Б. Линейные ускорители

Линейный электростатический ускоритель — см. Ускоритель высоковольтный.

Линейный индукционный ускоритель. В этом Ускорители заряженных частиц для ускорения используется эдс индукции, возникающая при изменении кольцеобразного магнитного поля. Вдоль оси ускорителя устанавливаются ферромагнитные кольца, охватываемые токовыми обмотками. При резком изменении тока в обмотках происходит быстрое изменение магнитного поля, которое согласно закону электромагнитной индукции создаёт на оси ускорителя электрическое поле Е. Заряженная частица, пролетающая за время существования этого поля вдоль оси, приобретает энергию eEL, где L — пройденное расстояние. Чтобы ускоряющее поле было достаточно велико, нужно быстро изменять магнитное поле, поэтому время существования ускоряющего поля и, следовательно, длительность импульса ускорения невелики (порядка 10^-9—10^-6сек). Преимущества линейных индукционных ускорителей — большие значения тока ускоренных частиц (сотни и тысячи а), большая однородность пучка (малый разброс по энергии и малые скорости поперечного движения) и большой кпд, т. е. коэффициент преобразования затрачиваемой в ускоряющей системе энергии в энергию пучка. Существующие линейные индукционные ускорители дают электронные пучки с энергией в несколько Мэв. Они применяются преимущественно как источники интенсивных пучков релятивистских электронов в установках для коллективного ускорения частиц и для исследований по термоядерному синтезу, однако по своим возможностям они допускают значительно более широкое применение.

Линейные резонансные ускорители — наиболее распространённый тип линейных ускорителей, особенно на большие энергии. Линейные резонансные ускорители электронов дают энергии от десятков Мэв до ~ 20 Гэв, протонов — до 800 Мэв. Существ, различие между протонным и электронным линейными ускорителями обусловлено главным образом тем, что протоны ускоряются до нерелятивистских или слаборелятивистских скоростей, тогда как электроны — до ультрарелятивистских скоростей; протонные ускорители на энергии ~ 600—800 Мэв, при которых релятивистские эффекты становятся заметными, конструктивно сближаются с электронными (см. табл. 3).

Табл. 3. — Крупнейшие линейные ускорители

Местонахождение	Год запуска	Максимальная энергия, Мэв	Длина, м	Длительность импульса ускоряемых частиц, мксек	Максимальный средний ток, мка	Максимальный ток в импульсе, ма
Электронные
Харьков (СССР)	1964	1800	240	1,4	0,8
Станфорд (США)	1966	22300	3050	1,6	48
Протонные
Серпухов (СССР), инжектор	1967	100	80	300		180
Батейвия (США), инжектор	1970	200	145	400		120
Лос-Аламос (США)	1972	800	795	500	30
Мезонная фабрика, АН СССР	строится	600	450	100	500

  Протонные линейные резонансные ускорители. Идея линейного резонансного ускорителя выдвинута в 1924 швед. учёным Г. Изингом и в 1928 реализована на модели Видероэ. Ускоритель (рис. 10) представляет собой систему пролётных трубок (полых цилиндров), присоединённых через одну к разным полюсам источника переменного напряжения. Электрическое поле не проникает внутрь трубок, а сосредоточено в зазорах между ними. Длина трубок подобрана так, что частицы, попавшие в первый зазор между трубками в момент, когда поле ускоряет частицы, будут и в последующих зазорах попадать в ускоряющую фазу поля (резонанс), т. е. их энергия будет непрерывно повышаться. Ускоритель примерно такого типа был реализован в 1931 Э. О. Лоуренсом и Д. Слоуном (США).

Рис. 10. Схема ускорителя Видероэ с пролётными трубками: 1 — пролётные трубки; 2 — источник переменного напряжения; 3 — область действия электрического поля Е.

  Успехи ВЧ радиотехники в 40-е гг. дали дальнейший толчок, развитию протонных линейных резонансных ускорителей. Вместо цепей с сосредоточенными постоянными в современных ускорителях протонов применяется обычно схема, предложенная амер. физиком Л. Альваресом, представляющая собой резонатор с дрейфовыми трубками. В объёме резонатора цилиндрической формы создаётся переменное электрическое поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые частицы пролетают систему дрейфовых (пролётных) трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению частиц (рис. 11). Когда же поле направлено в противоположную сторону, частицы находятся внутри трубок, куда поле не проникает.

Рис. 11. Схематический разрез резонатора (1) линейного ускорителя с дрейфовыми трубками (2). Вблизи оси электрическое поле Е сосредоточено лишь в зазорах между трубками.

