, направленную к оси зазора (фокусирующую), во второй — от оси зазора (дефокусирующую). Результирующий фокусирующий эффект получается, если фокусирующее действие оказывается больше дефокусирующего. Поскольку частица, проходя зазор, ускоряется, то во второй части зазора она летит быстрее, т. е. находится там меньшее время, чем в первой, поэтому фокусирующее действие преобладает. Этот эффект, основанный на изменении скорости частицы, называется электростатической фокусировкой. Он имеет заметную величину лишь для малых скоростей частиц, так что его применение в ускорителях ограниченно. Разность действия электрического поля в первой и во второй части зазора может быть обусловлена также изменением электрического поля во времени (электродинамическая фокусировка): если за время пролета электрическое поле уменьшается, то дефокусирующее действие оказывается меньше фокусирующего. Фокусировка такого типа имеет место в циклотроне и фазотроне как дополнит. фактор к фокусировке. Однако в линейных ускорителях протонов устойчивой является отрицательная фаза j0 (см. выше), при которой поле растет со временем. Поэтому в линейных ускорителях электрическое поле дефокусирует и нужны специальные дополнительные меры для фокусировки частиц.

  Можно и к электрическому полю применить принцип знакопеременной фокусировки. Например, с помощью электродов сложной формы можно обеспечить изменение знака фокусирующей силы от зазора к зазору или, меняя от зазора к зазору знак равновесной фазы, можно получить систему со знакопеременной фокусировкой и знакопеременной фазировкой. Такие системы были предложены и разработаны, но они имеют весьма ограниченное применение.

  При больших интенсивностях ускоряемых пучков начинает сказываться взаимодействие между отдельными частицами пучка; расталкивание по закону Кулона одноименно заряженных частиц приводит к ослаблению фокусирующих сил. В циклическом У испускаемое частицами электромагнитное излучение (т. н. синхротронное излучение, см. ниже) также может вызвать неустойчивость движения. В различных ускорителях взаимодействие заряженных частиц сказывается по-разному, но почти всегда именно оно определяет предельно достижимую интенсивность (наряду с ним иногда оказывается определяющей мощность, необходимая для ускорения пучка).

  . Основные типы современных ускорителей

  А. Циклические ускорители

  Синхрофазотрон (протонный синхротрон) — циклический резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени полем (5) и изменяющейся частотой ускоряющего электрического поля (wу). При этом wy и В меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты R оставался постоянным. В синхрофазотроне частота обращения частиц w = wy /q и ср. значение индукции <В> на орбите связаны соотношением:

.     (7)

  Это условие вытекает из формул (3) и (2). Из формулы (7) видно, что с ростом поля частота обращения сначала увеличивается пропорционально полю, а затем меняется все медленнее, приближаясь к предельному значению , отвечающему движению частицы со скоростью света; соответственно должна изменяться частота ускоряющего поля wу = wq. Постоянство радиуса равновесной орбиты позволяет сделать синхрофазотрона в виде сравнительно узкого кольца, что сильно удешевляет установку. Из всех современных У синхрофазотроны позволяют получать самые высокие энергии частиц. До 1972 самым большим ускорителем в мире являлся Серпуховский синхрофазотрон (СССР), ускоряющий протоны до энергии 76 Гэв. В 1972 в США (Батейвия) запущен синхрофазотрон на 200 Гэв, в 1975 его энергия была увеличена до 400 Гэв, а в 1976 — до 500 Гэв. В 1976 введен в строй ускоритель на 400 Гэв в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, близ Женевы). Проектируются синхрофазотроны на 1000 Гэв и выше.

  Поскольку предельное значение поля ограничено техническими возможностями, то, как следует из соотношения (2), увеличение энергии неизбежно сопряжено с увеличением радиуса установки. Для максимальных достигнутых энергий радиус ускорителей составляет сотни м, а в проектируемых ускорителях на сверхвысокие энергии — несколько км. Именно размер установки, а следовательно и ее стоимость, ограничивает предельную достижимую энергию в ускорителе. Наименьшая энергия, для получения которой применяют синхрофазотроны, составляет примерно 1 Гэв, для получения протонов меньшей энергии целесообразно применять фазотроны (см. ниже).

