УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

- установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более МэВ. На рекордном У. протонов - теватроне достигнута энергия 940 ГэВ (Лаборатория им. Ферми, США). Крупнейший ускоритель электронов LEP (ЦЕРН, Швейцария) ускоряет встречные пучки электронов и позитронов до энергии 45 ГэВ (после установки дополнит, ускоряющих устройств энергия может быть увеличена вдвое). У. широко применяются как в науке (генерация элементарных частиц, исследование их свойств и внутр. структуры, получение не встречающихся в природе нуклидов, изучение ядерных реакций, радиобиол., хим. исследования, работы в области физики твёрдого тела и т. д.), так и в прикладных целях (стерилизация медицинской аппаратуры, материалов и др., дефектоскопия, изготовление элементов микроэлектроники, произ-во радиофармакологич. препаратов для медицинской диагностики, лучевая терапия, радиац. технологии в технике - искусств, полимеризация лаков, модификация свойств материалов, напр, резины, изготовление термоусаживающихся труб и др.).

Во всех действующих У. увеличение энергии заряж. частиц происходит под действием внешних продольных (направленных вдоль скорости ускоряемых частиц) электрич. полей. Ведутся поиски способов ускорения с помощью полей, создаваемых другими движущимися частицами или эл.-магн. волнами, к-рые возбуждаются или модифицируются самим пучком ускоряемых частиц или др. пучками ( коллективные методы ускорения}. Коллективные методы теоретически позволяют резко увеличить темп ускорения (энергию, набираемую на м пути) и интенсивность пучков, но пока к серьёзным успехам не привели.

У. включают в себя следующие элементы: источник ускоряемых частиц (электронов, протонов, античастиц); генераторы электрич. или эл.-магн. ускоряющих полей; вакуумную камеру, в к-рой движутся частицы в процессе ускорения (в плотной газовой среде ускорение заряж. частиц невозможно из-за их взаимодействия с молекулами газов, заполняющих камеру); устройства, служащие для впуска (инжекции) и выпуска (эжекции) пучка из У.; фокусирующие устройства, обеспечивающие длит, движение частиц без ударов о стенки вакуумной камеры; магниты, искривляющие траектории ускоряемых частиц; устройства для исследования и коррекции положения и конфигурации ускоряемых пучков. В зависимости от особенностей У. один или несколько из перечисленных элементов в них могут отсутствовать.

В целях радиац. безопасности У. окружаются защитными стенами и перекрытиями (биол. защита). Толщина и выбор материала защиты зависят от энергии и интенсивности ускоренных пучков. Ускорители на энергии выше неск. ГэВ в целях безопасности обычно располагают под землёй.

По принципу устройства различают У. прямого действия, или высоковольтные ускорители (ускорение в пост, электрич. поле), индукционные ускорители (ускорение в вихревых электрич. полях, возникающих при изменении магн. индукции) и резонансные У., в к-рых при ускорении используются В Ч эл.-магн. поля. Все действующие У. на предельно высокие энергии принадлежат к последнему типу.

Современные У. делятся на два больших класса: линейные ускорители и циклические ускорители. В линейных У. траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких У. располагаются ускоряющие станции. Наибольший из работающих линейных У. (электронный У. в Стэнфорде) имеет длину мили (3,05 км). Линейные У. позволяют получить мощные потоки частиц, но при больших энергиях оказываются слишком дорогими. В циклич. У. "ведущее" магн. поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности ( кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали ( циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны}. Такие У. содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к к-рым частицы многократно возвращаются в течение ускорит, цикла.

Следует отметить различие между У. лёгких частиц (электронов и позитронов), к-рые обычно наз. электронными У., и У. тяжёлых частиц (протонов и ионов).

Электронные ускорители. Особенности электроняьгх у. связаны с двумя причинами. Скорость электронов и позитронов уже при небольших энергиях (неск. МэВ) мало отличается от скорости света и обычно может считаться постоянной, что существенно упрощает и удешевляет У. Но, с др. стороны, электроны и позитроны в магн. полях теряют много энергии на эл.-магн. излучение ( синхротрон-ное излучение}. В циклич. У. эти потери приводят либо к огромным размерам У. (при больших радиусах кривизны потери на синхротронное излучение уменьшаются), либо к необходимости иметь мощные ускоряющие станции, сильно удорожающие У. Синхротронное излучение играет и положит, роль: оно приводит к уменьшению размеров ускоряемого пучка, что облегчает создание накопителей, позволяющих проводить опыты на встречных пучках.