  В линейном резонансном ускорителе, как было указано выше, действует механизм автофазировки, так что частицы, расположенные в некоторой области вблизи равновесной частицы (область захвата), ускоряются вместе с ней, набирая в среднем такую же энергию. Устойчивая равновесная фаза в линейном ускорителе отрицательна, т. е. находится на участке, где поле растет. Поэтому электрическое поле оказывает в линейном ускорителе дефокусирующее действие и нужно принимать специальные меры для обеспечения фокусировки протонов. В ускорителях на небольшие энергии можно применять фольговую или сеточную фокусировку: входы дрейфовых трубок перекрываются фольговой или сетчатой перегородкой. Это приводит к деформации поля между трубками, при которой дефокусирующая область почти полностью исчезает. В ускорителях на большие энергии этот метод фокусировки неприменим (фольги и сетки приводят к недопустимым потерям интенсивности и, кроме того, перегорают под действием пучка). Наиболее распространённый метод фокусировки — знакопеременная фокусировка с помощью магнитных квадрупольных линз (располагаемых внутри дрейфовых трубок), создающих в окрестности оси ускорителя магнитное поле, линейно нарастающее по мере удаления от оси. Качественно фокусировка таким полем объясняется так же, как в циклических ускорителях.

  Преимущество линейных ускорителей над циклическими — отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50—100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше которого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнической точки зрения, т.к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрического поля (слишком мало шунтовое сопротивление). Для ускорения до больших энергий разработаны специальные системы связанных резонаторов; может также применяться волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных ускорителях; см. ниже). Современные линейные ускорители протонов на большую энергию состоят из двух ступеней: в первой ускорение производится до 100—200 Мэв резонаторами типа Альвареса, во второй — резонаторами иного типа, имеющими при этих скоростях частиц более благоприятные характеристики. По такой двухступенчатой схеме реализован линейный протонный ускоритель в Лос-Аламосе (США) на 800 Мэв, дающий средний ток 30 мка (проектируется повышение тока до 1000 мка), предназначенный для физических опытов с интенсивными вторичными пучками (т. н. мезонная фабрика). По этой же схеме в СССР разработана мезонная фабрика на 600 Мэв.

Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё одним существенным преимуществом над циклическими — в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия современных линейных электронных ускорителей составляет 20 Гэв, но она диктуется только экономическими соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины. Для электронных ускорителей, в которых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов её нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, например, введением в волновод перегородок (диафрагм; рис. 12). Близость скорости электронов к скорости света приводит к особенностям в движении электронов относительно ускоряющей волны. Для электронов отсутствует механизм автофазировки: изменение энергии электрона практически не приводит к изменению его скорости и, следовательно, к перемещению относительно ускоряющей волны. Фокусировка в поперечном направлении тоже оказывается, как правило, ненужной, т.к. случайные поперечные скорости электронов убывают по мере роста их энергии (по закону сохранения импульса постоянным остаётся поперечный импульс mu (, а т.к. по теории относительности масса m растет с ростом энергии, то скорость u (убывает). Кроме того, поперечное кулоновское расталкивание в электронных ускорителях оказывается почти скомпенсированным магнитным притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки могут, однако, возбуждать в ускоряющем волноводе паразитные волны, раскачивающие пучок и приводящие к его неустойчивости. Этот эффект особенно существен в больших ускорителях, где он ограничивает предельно достижимые токи. Разработан ряд инженерных методов подавления этого эффекта.

Рис. 12. Схематический разрез волновода с диафрагмами (1). Стрелками показано распределение поля, бегущего вдоль волновода; 2 — ускоряемый сгусток электронов.

  Широко распространены линейные резонансные электронные ускорители на малые (порядка десятков Мэв) энергии, используемые для исследований по ядерной н нейтронной физике и для прикладных целей.

  Ведутся интенсивные исследования возможностей применения сверхпроводящих материалов для стенок резонаторов и волноводов в протонных и электронных ускорителях. Это сильно сократило бы расход ВЧ мощности и позволило бы перейти на работу ускорителей в непрерывном режиме.

  Описанные типы Ускорители заряженных частиц применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц. Электронные ускорители практически без переделок могут быть использованы для ускорения позитронов. Для ускорения тяжёлых частиц используются различные типы протонных ускорителей. Наибольшая энергия ионов достигнута на ускорителе «Бэвалак» (Bevalac, США) типа синхрофазотрона, где в 1974 получены ускоренные ядра вплоть до ядер аргона с энергией 2 Гэв на нуклон. В Дубне разработан проект ускорителя («нуклотрона»), рассчитанного на получение 16 Гэв на нуклон. Как источник тяжёлых ионов применяются также ускорители типа циклотрона и линейные ускорители.

 

  Лит.: Гринберг А. П., Методы ускорения заряженных частиц, М. — Л., 1950, Ускорители, [сб. статей], пер. с англ. и нем., М., 1962; Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М 1970; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители М., 1969; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский электрон, М., 1974.

  Э. Л. Бурштейн.

 

Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное 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 создаётся 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. з. ч. следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

У. з. ч. — 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 твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение У. з. ч. 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. з. ч. послужили исследования строения атомного 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 своём 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 тяжёлых заряженных частиц.

  В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных У. з. ч. 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. з. ч. 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 идёт 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 магнитах и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры магнитных 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.

II. Классификация ускорителей
III. Принцип действия резонансных ускорителей
IV. Основные типы современных ускорителей
А. Циклические ускорители
Б. Линейные ускорители