  Протоны вводятся (инжектируются) в синхрофазотрон извне из др. ускорителя меньшей энергии. Таким предварительным ускорителем служит линейный ускоритель, а иногда также вспомогательный (бустерный) кольцевой ускоритель, для которого, в свою очередь, инжектором служит линейный ускоритель. Такая многоступенчатая схема, повышая энергию инжекции, облегчает условия работы основного ускорителя (легче выдержать допуски на точность воспроизведения поля при инжекции, в меньшем диапазоне нужно изменять частоту ускоряющего поля) и удешевляет его, а также повышает достижимую в ускорителе интенсивность ускоренного пучка.

  В синхрофазотроне со слабой фокусировкой система состоит из нескольких секторов (рис. 6), разделенных прямолинейными промежутками. В промежутках располагаются системы ввода, ускоряющие устройства, системы наблюдения за пучком, вакуумные насосы и др. Вводное устройство служит для перевода частиц из инжектора в вакуумную камеру основного ускорителя. Обычно ввод производится с помощью импульсного отклоняющего устройства, электрическое или поле которого "заворачивает" впускаемые частицы, направляя их по орбите. В вакуумной камере, представляющей собой сплошную замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты, создается с помощью непрерывно действующих откачивающих насосов достаточно низкое (~10-6 мм рт. ст.) давление, чтобы рассеяние ускоряемых частиц на остаточном газе не приводило к расширению пучка и потере частиц. Закругленные участки камеры расположены в зазорах между полюсами электромагнитов, создающих внутри камеры поле, необходимое для управления движением частиц по замкнутой орбите (заворачивания частиц по орбите). Т. к. радиус равновесной орбиты должен оставаться постоянным, необходимо, чтобы поле росло в процессе ускорения от значения, соответствующего энергии инжекции, до максимального значения, соответствующего конечной энергии. Возрастание поля осуществляет ся увеличением силы тока, протекающего через обмотки электромагнитов. Форма полюсов подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание поля по радиусу в соответствии с условием (4), необходимое для устойчивого движения частиц в поперечном направлении. В одном или нескольких зазорах расположены ускоряющие устройства, создающие переменное электрическое поле. Частота поля изменяется в строгом соответствии с изменением поля (см. формулу (7)). Необходимая точность воспроизведения частоты очень велика. Это достигается обычно с помощью системы автоматического слежения за частотой по данным о положении частиц: ошибка в частоте приводит к отходу частиц от равновесного положения, чувствительные датчики регистрируют этот отход, их сигнал усиливается и используется для введения необходимых поправок в частоту.

  Под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения q. В процессе ускорения сгустки сокращаются по длине, сжимаясь к равновесной фазе. Одновременно происходит уменьшение поперечных размеров пучка, который в начале ускорения занимает почти все сечение вакуумной камеры.

  Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается прежде всего устройством системы, состоящей из большого числа в которых чередуются сильное спадание и сильное нарастание поля по радиусу. Фокусировка частиц в этом случае значительно сильнее, чем в слабофокусирующем ускорителе. Каждый (рис. 7) осуществляет две функции: заворачивает частицы по орбите и фокусирует их (система с совмещенными функциями). Применяется также структура с разделенными функциями, в которой для заворачивания частиц используются с однородным полем, а фокусировка осуществляется с помощью квадрупольных линз, расположенных в промежутках между
  Переход к сильнофокусирующим системам сопряжен с повышением требований к точности изготовления и монтажа при длине кольцевого больше 1 км точность монтажа измеряется десятыми и сотыми долями мм. Это обусловлено большой чувствительностью поведения частиц к различным случайным отклонениям поля, связанной с резонансной раскачкой пучка. Другая особенность ускорителя с сильной фокусировкой — наличие т. н. критической, или переходной, энергии. При энергии частицы меньше критической устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напряжения (фаза — j0 на рис. 1), т.к. с увеличением энергии период уменьшается (как в линейном ускорителе). При энергии частицы больше критической увеличение энергии приводит, напротив, к увеличению периода обращения (как в ускорителе со слабой фокусировкой) и равновесной становится фаза + j0. Чтобы при прохождении критической энергии не происходили потери пучка, в момент перехода через критическую энергию в систему вводится быстрое смещение фазы колебаний на 2 j0, так что ускоряемые частицы, которые до критической энергии были сгруппированы вблизи устойчивой фазы — j0, оказываются в окрестности новой устойчивой фазы + j0.

  Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутреннюю мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в современных синхрофазотронах составляет 5—30 циклов минуту. В каждом цикле ускоряется 1011—1012 частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространственного заряда.

  В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить поля по крайней мере в 3—4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автоматического управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).

  Синхротрон — циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нем изменяется во времени лишь поле, а частота ускоряющего электрического поля остается неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц (R = u/w), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэв скорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому синхротрона (как и синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и называется также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение). Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:

     (8)

(E0 = m0c2энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв), т. е. очень быстро растет с увеличением энергии электрона. (В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжелых частиц (протонов, ядер) E0 много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.) В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия eV0 jcos0 расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой — из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнительную раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энергии. К 1976 в синхротронах достигнуты максимальные энергии порядка 5—10 Гэв (см. табл. 2). Существуют проекты синхротронов на 100—150 Гэв. В синхротронах на меньшие энергии (сотни Мэв) вместо инжекции извне (как в синхрофазотроне) часто применяют бетатронную инжекцию: ускоритель сначала работает как бетатрон (см. ниже), а после достижения электроном релятивистских скоростей (u " c) включается ускоряющее ВЧ поле и ускоритель переходит на синхротронный режим.
Табл. 2. — Крупнейшие циклические ускорители<

Местонахождение

Максимальная энергия, Гэв

Диаметр установки, м

Сечение камеры, см

Тип инжектора

Энергия инжекции, Мэв

Год запуска
Синхрофазотроны<

Дубна (СССР)

10

72

35´120

Линейный ускоритель

9,4

1957

(США)

12,7

55

15´82

то же

50

1963

Женева (Швейцария)

28

200

7´15

то же

Бустер

50

800

1959

1972

Брукхейвен (США)

33

257

8´17

Линейный ускоритель

200

1960

Серпухов (СССР)

76

472

12´20

"

(строится бустер)

100

1967

Батейвия (США)

500 (на 1976)