Кольцевые электронные У. используют в качестве источников синхротронного излучения в УФ- или рентг. диапазоне. Благодаря высокой плотности излучения и его острой направленности циклич. У. являются уникальными источниками эл.-магн. волн указанных диапазонов. Большие потери электронов на излучение часто заставляют отдавать предпочтение линейным У.

Ускорители тяжёлых частиц (преим. протонов) сильно отличаются от электронных У. Потери энергии на синхротронное излучение в них при достигнутых в наст, время энергиях (~ ТэВ) практически отсутствуют, и поддерживать высокий темп ускорения обычно оказывается невыгодно (т. к. мощность, затрачиваемая на питание ускоряющих станций, пропорциональна квадрату напряжённости электрич. поля и быстро растёт с увеличением темпа ускорения). Отсутствие заметного синхротронного излучения приводит к тому, что амплитуда поперечных колебаний частиц в процессе ускорит, цикла затухает сравнительно медленно (как квадратный корень из импульса частиц), и устойчивость движения в отсутствие спец. мер нарушается под действием даже сравнительно слабых возмущений. Все У. тяжёлых частиц на высокие-энергии принадлежат к типу циклических. ^iV

В 90-х гг. всё большее значение приобретают накопительные и встречные кольца, в к-рых плотные пучки заряж. частиц циркулируют длит, время, не меняя своей энергии. Такие кольца используются для осуществления реакций между частицами, движущимися навстречу друг другу (встречные пучки), для накопления ионов и частиц, непосредственно в природе не встречающихся (позитронов и антипротонов), а также для генерации синхротронного излучения. При взаимодействии частиц, движущихся навстречу друг другу, может реализоваться вся приданная им при ускорении энергия, в то время как при взаимодействии ускоренных частиц с неподвижными большая часть энергии связана с движением центра масс частиц и в реакциях не участвует.

Историческая справка. Разработка У. началась в 1920-х гг. и имела целью расщепление атомных ядер. Раньше других были созданы электростатические генераторы[Р. Ван-де-Грааф (R. Van de Graaf)] и каскадные генераторы[Дж. Кокрофт (J. Cockroft) и Э. Уолтон (Е. Walton)], принадлежащие к классу У. прямого действия, а затем первый циклич. резонансный У.- циклотрон [Э. Лоуренс (Е. Lawrence), 1921]. В 1940 Д. Керст (D. Kerst) построил первый У. индукц. типа - бетатрон.

В 40-х гг. появились теоретич. работы, в к-рых исследовалась устойчивость движения ускоряемых частиц. В первых работах этого цикла [В. И. Векслер и амер. физик Э. Макмиллан (Е. McMillan)] рассматривалась устойчивость продольного (ф а з о в о г о) движения, сформулирован принцип аетофазировки. Затем появились работы по созданию теории поперечного движения частиц-бета-тронных колебаний, приведшие к открытию сильной (знакопеременной) фокусировки [Н. Кристофилос (N. Christophilos), 1950; Э. Курант (Е. Curant), M. Ливинг-стон (M. Livingston), X. Снайдер (Н. Snyder), 1952], лежащей в основе всех совр. крупных У.

Быстрое развитие техники мощных В Ч радиотехн. устройств, произошедшее во время 2-й мировой войны 1939- 45, позволило приступить к созданию линейных У. на большие энергии. В электронных линейных У. используется электрич. поле бегущих волн дециметрового диапазона в диафрагмир. волноводах, в протонных - разработанные Л. Альверецом (L. Alvarez) резонаторы метрового диапазона, нагруженные пролётными трубками. В нач. части таких У. всё чаще применяются У. с квадруполъной высокочастотной фокусировкой (англ. обозначение RFQ), в создании к-рых осн. роль сыграли В. В. Владимирский, И. М. Капчинский и В. А. Тепляков.

