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.).
Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный во времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями – импульсами). По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные (траектории близки к прямым линиям), циклические и индукционные (траекториями являются окружности или спирали).
1. Линейный ускоритель. Ускорение осуществляется электростатическим полем (например, генератором Ван-де-Граафа). Частицы ускоряются до .
2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частицы. Протоны ускоряются до , электроны – до .
3. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов).
Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов . К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
Заряженную частицу вводят в центр зазора между дуантами.
Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. Частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.
Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий .
Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит в увеличению периода обращения, и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов.
В 1944 г. советский физик В. И. Векслер и в 1945 г. Американский физик Э. Мак-Миллан предложили принцип автофазировки . Идея его заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо и то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.
4. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Частицы ускоряются до энергий .
5. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до 5 – 10 ГэВ.
6. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны в синхрофазотроне ускоряются до энергий 500 ГэВ.
7. Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 эВ.
Представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.
В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца , только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители , где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители , в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры , источники нейтронов , бустеры, источники синхротронного излучения , установки для терапии рака , промышленные ускорители .
Конструкции ускорителей
Линейные ускорители
Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)
Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей - возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.
Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:
- Ускоритель Ван де Граафа . Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа , основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.
- Каскадный ускоритель . Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта-Уолтона , который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.)
- Трансформаторный ускоритель . Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.
- Импульсный ускоритель . Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.
Линейный индукционный ускоритель
Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.
Линейный резонансный ускоритель
Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов . Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.
Циклические ускорители
Бетатрон
Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10-100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году , который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в -1941 годах в США.
Циклотрон
В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов , к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем . Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.
Циклотрон - первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1930 году Лоуренсом и Ливингстоном , за что первому была присуждена Нобелевская премия в 1939 году . До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.
Микротрон
Он же - ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.
FFAG
Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.
Фазотрон (синхроциклотрон)
Принципиальное отличие от циклотрона - изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки , поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600-700 МэВ.
Синхрофазотрон
Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.
Синхротрон
Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.
Ускоритель-рекуператор
По существу - это линак, но пучок после использования не сбрасывается, а направляется в ускоряющую структуру в «неправильной» фазе и замедляется, отдавая обратно энергию. Кроме того, бывают многопроходные ускорители-рекуператоры, где пучок, по принципу микротрона, совершает несколько проходов через ускоряющую структуру (возможно - по разным дорожкам), сперва набирая энергию, потом её возвращая.
Ускорители по назначению
Лазер на свободных электронах
Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.
Коллайдер
Ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых - изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Accelerators
Ускорители заряженных частиц – установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.
Роль ускорителя в современном физическом эксперименте
поясняется рисунком. Коллимированный пучок пробных частиц от ускорителя
направляют на исследуемую тонкую мишень, содержащую, например, ядра какого-либо
химического элемента, и рассеянные мишенью пробные частицы или другие продукты
их взаимодействия с ядрами мишени регистрируют детектором или системой детекторов.
Анализ результатов эксперимента даёт сведения о природе взаимодействия и
структуре исследуемого объекта.
Необходимость использования ускорителей для исследования таких
микрообъектов как атомные ядра и элементарные частицы обусловлена следующим.
Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают малые области пространства
(R < 10 -12 см), и проникновение в эти области требует высокой
разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей
взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых,
чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой
или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей
энергии.
Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных
частиц, необходимую, для его изучения. Частицы обладают волновыми свойствами.
Длина волны частицы
зависит от её импульса р и даётся формулой де Бройля
Здесь h – постоянная Планка, а 1 Фм = 10 -13 см. Приведённая
формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её
кинетической энергией Е в мегаэлектронвольтах.
В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой”
(посредством, например, дифракции дебройлевских волн), если длина волны
де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т.е. при λ
<
R. При использовании в качестве зондирующих частиц электронов
внутрь ядра можно “заглянуть”, если энергия электрона будет превышать 100
МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться
гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10 9 эВ).
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками
пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены
ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего
приготовить. В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных
частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения
эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых
коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные
пучки).
Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы,
где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы,
где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных
в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной,
и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются
в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса – линейные
(и прямого действия) и циклические. В линейных ускорителях частицы в процессе
ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той
же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки
(синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль
(циклотроны, микротроны, фазотроны).
Для исследования структуры атомных ядер их бомбардируют частицами, имеющими большую энергию, то есть летящими с очень большой скоростью. Для их получения в лабораторных условиях используют различного рода ускорители, одним из которых и является циклический ускоритель (циклотрон).