2000

5´13

Бустер

8000


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 28.11.2021 00:33:24
00:21 Президент Сербии пообещал вечную дружбу России
00:16 На Украине назвали Россию способной освободить Европу от оккупации США
00:10 До конца года войска получат танки «Армата»
00:06 Глюкоза предложила сделать в школах курилки
00:03 Беднейшим странам мира предсказали смертельный голод
23:06, 27 ноября 2021 Видео выступления пьяного Димы Билана на свадьбе попало в сеть
22:55, 27 ноября 2021 В США испугались недовольства Германии по «Северному потоку-2»
22:47, 27 ноября 2021 Раскрыты пять предвестников инсульта
Больше новостей
СегодняМир «Мы убьем тебя, жди нас» Тысячи афганцев сбежали от талибов в Таджикистан. Почему они до сих пор боятся за свою жизнь?
27 ноября 2021Мир В Европу пришел новый штамм коронавируса из Африки. Что известно про омикрон и насколько он опасен?
СегодняСпорт «Я снова буду тебя бить» Бразилец задушил Александра Емельяненко в первом раунде. Станет ли этот бой концом его карьеры?
20:29, 27 ноября 2021 Глава Росмолодежи анонсировала программу развития уличной культуры и спорта
23:56, 27 ноября 2021 Видео поражения Александра Емельяненко появилось в сети
23:41, 27 ноября 2021 В центре Гамалеи объяснили быструю разработку вакцины от COVID-19
СегодняКультура «У таких людей эти разговоры кончаются плохо» Квентин Тарантино выпустил свой первый роман. Каким он получился?
27 ноября 2021Культура От Моргенштерна до Инстасамки: почему в России преследуют и запрещают провокационных артистов?
20:19, 27 ноября 2021 Великобритания ужесточит правила въезда для туристов из-за коронавируса
23:36, 27 ноября 2021 В ВОЗ оценили мнение о «непроверенности» вакцин от коронавируса
23:40, 27 ноября 2021 Опубликовано первое изображение омикрон-штамма
СегодняЦенности Дочь корейского Сталина. Как глава Южной Кореи поддалась чарам шаманов, набрала миллионных взяток и села в тюрьму
СегодняНаука и техника Защита для сердца. В России нашли способ восстановить клетки при диабете. Как он работает?
00:02 Желающим попасть на «Щелкунчика» москвичам пообещали отсутствие ночевок на улице
23:35, 27 ноября 2021 В Москве назвали процент мигрантов на стройплощадках
23:25, 27 ноября 2021 На Украине оценили предложение вовлечь Киев в решение миграционного кризиса
27 ноября 2021Из жизни «Уходите, вы нам не нужны!» Как афганцы на верблюдах оказались в Австралии и почему их ценили не больше животных?
26 ноября 2021Россия «Директор отмажется, у него денег много» Бывший горняк шахты «Листвяжная» о том, что привело к гибели 52 человек
23:14, 27 ноября 2021 Емельяненко попросил реванш у Сантоса после поражения
23:14, 27 ноября 2021 Доктор Мясников сравнил инфекции с недобитым врагом
23:13, 27 ноября 2021 В Москве продавщицу задержали после продажи алкоголя несовершеннолетнему
27 ноября 2021Силовые структуры «Он был рисковым человеком» Как телохранители спасали Брежнева от пуль террористов и шли за ним в урановые шахты
27 ноября 2021Моя страна «Никогда бы не подумала, что это Россия!» Куда отправиться, чтобы увидеть самые красивые маяки страны?
22:45, 27 ноября 2021 Певица Ольга Бузова сбежала из московской больницы
23:01, 27 ноября 2021 На Украине посчитали «вопросом времени» членство в ЕС и НАТО
22:46, 27 ноября 2021 Александр Емельяненко проиграл в главном бою AMC Fight NIghts 106
26 ноября 2021Россия «Людей заранее объявили погибшими» Трагедия на шахте «Листвяжная» — не первая. Почему в Кузбассе гибнут сотни шахтеров?
26 ноября 2021Культура Ночной дозор. В прокат вышел самый стильный фильм ужасов этого года. Почему его нужно смотреть?
22:41, 27 ноября 2021 Посол России рассказал об очень опасном заблуждении НАТО
22:35, 27 ноября 2021 Умерший политик одержал победу на местных выборах в Индии
22:23, 27 ноября 2021 Боец MMA нокаутировал оппонента ударом в печень
27 ноября 2021Россия «Шофера пришлось порезать...» Кто и как раскрывал самые громкие преступления во времена СССР