При сооружении циклич. У. находят всё большее применение сверхпроводящие магн. системы. Сверхпроводящие магниты используются в циклотронах для создания пост. магн. полей и в синхротронах протонных- для генерации медленно (в течение многих секунд) меняющихся магн. полей. Так работает самый большой из действующих протонных синхротронов-теватрон (США).

До 80-х гг. осн. открытия в физике элементарных частиц делались на протонных синхротронах. Сейчас многие интересные результаты получают на электрон-позитронных и протон-антипротонных кольцевых ускорителях со встречными пучками (к о л л а й д е р а х). Преимущества таких У. перед обычными: 1) существ. увеличение энергии взаимодействия (в системе центра масс); в ультрарелятивистском случае, к-рый всегда имеет место на встречных пучках, эта энергия возрастает от при соударении быстрых частиц с ядрами неподвижной мишени до на коллайдерах ( т- масса соударяющихся атомов и атомов мишени, -полная энергия ускоренных частиц); 2) резкое уменьшение фона от посторонних реакций. Осн. недостаток коллайдеров - существенное (на неск. порядков) уменьшение числа взаимодействий (за то же время). Техника кольцевых У. со встречными электрон-позит-ронными пучками освоена в 1961 (ускоритель на энергию 2 х 250 МэВ во Фраскатти, Италия), а установки со встречными протонными и антипротонными пучками появились лишь после того, как были предложены методы э л е кт р о н н о г о (А. М. Будкер, 1967) и с т о х а с т и ч е с к о г о [С. Ван-дер-Меер (S. Van der Meer), 1972] о х л а ж д е н и я тяжёлых частиц (см. Охлаждение пучков з а р я ж е н н ы х ч а с т и ц). Всё большее внимание уделяется разработке нетрадиц. способов ускорения: коллективных методов, ускорения на биениях лазерных полей, ускорения в кильватерных полях и т. д. Начало этим работам положили В. И. Векслер, А. М. Будкер и Я. Б. Файнберг. Однако основанные на этих идеях У. пока не созданы.

Ускорители прямого действия. В таких У. заряж. частицы увеличивают энергию в постоянных или квазипостоянных (не меняющихся за время, в течение к-рого частицы набирают полную энергию) электрич. полях. Энергия, приобретаемая частицами, равна в этом случае их заряду, умноженному на пройденную разность потенциалов. Максимально достижимая энергия частиц в У. прямого действия определяется наибольшей разностью потенциалов (15-18 MB), к-рую можно создать без пробоя в физ. установках. Во всех практически используемых У. прямого действия последний электрод ускоряющей системы находится при потенциале земли, поскольку только в этом случае выведенные из У. частицы не теряют приобретённой энергии при дальнейшем движении.

К числу У. прямого действия относятся электростатич. генераторы, каскадные генераторы и перезарядные ускорители (или тандемные У.). Ускоряемые частицы в таких У. движутся внутри и вдоль трубы, изготовленной из изоляц. материала (обычно фарфора), внутри к-рой создаётся вакуум, необходимый для беспрепятственного движения ускоряемых частиц, а снаружи (под высоким давлением) нагнетается тщательно высушенная, освобождённая от кислорода газовая смесь (чаще всего азот с примесью шестифтористой серы), препятствующая развитию электрич. пробоев. Между электродами, расположенными у торцов трубки, создаётся ускоряющая разность потенциалов (рис. 1). Электрич. поле, направленное вдоль оси трубки, выравнивается металлич. разделит. кольцами, соединёнными с омич. делителем напряжения.

В э л е к т р о с т а т и ч е с к и х У. высокое напряжение создаётся с помощью быстро движущейся ленты, изготовленной из изолирующего материала, напр. резины. В низковольтной части установки на ленту наносится электрич. заряд. Этот заряд стекает на ленту с металлич. игл, заряжаемых от спец. генератора до неск. десятков кВ. Движущаяся лента переносит заряд в высоковольтную часть У., расположенную внутри полого металлич. колпака. Там заряд снимается с ленты с помощью таких же игл и перетекает с них к наружной поверхности колпака. Потенциал колпака (и всего оборудования, заключённого внутри него, в т. ч. ионного источника и высоковольтного электрода трубки) по мере поступления зарядов непрерывно увеличивается и ограничивается только пробоем.

