Что такое ускорители.

Ускорители заряженных частиц позволяют получать частицы с энергией более 1 МэВ. Самая большая энергия протонов - 940 ГэВ - зафиксирована на теватроне в лаборатории им. Ферми (США). В международном центре ядерных исследований ЦЕРН (Швейцария) ускоритель электронов LEP разгоняет электроны и позитроны до энергии 45 ГэВ. Ускорители заряженных частиц используют в научных исследованиях (получение элементарных частиц, исследование их свойств и внутренней структуры, изучение ядерных реакций и многое другое) и прикладных целях (радиационная технология, радиационная медицина).

В действующих ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под воздействием «продольного» электрического поля (напряжённость поля направлена параллельно скорости ускоряемых частиц). По принципу действия ускорители делятся на ускорители прямого действия или высоковольтные ускорители (ускорение частиц постоянным электрическим полем, максимальная энергия частиц около 15-18 МэВ), индукционные ускорители (ускорение частиц в вихревом электрическом поле, которое получается при изменении во времени индукции магнитного поля – явление электромагнитной индукции Фарадея) и резонансные ускорители, в которых для ускорения заряженных частиц используют высокочастотные электромагнитные поля. Разработка ускорителей началась в первой четверти прошлого века с целью расщепления атомных ядер. Исторически первыми были ускорители прямого действия (электростатические генераторы Ван-де-Граафа и каскадные генераторы Кокрофта и Уолтона). Первый циклический резонансный ускоритель (циклотрон) был построен в 1921 г. Э. Лоуренсом, а первый ускоритель индукционного типа (бетатрон) – в 1940 г. Д. Керстом. Ускорители заряженных частиц на большие энергии являются дорогостоящими, энергоёмкими, громоздкими и в то же время прецизионными установками. Линейный ускоритель в г. Стэнфорде (США) имеет длину около 3 км, периметры кольцевых вакуумных камер в Швейцарии (ЦЕРН) и России (Серпухов, ИФВЭ РАН) составляют величину около 20-30 км.

Рассмотрим простейший линейный резонансный ускоритель - ускоритель Видероэ (рис.1). Ускоритель представляет собой последовательность металлических пролётных трубок 2, расположенных по траектории пучка ускоряемых частиц 1. Пролётные трубки

через одну подсоединены к полюсам высокочастотного генератора электрических колебаний 4. Внутри пролётных трубок, если не принимать во внимание краевые эффекты, продольное электрическое поле отсутствует, ускорения частиц не происходит: они движутся по инерции. Между соседними пролётными трубками в ускоряющих зазорах 3 имеет место переменное во времени электрическое поле. Разность потенциалов между трубками достигает сотен киловольт. Частицы, последовательно проходя пролётные трубки, получают дополнительную энергию. Для получения ожидаемого результата важно согласовать фазу колебаний ВЧ-генератора со скоростью частицы и длиной пролётной трубки, чтобы частица оказалась в рассматриваемом зазоре в тот промежуток времени, когда в нём имеет место ускоряющая разность потенциалов. Условие совпадения частоты появления частицы в ускоряющем зазоре с частотой ускоряющей разности потенциалов в этом же зазоре дало повод называть подобный ускоритель ускорителем резонансного типа.

В ускорителях циклического типа траектория ускоряемых частиц криволинейная. Она формируется под действием «поперечного» магнитного поля, а «продольное» ускорение заряженных частиц осуществляется с помощью переменного циклического электрического поля в зазорах между «дуантами» ускорителя. Простейшим резонансным циклическим ускорителем является циклотрон. Понять его устройство и принцип работы

помогает рис.2. Здесь: 1 – ярмо магнита, 2 – катушка магнита, 3 – полюс магнита, 4 – вакуумная камера, в которой расположены дуанты 5 ускорителя (электроды в форме двух половинок полого цилиндра, разнесённые друг от друга на некоторое расстояние с целью создания ускоряющего зазора). Дуанты подсоединяют к полюсам высокочастотного генератора электрических колебаний. Явление резонансного ускорения осуществляется при условии попадания частицы в ускоряющий зазор в промежуток времени, когда в этом зазоре имеет место ускоряющая разность потенциалов. После совершения целого числа оборотов в кольцевом вакуумном пространстве ускорителя частица приобретает энергию, кратную энергии, которую она получает при одном прохождении ускоряющего зазора.

С увеличением скорости частицы до скоростей, сравнимых со скоростью света, масса частицы возрастает, при этом в постоянном поперечном магнитном поле меняется радиус циклотронной орбиты и частота прохождения ускоряющего зазора. Ускоритель называют циклотроном, если он работает с постоянным магнитным полем и неизменной частотой высокочастотного электрического поля ( ). В ускорителях фазотронах магнитное поле тоже постоянно во времени, но с течением времени (по мере возрастания скорости и массы ускоряемой частицы) уменьшается частота ускоряющего электрического поля. Орбита частицы в фазотронах меняется в процессе ускорения. В ускорителях синхротронах (старое название – синхрофазотроны) в процессе ускорения меняют и величину индукции магнитного поля и величину частоты электрического поля, организуя эти изменения так, чтобы с течением времени орбита частицы оставалась неизменной. Частота обращения частицы по траектории постоянной длины связана с текущим импульсом частицы зависимостью:

, (1)

где - частота, с которой обращалась бы в синхротроне частица, достигшая скорости света, - масса покоя частицы. Частота ускоряющего электрического поля может совпадать или быть кратной частоте обращения частицы.

Даже беглое знакомство с принципами работы ускорителей заряженных частиц позволяет представить себе множество физических (фокусировка, устойчивость траектории, вопросы синхронизации) и технических проблем (создание сильных магнитных и электрических полей нужной конфигурации, обеспечение сверхвысокого вакуума в рабочем пространстве, обеспечение радиационной безопасности персонала) при создании и эксплуатации ускорителей.