Лінійні резонансні прискорювачі

 

У найпростішому лінійному прискорювачі заряджені частинки приводяться в прискорений прямолінійний рух під дією високої електричної напруги, прикладеної на кінцях або окремих ділянках вакуумної трубки (рис.1.1.). На одному кінці трубки міститься джерело заряджених частинок 1, а на другому - мішень 2. Проміжні електроди у вигляді пустотних циліндрів забезпечують рівномірніше падіння потенціалу вздовж трубки і запобігають виникненню розрядів на її кінцях.

Щілини між електродами фокусують пучок заряджених частинок

 

Рис. 1.1 Схема лінійного резонансного прискорювача.

 

Тому електричне поле має бути досить сильним. Для його створення використовують високовольтні генератори (електростатичний генератор Ван-де-Граафа, імпульсний генератор, каскадний генератор сталості напруги). Такі лінійні прискорювачі є нерезонансними.

У лінійних резонансних прискорювачах використовується високочастотна змінна напруга, а рух частинки синхронізується із змінами напруги. У циліндричній вакуумній трубці розташовано трубчасті електроди. Ці електроди з'єднані через один між собою, і на них подається змінна напруга. Нехай у деякий момент часу потенціали електродів визначаються верхніми знаками "+" або "-", а напрям електричного поля - верхніми стрілками.

Вважатимемо, що прискорюваними частинками є протони, які влітають у прискорювач зліва і рухаються всередині першої трубки-електрода. При русі протона в щілині між електродами 1 і 2 відбувається його прискорення. Потім прискорювана частинка рухається всередині другої трубки-електрода. Пролітаючи в ній, протони не зазнають дії ніяких сил, оскільки електричне поле всередині металевої трубки, як і всередині будь-якого провідника, відсутнє. Продовжуючи свій рух, протони знову потрапляють у щілину між електродами 2 і 3. Якби поле було сталим у часі, то, пролітаючи у щілині, протони втратили б усю енергію, яку одержали у першій щілині. Однак за той час, протягом якого частинки пролітають другим електродом, потенціали на електродах змінюються так, що напрям електричного поля і потенціали визначаються нижніми знаками (рис.2). і За такої умови протони у другій щілині знову прискорюватимуться і їхня енергія зростатиме. Ідея цього методу прискорення полягає в тому, що напруга змінюється за той час, поки протони знаходяться всередині тієї чи іншої трубки. Такий метод прискорення називають резонансним. Довжина трубчастих електродів із ростом їх номера в цих прискорювачах збільшується. Оскільки частинки рухаються в кожному наступному електроді з наростаючими швидкостями, то вони мають пролітати всі трубчасті електроди за той самий час, який дорівнює половині періоду змінної прискорюючої напруги (або непарному числу півперіодів). Лінійні резонансні прискорювачі протонів застосовуються в основному як перший ступінь прискорення (інжектори) у циклічних прискорювачах [11].

Лінійні резонансні прискорювачі електронів істотно відрізняються від протонних. Для прискорення електронів застосовують так звані "прискорювачі з біжучою хвилею". У них електрон весь час перебуває біля гребеня такої хвилі і безперервно прискорюється.

Незважаючи на те що лінійні прискорювачі не можуть надавати частинкам таких великих енергій, які тепер використовуються в атомній фізиці, вони поки що залишаються важливими установками в ядерних дослідженнях [12].

 

Циклічні прискорювачі

 

У циклічних прискорювачах використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів. Електричне поле прискорює частинки, а магнітне утримує їх на певній траєкторії і багато разів повертає у прискорююче поле. Циклічні прискорювачі, як і лінійні, поділяються на нерезонансні і резонансні.

До нерезонансних циклічних прискорювачів належить бетатрон, який використовується для прискорення р-частинок (електронів). Теорію бетатрона розробив у 1940 р. радянський фізик Я.П. Терлецький, а в 1940-1941 рр. у США Д. Керст збудував перший бетатрон, який давав змогу прискорювати електрони до енергій 2-3 МеВ. На рис. 3 показано схематичний переріз бетатрона (1 - полюсні наконечники; 2 - переріз вакуумної тороїдальної трубки; 3 - центральний сердечник; 4 - обмотка електромагніту; 5 - ярмо магніту).

