Ускорители заряженных частиц

Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т. д.).

 Ускорителя делятся на непрерыввые (из них выходит равномерный по времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями — импульсами). По форме траектории и механизму ускорения частиц ускори­тели делятся на линейные, циклические н индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукцион­ных — траекториями частиц являются окружности или спирали. Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

1. Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем,создаваемым, генератором.

Заряженная частица проходит поле однократно: заряд Q, проходя разность потенциалов (φ1-φ2), приобретает энергию W=Q(φ1-φ2). Таким способом частицы ускоряются до ≈10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоян­ного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т. д.

2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляет­ся переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десят­ков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.

3. Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Его принципиальная схема приведена на  Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров.

Если заряженную частицу ввести в центр зазора между целиндрами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдя в * 1, опишет полуокружность.   Полярность напряжения изменяется, поэтому частица вновь ускоряется и, переходя в * 2, описывает там уже полуокружность большего радиуса и т. д.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие резонанса — периоды вращения частицы в магнитном поле колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохож­дении через зазор дополнительную энергию.

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при E=0,5 МэВ т=2 m 0, при E=10 МэВ m=28m0).

4. Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ро­стом скорости частиц растет радиус их орбиты).

5. Синхротрон — циклический резонансный ускоритель элек­тронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов,

ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона.Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ. Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором уcкорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бета.троне в отличие от других ускорителей не существует проблемы синхронизации.Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W > 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов20—50 МэВ.