Рис. 1. Схема устройства ускорительной трубки.

В к а с к а д н ы х г е н е р а т о р а х для создания больших разностей потенциалов используют схемы умножения напряжения.

В п е р е з а р я д н ы х У. сначала ускоряются отрицат. ионы (атомы, содержащие лишний электрон), а затем, после удаления двух (или нескольких) электронов,- образовавшиеся при обдирке положит. ионы. Как источник, так и выходные устройства таких У. находятся при потенциале земли, а высоковольтный, снабжённый обдирочным приспособлением электрод располагается в ср. части У. Перезарядные У. позволяют без пробоя получать удвоенные (а при более глубокой обдирке и более высокие) значения энергии.

Индукционные ускорители. К индукц. У. принадлежат бетатроны и линейные индукц. У.

Рис. 2. Схематический разрез бетатрона: 1 - полюсы магнита; 2 -сечение кольцевой вакуумной камеры; 3- сердечник; 4 - обмотки электромагнита; 5 - ярмо магнита.

Схема устройства бетатрона приведена на рис. 2. Ускоряемые частицы (электроны) движутся в кольцевой вакуумной камере 2, расположенной в зазоре электромагнита (1 - полюсы магнита). Их ускоряет вихревое электрич. поле, к-рое возбуждается при изменении магн. потока, пронизывающего орбиту ускоряемых частиц. Осн. часть этого потока проходит через сердечник 3, расположенный в центр. части бетатрона. Обмотки 4 питаются перем. током. Конфигурация магн. поля в бетатроне должна подчиняться двум условиям: 1) магн. индукция на центр. орбите должна соответствовать изменяющейся энергии электронов; 2) конфигурация магн. поля в вакуумной камере должна обеспечивать устойчивость поперечного движения электронов или, как говорят, устойчивость их бетатрон-ных колебаний (см. ниже). Расположенные выше и ниже камеры кольцеобразные скошенные магн. полюсы создают необходимое для такой устойчивости поле, спадающее к периферии (рис. 8, б).

Идея бетатронного метода ускорения высказана в 1922 Дж. Слепяном (J. Slepian), основы теории развиты в 1948 Р. Видероэ (R. Wideroe). Первый бетатрон построен в 1940. Простота и надёжность бетатронов обеспечили их широкое применение в технике и медицине (в области энергий 20-50 МэВ).

В линейных индукционных ускорителях силовые линии электрич. поля (с напряжённостью Е )направлены вдоль оси ускорителя. Электрич. поле индуцируется изменяющимся во времени магн. потоком, проходящим через расположенные друг за другом кольцевые ферритовые индукторы 1 (рис. 3). Магн. поток возбуждается в них короткими (десятки или сотни нc) импульсами тока, пропускаемыми через одновитковые обмотки 2, охватывающие индукторы. Фокусировка производится продольным магн. полем, к-рое создаётся катушками 3, расположенными внутри индукторов. Линейные индукционные У. позволяют получать в импульсе рекордные (килоамперные) токи; наиб. мощный из работающих У.- АТА (США) - ускоряет электроны до энергии 43 МэВ при токе 10 кА. Длительность токовых импульсов 50 нc.

Рис. 3. Схема устройства линейного индукционного ускорителя: 1- сердечник индуктора; 2- возбуждающая обмотка; 3- фокусирующая катушка.

Резонансные ускорители. В резонансных У. для увеличения энергии заряж. частиц используются ВЧ продольные электрич. поля. Ускорение в таких полях возможно при выполнении одного из двух условий: либо ускоряемые частицы должны двигаться вместе с эл.-магн. волной, сохраняя своё положение относительно неё (у с к о р и т е л и с б е г у щ е й в о л н о й), либо они должны взаимодействовать с ней только в такие моменты времени, когда электрич. поле имеет нужное (ускоряющее) направление и нужную величину (собственно резонансные У.). Участки, на к-рых происходит взаимодействие частиц с ускоряющим полем, наз. у с к о р я ю щ и м и з а з о р а м и и л и у с к о р я ю щ и м и п р о м е ж у т к а м и. На остальной части пути частицы не испытывают действия ВЧ-поля либо потому, что его там просто нет, либо потому, что частицы защищены от него экранами.