Як відомо, змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле, лінії напруженості якого являють замкнені криві, що охоплюють лінії магнітної індукції. Таке вихрове електричне поле використовується для прискорення електронів у тороїдальній трубці. Під час посилення магнітного поля у трубку вводять електрони. Їх підхоплює вихрове електричне поле і розганяє до високих енергій. Через чверть періоду зміни сили струму в електромагніті напруженість магнітного поля досягає максимуму і прискорення електронів припиняється. За цей час електрони набувають енергію до 300 МеВ. Максимальна енергія електронів, прискорених у бетатроні, може досягати 500 МеВ. Дальшому зростанню їх енергії перешкоджають значні витрати її на електромагнітне випромінювання електронів, що рухаються по викривлених траєкторіях.

Залежно від характеру прискорюючого поля і керуючого магнітного поля циклічні резонансні прискорювачі поділяють на циклотрони, фазотрони, синхротрони та синхрофазотрони.

Розглянемо принцип дії деяких циклічних резонансних прискорювачів. Першим циклічним резонансним прискорювачем був циклотрон, який сконструював у 1930 р. Е. Лоурено. В однорідному магнітному полі у вакуумній камері розміщено два порожнистих D-подібних електроди - дуанти 1 і 2 (рис. 3). У центрі між ними вмонтовано вертикальну трубку А, через яку вводяться позитивно заряджені іони. Дуанти підключено до генератора змінної електричної напруги. У щілині між дуантами виникає електричне поле то прямого, то протилежного напрямів. Нехай з джерела іонів А вилітає позитивний іон у той момент, коли дуант 1 має позитивний потенціал, а дуант 2 - негативний.

 

Рис. 1.2 Циклічний резонансний прискорювач.

 

Рис. 1.3 Циклічний резонансний прискорювач.

 

Позитивний іон під дією електричного поля зазнає прискорення і влітає в порожнину дуанта 2. У порожнині дуанта 2 під дією магнітного поля іон перейде на колову орбіту. Радіус орбіти R знаходимо за умови, що роль доцентрової сили відіграє сила Лоренца, тобто:

 

qυB = mυ²/R, тоді R=mυ/qB, (2.1)

 

де q,m і υ - відповідно заряд, маса і швидкість іона.

Якщо за час, протягом якого іон у дуанті опише півколо і підійде до щілини, напрям електричного поля зміниться на протилежний, то поле знову прискорюватиме його. Такий механізм прискорення зарядженої частинки в циклотроні можливий тільки за умови, що її рух відбувається синхронно (в резонансі) із зміною напруги між дуантами, тобто період змінного електричного поля збігається з періодом Т колового руху іона в дуантах. Оскільки υ = 2πR/Т, то умова синхронізації має вигляд:

 

Т₀ = Т = 2πm/qB. (2.2)

 

Прискорення позитивних іонів у циклотроні можливе доти, поки частинки рухаються в резонанс з прискорюючим полем, тобто поки не проявляються релятивістські ефекти залежності маси від швидкості. За допомогою циклотронів можна прискорювати протони, дейтрони, іони гелію до енергій 10÷20 МеВ. При значному збільшенні швидкості частинки її маса помітно збільшується і рівняння синхронізації порушується [13].

У 1944-1945 рр. радянський вчений В.І. Векслер і незалежно від нього американський вчений Е. Макміллан відкрили досить важливе фізичне явище, яке було названо механізмом автофазування. Він діє у резонансних прискорювачах і дає змогу досягнути також і релятивістських енергій:

 

Рис. 1.4 Прискорювач з однорідним магнітним полем.

 

Механізм автофазування полягає в тому, що при досить повільній зміні з часом частоти прискорюючого поля ω₂ (t) і середнього значення індукції магнітного поля  (t) енергія частинки автоматично набирає значення, близьке до резонансного. Для з'ясування принципу автофазування, як приклад, розглянемо прискорювач з однорідним магнітним полем, прискорююча напруга якого змінюється за законом косинуса.

Нехай φ_{0 - "}рівноважна фаза", тобто фаза частинки, що перебуває в резонансі з прискорюючим полем. Якщо частинка випадково потрапляє у фазу φ₁>φ₀, то вона дістає енергію меншу, ніж при φ=φ₀ (рис.1.4), період ЇЇ обертання відповідно до (3.2) зменшиться, частинка відставатиме по фазі, тобто ЇЇ фаза наближатиметься до рівноважної фази φ₀. Навпаки, частинка, яка відстала (φ₂ < φ₀), дістає більшу енергію, ніж при φ= φ₀, її період збільшується, вона прийде до щілини між прискорюючими електродами пізніше і, отже, наблизиться до рівноважної частинки. Відкриття принципу автофазування привело до створення нових типів циклічних резонансних прискорювачів.

