Большая Советская Энциклопедия (УС)
Шрифт:
Под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения q. В процессе ускорения сгустки сокращаются по длине, сжимаясь к равновесной фазе. Одновременно происходит уменьшение поперечных размеров пучка, который в начале ускорения занимает почти всё сечение вакуумной камеры.
Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается прежде всего устройством магнитной системы, состоящей из большого числа магнитов, в которых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магнитного поля по радиусу. Фокусировка частиц в этом случае значительно сильнее, чем в слабофокусирующем ускорителе. Каждый магнит (рис. 7 ) осуществляет две функции: заворачивает частицы по орбите и фокусирует их (система с совмещёнными функциями). Применяется также магнитная структура с разделёнными функциями, в которой для заворачивания частиц используются магниты с однородным полем, а фокусировка осуществляется с помощью магнитных квадрупольных линз, расположенных в промежутках между магнитами.
Переход к сильнофокусирующим магнитным системам сопряжён с повышением требований к точности изготовления и монтажа магнитов; при длине кольцевого магнита больше 1 км
Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутреннюю мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в современных синхрофазотронах составляет 5—30 циклов минуту. В каждом цикле ускоряется 1011 —1012 частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространственного заряда.
В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, магнита), рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить магнитные поля по крайней мере в 3—4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автоматического управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).
Синхротрон — циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нём изменяется во времени лишь магнитное поле, а частота ускоряющего электрического поля остаётся неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц (R = u /w), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэв скорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому магнит синхротрона (как и магнит синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и называется также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение ). Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:
(E = mc2 — энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв ), т. е. очень быстро растет с увеличением энергии электрона. [В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжёлых частиц (протонов, ядер) E много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.] В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия eV jcos расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой — из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнительную раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энергии. К 1976 в синхротронах достигнуты максимальные энергии порядка 5—10 Гэв (см. табл. 2). Существуют проекты синхротронов на 100—150 Гэв. В синхротронах на меньшие энергии (сотни Мэв ) вместо инжекции извне (как в синхрофазотроне) часто применяют бетатронную инжекцию: ускоритель сначала работает как бетатрон (см. ниже), а после достижения электроном релятивистских скоростей (u » c ) включается ускоряющее ВЧ поле и ускоритель переходит на синхротронный режим.
Табл. 2. — Крупнейшие циклические ускорители
| Местонахождение | Максимальная энергия, Гэв | Диаметр установки, м | Сечение камеры, см | Тип инжектора | Энергия инжекции, Мэв | Год запуска |
| Синхрофазотроны | ||||||
| Дубна (СССР) | 10 | 72 | 35'120 | Линейный ускоритель | 9,4 | 1957 |
| Аргонн (США) | 12,7 | 55 | 15'82 | то же | 50 | 1963 |
| Женева (Швейцария) | 28 | 200 | 7'15 | то же Бустер | 50 800 | 1959 1972 |
| Брукхейвен (США) | 33 | 257 | 8'17 | Линейный ускоритель | 200 | 1960 |
| Серпухов (СССР) | 76 | 472 | 12'20 | « (строится бустер) | 100 | 1967 |
| Батейвия (США) | 500 (на 1976) | 2000 | 5'13 | Бустер | 8000 | 1972 |
| Синхротроны | ||||||
| Дарсбери (Великобритания) | 5,2 | 70 | (4—6) '(11—15) | Линейный ускоритель | 43 | 1966 |
| Ереван (СССР) | 6,1 | 69 | 3'10 | то же | 50 | 1967 |
| Гамбург (ФРГ) | 7,5 | 101 | (4—7) '(10—12) | « | 300-500 | 1964 |
| Корнелл (США) | 12,2 | 250 | 2,5'5,5 | « | 150 | 1967 |
| Фазотроны | ||||||
| Женева (Швейцария) | 0,60 | 5,0 | — | « | — | 1957 |
| Дубна (СССР) | 0,68 | 6,0 | — | « | — | 1953 |
| Ленинград (СССР) | 1,00 | 6,85 | — | « | — | 1968 |
Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты) — третий основной тип резонансных циклических ускорителей, работающих на принципе автофазировки. В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется. Из соотношения (3') видно, что для увеличения равновесной энергии частоту следует уменьшать. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, a-частиц). Крупнейшие современные фазотроны дают протоны с кинетической энергией до 1000 Мэв. В фазотроне частицы движутся по спиральным траекториям от центра, где расположен ионный источник (газовый разряд), к периферии вакуумной камеры (рис. 8 ). Энергию они приобретают за счёт многократного прохождения ускоряющего зазора. Ускоренные частицы либо используются внутри камеры, либо выводятся наружу с помощью отклоняющих систем. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора — конденсатора переменной ёмкости, включенного в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.
В фазотронах с однородным по азимуту магнитным полем фокусировка по вертикали очень слабая, т.к. n < 1. Для её увеличения иногда применяют дополнительные модуляции магнитного поля по азимуту, т. е. используют знакопеременную фокусировку.
Описанные 3 типа резонансных ускорителей, основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: определённая группа захваченных в синхротронный режим частиц повышает свою энергию по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магнитного поля. После достижения максимальной энергии эта группа частиц либо используется внутри камеры, либо выводится из ускорителя; параметры ускорителя возвращаются к исходным значениям, и начинается новый цикл ускорения. Длительность импульса ускорения в синхротронах и фазотронах порядка сотых долей сек, в синхрофазотронах — несколько сек.
Циклотрон — циклический резонансный ускоритель протонов (или ионов), в котором и магнитное поле, и частота ускоряющего электрического поля постоянны. В отличие от ранее описанных ускорителей, циклотрон — ускоритель непрерывного действия. Конструктивно он весьма схож с фазотроном. Частицы из ионного источника непрерывно поступают в вакуумную камеру и ускоряются электродами, двигаясь по спирали. Однако поскольку в циклотроне с однородной фокусировкой wy и В постоянны во времени, а энергия частиц растет, то условие резонанса (3') нарушается: резонансное ускорение может происходить лишь до тех пор, пока приобретённая кинетическая энергия W много меньше энергии покоя mс2, т. е. пока не сказывается эффект релятивистского возрастания массы частицы. Это и определяет предел достижимых энергий в циклотроне (для протонов примерно 10—20 Мэв ), причём предельная энергия достигается при очень больших значениях напряжения на ускоряющих электродах. Зато циклотрон вследствие работы в непрерывном режиме обладает преимуществом по интенсивности. Магнитное поле в циклотроне очень слабо спадает по радиусу (сильное спадание поля ещё больше усилило бы отклонение от точного резонанса). Поэтому фокусировка магнитным полем в вертикальном направлении очень слабая (n » 0), особенно в центре магнита. Однако в центральной области скорости частиц ещё малы и существенное влияние оказывает фокусировка электрическим полем.