У. с бегущей волной применяют в осн. для ускорения лёгких частиц (электронов и позитронов), скорость к-рых уже при небольших энергиях мало отличается от скорости света. Фазовая скорость эл.-магн. волн в вакуумных волноводах всегда превышает скорость света; нагружая волноводы системой перфорир. диафрагм, можно замедлить скорость волны, но не очень сильно. Поэтому для ускорения медленных частиц У. с бегущей волной не применяют.

.

Рис. 4. Схема устройства ускорителя Видероэ: 1 - пролётные f трубки; 2-генератор ВЧ-колебаний; 3- ускоряющие зазоры;

Линейные резонансные ускорители. Простейший резонансный У.- у с к о р и т е л ь В и д е р о э (рис. 4). Расставленные по ходу пучка металлич. пролётные трубки присоединяются (через одну) к полюсам ВЧ-генератора. В ускоряющих зазорах (промежутках между противоположно заряженными пролётными трубками) создаётся продольное электрич. ВЧ-поле с напряжением порядка сотен кВ. Частицы, подходящие к ускоряющему зазору в нужный момент времени, ускоряются электрич. полем, а затем "прячутся" в очередную пролётную трубку. Её длина и скорость частицы согласованы между собой так, что к очередному зазору частицы подходят в тот момент времени, когда электрич. поле имеет правильное направление и величину, т. е. ту же фазу, что и в предыдущем ускоряющем зазоре. Для этого необходимо, чтобы выполнялось условие

где /-длина трубки и ускоряющего промежутка; - скорость частицы, выраженная в долях скорости света с; -длина волны эл.-магн. колебаний (в пустоте); п- любое целое число. Ускоренный пучок состоит, т. о., из цепочки сгустков частиц (банчей), прошедших через ускоряющие зазоры при надлежащей фазе колебаний электрич. поля. При разработке структуры линейного У. важно правильно выбрать длины не только пролётных трубок, но и ускоряющих зазоров. Эти длины должны быть, с одной стороны, достаточно велики, чтобы выдерживать заметные напряжения (сотни кВ, а иногда и мегавольты), а с другой - достаточно малы, чтобы фаза ВЧ-колебаний за время прохождения частицы менялась не слишком сильно.

При увеличении скорости частиц ускорители Видероэ становятся неэффективными и уступают место ускорителям Альйареца. В них пролётные трубки не присоединяются к генератору, а располагаются друг за другом внутри длинного цилиндрич. резонатора, в к-ром возбуждаются эл.-магн. колебания. ВЧ-поле, к-рое вдали от пролётных трубок распределено так же, как в обычном резонаторе, у его оси концентрируется'в ускоряющих зазорах. Схема расположения элементов "ускоряющий зазор - пролётная трубка-ускоряющий зазор" и т. д. остаётся той же, что и в ускорителях Видероэ, но условие (1) принимает вид

Линейные резонансные У. эффективно работают, если в них инжектируются достаточно быстрые частицы, предварительно ускоренные с помощью У. прямого действия или с помощью У. со знакопеременной высокочастотной фокусировкой. - v

Циклотроны -простейшие и исторически первые У. цик-лич. типа (рис. 5). В совр. понимании циклотронами называются резонансные циклич. У., работающие при не меняющемся во времени ведущем магн. поле и при пост, частоте ускоряющего ВЧ-поля. В обычных циклотронах магн. поле обладает азимутальной симметрией и почти не зависит от радиуса; траектории ускоряемых частиц имеют вид раскручивающихся спиралей. Обычные циклотроны применяют для ускорения тяжёлых нерелятивистских частиц-протонов и ионов. Вакуумная камера циклотронов ограничена внеш. стенкой цилиндрич. формы и двумя плоскими горизонтально расположенными крышками. Полюсы электромагнита обычных циклотронов создают в камере почти однородное (слегка спадающее к периферии) магн. поле. Ускоряющий зазор образуется срезами двух расположенных в камере и обращённых друг к другу электродов, имеющих форму полых полуцилиндров,- д у а н т о в. Дуанты присоединяются к полюсам высоковольтного генератора через четвертьволновые линии.