Як зазначалось, при зростанні енергії прискорюваної частинки рівняння синхронізації порушується і наступне прискорення частинки припиняється. Відповідно для збільшення енергії частинки у прискорювачі при збереженні синхронізації необхідно нарощувати магнітне поле. Прискорювач, в якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається синхротроном. У таких прискорювачах частота прискорюючого поля ω₂ стала. Синхротрон використовується для прискорення електронів.

Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження синхронізації повільно змінюють частоту прискорюючого електричного поля ω₂ відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Такий прискорювач називають фазотроном. Він працює в імпульсному режимі і використовується для прискорення протонів та іонів. Прискорювач, в якому поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона, називають синхрофазотроном [14].

Максимальна енергія протонів, досягнута на синхрофазотроні (США), - 500 ГеВ, в ЦЕРН (Швейцарія) - 450 ГеВ. У СРСР біля Серпухова працює синхрофазотрон з енергією протонів 76 ГеВ.

 

Рис. 1.6. Схема установки на зустрічних протон-протонних пучках.

 

Для ефективного підвищення енергії частинок тепер широко застосовуються установки із зустрічними пучками. Найпоширенішими є установки на електрон-позитронних, протон-протонних і протон-антипротонних пучках. Такі установки називають коллайдерами. Перший електронний прискорювач на зустрічних пучках був введений у дію в Новосибірську (1967р.). Енергія частинок у кожному пучку становила 0,16 ГеВ. Відповідно до розрахунків для еквівалентного прискорювача з нерухомою мішенню це відповідає Е = 100 ГеВ. Планується введення в дію у Новосибірську прискорювача на зустрічних електрон-позитронних пучках, у якого енергія частинок кожного пучка 1000 ГеВ. Це відповідатиме енергії частинок прискорювача з нерухомою мішенню Е = 4 10⁹ ГеВ.

На (рис.1.6.) показана схема установки на зустрічних протон-протонних пучках (ЦЕРН, енергія частинок кожного пучка 31 ГеВ, Е = 2 10³ ГеВ). Прискорювальна система складається з інжектора І (лінійного прискорювача), бустера В (малого прискорювача) і потужного синхрофазотрона СФ. Система формує пучок протонів з енергією 31 ГеВ Біля прискорювача розташовано два накопичувальних кільця НК, у яких трохи деформовані кола діаметром 300м перетинаються 8 разів під кутом 15°. Протони вводяться в кільця по черзі каналами 1 і 2 протягом 30 хв до досягнення сили струму 30 А. Після цього синхрофазотрон від'єднується. Тиск доведений до 10⁹ Па. Це дає змогу зберігати зустрічні протонні пучки протягом кількох діб. Пучки зазнають зіткнень у місцях перетину кілець, де й відбувається реєстрування подій. Тепер розробляються проекти установок із зустрічними протон-антипротонними пучками на кілька десятків ТеВ. Провадяться також пошуки нових принципів прискорення елементарних частинок. Вважають перспективним колективний метод прискорення, при якому поля, що прискорюють частинки, створюються не зовнішніми радіотехнічними засобами, а за допомогою інших груп заряджених частинок.

Ведуться роботи по створенню прискорювачів з електромагнітами з високотемпературних надпровідників та кібернетичних прискорювачів.

Всі нейтральні частинки, у тому числі і нейтрони, неможливо прискорювати і фокусувати електромагнітними полями. Такі частинки утворюються тільки під час ядерних реакцій. Джерела нейтронів поділяють на три групи: джерела, в яких нейтрони виникають внаслідок радіоактивних випромінювань; джерела, в яких нейтрони створюються частинками, що вилітають з прискорювачів; ядерні реактори.

Для дослідження взаємодії одних частинок з іншими перші направляють у вигляді пучка частинок певних енергій на інші, які знаходяться в спеціальних пристроях, їх називають мішенями. Дослідженню підлягають частинки, які вилітають з мішені. Мішені можуть бути розміщені як всередині камери прискорювача, так і за її межами. Часто мішенню є робоча речовина самого детектора [15].