В циклотроне заряженная частица, размещенная между полюсами электромагнита, многократно проходит через электрическое поле. В каждый проход она наращивает свою энергию от нескольких сотен до нескольких тысяч электрон – вольт. Для периодического возвращения и управления движением заряженной частицы применяют поперечное магнитное поле.
На совершающую движение в постоянном магнитном поле частицу будет действовать , результатом чего станет движение заряженного элемента по окружности постоянного радиуса в случае если масса и скорость его останутся неизменными:
Сила Лоренца F Л, которая направлена по радиусу к центру окружности, вызовет центростремительное ускорение и согласно 2-му закону Ньютона будет равна:
Где: R – радиус орбиты, m – масса заряженной частицы, V – ее скорость. Из этого можно сделать вывод, что F Ц = F Л, или:
Где: q – величина заряда, В – индукция магнитного поля (векторы В и V взаимно перпендикулярны, то есть sin α = 1). Из этой формулы получаем выражение для угловой скорости частицы:
Если B, q и m – величины постоянные, то скорость угловая, а следовательно и количество оборотов частицы в секунду тоже являют собой величину постоянную, не зависящими от ее энергии. Однако радиус орбиты все же зависит от скорости движения, так как это следует из равенства (1):
С ростом энергии заряженного элемента и увеличением его скорости радиус орбиты увеличивается, именно поэтому элемент в ускорителе (например, циклотроне), будет двигаться по спирали.
Схема устройства циклотрона показана на рисунке ниже:
На два металлических электрода 3, помещенные между полюсами электромагнита, который в свою очередь состоит из обмоток 2 и магнита 1, подается высокое напряжение от высокочастотного генератора (рисунок а)). Очень часто электроды называют дуантами из-за их похожести на заглавную латинскую букву D. В промежутке между дуантами вблизи центра магнита расположен источник 4 заряженных элементов (ионов). Вся система из ионного источника и электродов помещается в вакуумную камеру 5, разрежение в которой достигает 10 -5 мм рт. ст. Положительный ион будет вылетать из источника в то время, когда электрод 1 имеет отрицательный потенциал. Он приобретет некоторую скорость и в полости дуанта I опишет полуокружность постоянного радиуса, так как внутри дуанта электрическое поле отсутствует (рисунок б)). К моменту выхода иона из дуанта I высокочастотный генератор изменит направление электрического поля на обратное: дуант II получит отрицательный потенциал, а дуант I положительный. Это приведет к ускорению иона и внутри дуанта II он опишет полуокружность уже большего радиуса. Двигаясь в с высокочастотным полем, ионы будут по спирали приближаться к краю полюса магнита. Их энергия будет возрастать после каждого прохождения частицей ускоряющей цепи между дуантами. Пучок ускоренных положительных ионов выводится из циклотрона благодаря отклоняющему электроду 6 (рисунок б)), на который подают отрицательный потенциал. Проходя мимо него, пучок ионов изменяет свою траекторию и через окошко, закрытое тонкой фольгой выходит из камеры.
Циклотрон используют в качестве ускорителя тяжелых частиц – положительных многозарядных ионов и протонов. В циклотроне присутствуют причины, которые ограничивают возможности значительного увеличения энергии ионов. Кинетическая энергия любой частицы равна E = mV 2 /2. Поэтому для получения частиц с очень большим запасом энергии их нужно разгонять до очень большой скорости, практически равной скорости света. Из теории относительности известно, что масса заряженной частицы зависит от ее движения и скорости:
Где: m 0 – масса частицы в покое, V – ее скорость, с – скорость света. В условиях, когда и V« c, массу тела можно считать строго постоянной. Однако в ускорителях, где частица разгоняется до скорости близкой к скорости света, с этой массой пригодиться считаться. Из формулы (2) можно получить выражение периода вращения заряженной частицы в циклотроне:
То есть период обращения прямо пропорционален массе элемента. Поэтому по мере ускорения частиц растет период обращения, а период высокочастотного поля остается неизменным. В результате при каждом последующем попадании в ускоряющую щель элементы будут опаздывать, приобретая меньшую энергию, пока не начнут попадать в тормозящее поле.
Для разгона электронов используют другой ускоритель – бетатрон, в котором используется вихревое электрическое поле. Однако энергия, получаемая элементами с помощью циклотрона, не удовлетворяла ученых. Для достижения большей энергии частиц используют два приема:
- С увеличением периода обращения частицы уменьшается частота высокочастотного генератора. Ускорители, использующие этот принцип, носят название фазотрон;
- При неизменной частоте электрического ускоряющего поля увеличивают магнитное поле. Если сохранять отношения m/B неизменным, то есть с ростом массы частицы плавно увеличивать индукцию поля, то период ее обращения также будет постоянным. На этом принципе работают ускорители типа синхрофазотрон и синхротрон.