Рис. 5. Схема устройства циклотрона.

На частицу, движущуюся по окружности, действует центростремит. сила Лоренца равная центробежной силе где r - радиус кривизны траектории, Zе- заряд частицы. Т. о., Переходя к более удобным единицам, получим

где рс- произведение импульса частицы р на скорость света с- выражается в МэВ, индукция магн. поля В измеряется в теслах, а r-в м.

Предельная энергия, достижимая в обычных циклотронах; составляет для протонов ок. 20 МэВ, а частота ускоряющего поля (при В = 2Тл)- ок. 30 МГц. При больших энергиях ускоряемые частицы выходят из синхронизма с ускоряющим напряжением из-за необходимого для поперечной устойчивости уменьшения В от центра к периферии и вследствие релятивистских эффектов.

Обычные циклотроны широко применяются для получения изотопов и во всех др. случаях, когда нужны протоны (или ионы) с энергией до 20 МэВ (или ~20 МэВ/нуклон). Если же нужны протоны с более высокой энергией (до неск. сотен МэВ), то применяются циклотроны с азимутальной вариацией магн. поля. Устойчивость поперечного движения в таких циклотронах обеспечивается благодаря отказу от азимутальной симметрии магн. поля и выбору такой его конфигурации, к-рая позволяет сохранить устойчивость движения и при нарастающих (в среднем) к периферии значениях магн. индукции.

Процесс ускорения в циклотронах происходит непрерывно: в одно и то же время одни частицы только покидают ионный источник, другие находятся на середине пути, а третьи заканчивают процесс ускорения. Типичный ток внутр. пучка в циклотронах составляет ок. 1 мА, ток выведенного пучка зависит от эффективности эжекции и от тепловой устойчивости выводных фольг; обычно он составляет неск. десятков мкА.

Фазотроны. В фазотронах магн. поле постоянно во времени и сохраняется его цилиндрич. симметрия. Магн. поле уменьшается к периферии, частота обращения частиц с возрастанием их энергии уменьшается, и соответственно уменьшается частота ускоряющего поля. При этом отпадают ограничения на энергию ускоренных частиц, но резко (на неск. порядков) уменьшается интенсивность ускоренного пучка. Изменение частоты ускоряющего поля приводит к тому, что процесс ускорения разбивается на циклы: новая партия частиц может быть введена в фазотрон лишь после того, как ускорение предыдущей партии закончено и частота возвращена к исходному значению. Обычная рабочая область фазотронов от неск. сотен до тысячи МэВ. При дальнейшем увеличении энергии размеры магнитов становятся слишком большими, а их вес и стоимость чрезмерно возрастают. В последнее время (90-е гг.) новых фазотронов не строят. Для энергий до неск. сотен МэВ применяют циклотроны с азимутальной вариацией магн. поля, а для ускорения до больших энергий используют синхротроны.

Синхротроны применяют для ускорения частиц всех типов: собственно синхротроны-для электронов и синхротроны для протонов и др. ионов (старое назв.- синхрофазотроны, см. Синхротрон протонный). Энергия, до к-рой ускоряются частицы в синхротронах, ограничена для электронов мощностью синхротронного излучения, а для протонов и ионов только размерами и стоимостью У.

В синхротронах постоянной в процессе ускорения остаётся орбита, по к-рой обращаются частицы. Ведущее магн. поле создаётся только вдоль узкой дорожки, охватывающей кольцевую вакуумную камеру, в к-рой движутся частицы. Как ясно из (3), при пост. радиусе магн. индукция должна возрастать пропорц. импульсу ускоряемых частиц. Частота обращения со (при пост. длине орбиты) связана с импульсом ф-лой

где -частота, с к-рой обращалась бы в синхротроне частица, движущаяся со скоростью света. Частота ускоряющего поля может совпадать с частотой обращения частиц или в целое число раз (оно наз. к р а т н о с т ь ю) превосходить её. Т. о., в электронных синхротронах (у к-рых всегда p>>mc ) частота ускоряющего поля постоянна, в то время как индукция магн. поля возрастает. В протонных синхротронах на протяжении ускоряющего цикла возрастает как индукция магн. поля, так и частота ускоряющего напряжения.