26 ноября 2021Россия В шахте «Листвяжная» нашли выжившего. В спасение людей под землей уже никто не верил
22:29, 27 ноября 2021 Российский офицер выстрелил в солдата-срочника
22:21, 27 ноября 2021 Россияне вспомнили исчезнувший кинотеатр «Патриот» в Москве
22:23, 27 ноября 2021 Российский посол объяснил стремление США оправдать провалы Зеленского
25 ноября 2021Силовые структуры Из тюремного ада. Как многолетние пытки и издевательства над заключенными привели к отставке главы ФСИН России
25 ноября 2021Россия 52 человека погибли в шахте «Листвяжная» в Кемеровской области. Это горняки и спасатели. Живых под землей больше нет
22:19, 27 ноября 2021 Посол оценил возможность нападения России на Украину
22:18, 27 ноября 2021 В России допустили большую заразность омикрон-штамма
22:20, 27 ноября 2021 Появилось видео лучших моментов матча «Краснодара» и «Химок» с шестью голами
26 ноября 2021Среда обитания «Золотые унитазы все еще популярны в регионах» Где и за сколько приобретают жилье российские чиновники
25 ноября 2021Россия Госдума лишила депутата Рашкина неприкосновенности. Какое наказание его ждет за убийство лося?
22:17, 27 ноября 2021 В Подмосковье рабочие нашли труп ребенка при сортировке мусора
22:14, 27 ноября 2021 Посол России заявил об увеличении поставок американского вооружения на Украину
22:04, 27 ноября 2021 В ООН оценили переговоры России с Азербайджаном и Арменией
24 ноября 2021Путешествия Другой Стамбул. Еще недавно здесь жили мигранты и бедняки. Чем сегодня способен удивить туриста «золотой» район Стамбула?
25 ноября 2021Моя страна Российские кладбища обрели популярность у туристов. Какие легенды они таят и почему их стоит посетить?
21:06, 27 ноября 2021 Раскрыта причина гибели горноспасателей в шахте Кузбасса
22:09, 27 ноября 2021 Назван способ снизить риск тяжелого течения COVID-19 при омикрон-штамме
21:55, 27 ноября 2021 Названы три условия для победы над пандемией
26 ноября 2021Россия «Родители сначала были в шоке» История россиянки, переехавшей из Москвы в Тегеран
27 ноября 2021 Видео: автосалон новых Жигулей Блогеры нашли автосалон советских машин без пробега
21:58, 27 ноября 2021 Жительницы Подмосковья пожаловались на необычного маньяка
21:50, 27 ноября 2021 Глава Кузбасса оценил силу взрыва в шахте «Листвяжная»
21:51, 27 ноября 2021 На юго-востоке Москвы полицейские задержали иностранку с наркотиками
25 ноября 2021Культура Развод и девичья фамилия. Адель выпустила первый альбом за шесть лет. Почему теперь ее называют главной певицей планеты?
25 ноября 2021Экономика Подняли тревогу. Могут ли биткоины привести мир к климатической катастрофе?
21:33, 27 ноября 2021 Джонсон раскрыл особенности нового штамма коронавируса
21:40, 27 ноября 2021 В Госдуме оценили идею об установке курилок в школах
21:48, 27 ноября 2021 Посол России в США заявил о «ростках» позитива в отношениях Москвы и Вашингтона
21:29, 27 ноября 2021 Посол Британии в Киеве призвала Украину избавиться от российского газа
21:15, 27 ноября 2021 Жительница Москвы отравилась таллием
21:25, 27 ноября 2021 Посол заявил о выезде из США 27 российских дипломатов
21:15, 27 ноября 2021 Вирусолог спрогнозировал сроки появления омикрон-штамма в России
21:22, 27 ноября 2021 Поисковые работы на шахте «Листвяжная» снова приостановили из-за газа
20:57, 27 ноября 2021 «Краснодар» и «Химки» забили шесть голов в матче РПЛ
21:09, 27 ноября 2021 В квартире задержанного на МКАД водителя BMW нашли 20 тысяч доз наркотиков
18:50, 27 ноября 2021 Российский биатлонист перепутал финиш и лишился медали на гонке Кубка мира
20:51, 27 ноября 2021 В ЮАР раскрыли возраст самых уязвимых перед омикрон-штаммом людей
20:33, 27 ноября 2021 В ВОЗ высказались о происхождении омикрон-штамма коронавируса
20:11, 27 ноября 2021 Главный инфекционист США оценил шансы распространения нового штамма COVID-19
20:27, 27 ноября 2021 Девушка-боец UFC снялась в откровенном бикини на мотоцикле