Большая Советская Энциклопедия (УС)

Большая Советская Энциклопедия

Соблюдение точного резонанса между частицей и ускоряющим полем постоянной частоты можно обеспечить и в циклотроне, если магнитное поле будет расти по радиусу. В ускорителе с однородной фокусировкой это недопустимо из-за неустойчивости движения в вертикальном направлении. Если же использовать знакопеременную фокусировку, то можно реализовать устойчивое ускорение до значительно больших энергий, чем в обычных циклотронах. Такого типа установки (секторные, или изохронные, циклотроны), обладая преимуществом большой интенсивности, свойственным циклотронам, способны давать интенсивные пучки протонов при энергиях до 1000 Мэв. Изохронный циклотрон SIN (Швейцария) даёт протонный ток 12 мка (максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне — 590 Мэв ).

Микротрон (электронный циклотрон) — циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности

ускорения q. Частица обращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. При этом, если частица с самого начала обращалась в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. Например, первый оборот частица проходит за один период ускоряющего поля (т. е. q = 1), второй за два (q = 2), третий — за три (q = 3) и т.д. Ясно, что частица попадает при этом в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. Микротрон — ускоритель непрерывного действия и способен давать токи порядка 100 ма, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (СССР, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.

Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили.

Бетатрон — единственный циклический ускоритель (электронов) нерезонансного типа. Ускорение электронов в бетатроне производится вихревым электрическим полем индукции, создаваемым переменным магнитным потоком, проходящим через сердечник (центральную часть) магнита. Кольцевая вакуумная камера расположена в магнитном зазоре, где с помощью полюсных наконечников сформировано спадающее магнитное поле, обеспечивающее обращение частиц по окружности и фокусировку частиц около среднего равновесного радиуса (см. рис. 9 ). Для того чтобы радиус орбиты оставался постоянным, между скоростью прироста энергии, определяемой изменением поля в центральной части, и скоростью увеличения заворачивающего магнитного поля должно существовать определённое соотношение (бетатронное условие). Оно сводится к условию:

(9)

и означает, что поле на орбите (В_орб ) должно быть в 2 раза меньше среднего поля (B_cp ) внутри орбиты. При выполнении этого условия и условия фокусировки (4) будет происходить устойчивое ускорение частиц на орбите постоянного радиуса. Бетатрон — ускоритель импульсного действия и может служить источником электронов до энергии порядка 100—300 Мэв. Однако для энергий выше 100—200 Мэв более удобен синхротрон, не имеющий громоздкого центрального сердечника. Особенно распространены бетатроны на средние энергии — 20—50 Мэв, используемые для различных целей и выпускаемые серийно. Как уже отмечалось, бетатронным режимом ускорения часто пользуются в синхротронах для предварительного ускорения. Т. к. это ускорение производится до небольшой энергии, необходимый для бетатронного ускорения сердечник невелик и существенно не усложняет конструкции синхротрона.

Б. Линейные ускорители

Линейный электростатический ускоритель — см. Ускоритель высоковольтный .

Линейный индукционный ускоритель. В этом У. з. ч. 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^{– 6}сек ). 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).

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.

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.