Микротроны -циклич. У. с пост. магн. полем и с приращением энергии на оборот, равным энергии покоя электрона (0,511 МэВ). Если всё приращение энергии происходит на одном коротком участке, то в пост. магн. поле частицы переходят с одной круговой орбиты на другую. Все эти орбиты касаются друг друга в точке расположения ускоряющего устройства. Энергия электронов в таких У. достигает неск. десятков МэВ.

Размеры ускорителей. Ускорительные комплексы. Длина линейного У. определяется энергией ускоряемых частиц и темпом ускорения, а радиус кривизны орбиты кольцевых ускорителей - энергией частиц и макс. индукцией ведущего магн. поля.

В совр. электронных линейных У. темп ускорения составляет 10-20 МэВ/м, в протонных - 2,5-5 МэВ/м. Увеличение темпа ускорения наталкивается на две осн. трудности: на увеличение резистивных потерь в стенках резонаторов и на опасность электрич. пробоев. Для снижения резистивных потерь можно использовать сверхпрово-дящие резонаторы (первые такие У. уже начали работать); для борьбы с пробоями тщательно выравнивают распределение электрич. поля в резонаторах, избегая местных неоднородностей. Возможно, темп ускорения в протонных линейных У. удастся увеличить со временем на порядок величины.

Размеры циклических У. связаны с индукцией ведущего магн. поля ф-лой (3). При ускорении однозарядных частиц и среднем по кольцу значении Тл (что соответствует эта ф-ла даёт (м). В соответствии с этим У. на 1 ТэВ должен иметь периметр ~ 20 км. Такие У. в целях защиты от излучений строят под землёй. Огромные размеры У. на большие энергии приводят к капитальным затратам, выражаемым миллиардами долларов.

Приведённые оценки справедливы для У., магн. блоки к-рых содержат железное ярмо. Увеличивать B _макс выше 1,8 Тл оказывается невозможным из-за насыщения железа, однако это можно сделать, переходя к сверхпроводящим магн. системам. Первый такой У.- тэватрон - уже работает в Лаборатории им. Ферми в США. Магн. поле в блоках, намотанных кабелем с жилами из NbTi в медной матрице, при темп-ре 4 К может быть поднято до 5- 5,5 Тл, а при понижении темп-ры до 1,8 К или при переходе к NbSn-до 8-10 Тл. (Сплав NbSn при изготовлении ускорителей не применяют из-за его хрупкости.) Дальнейшее понижение темп-ры позволяет переходить к ещё большим магн. полям, но экономически невыгодно; размеры У. уменьшаются, но возрастает количество дорогого и энергоёмкого криогенного оборудования.

Менее жёстко определены минимально допустимые значения В. В У. с железным ярмом B _мин не должно быть меньше (6-10)^.10~³ Тл, т. к. при меньших полях слишком большой вклад в полную величину магн. индукции начинают вносить остаточные магн. поля, пространственное распределение к-рых обычно бывает неблагоприятным. Отношение B _макс/B _мин, а следовательно, и отношение импульсов эжектируемых и инжектируемых частиц в У. с обычными магнитами не может поэтому превосходить 200-300. В сверхпроводящих магн. системах этот диапазон оказывается ещё меньше, т. к. при малых полях на пространств. распределении магн. индукции сильно сказываются вихревые токи в сверхпроводящих проводниках. Указанные ограничения - одна из причин, приводящих к тому, что все крупные ускорит. комплексы содержат неск. последовательно работающих У.: линейный У.- инжектор, один или неск. промежуточных У.- бустеров, наконец, основной У., доводящий заряж. частицы до предельной энергии, и, возможно, накопительное кольцо. Схема ускорит. комплекса ЦЕРН приведена на рис. 6.

Сооружение и эксплуатация этого комплекса про-изводится и финансируется содружеством стран Европы. Наиб. У., входящий в состав комплекса,- это накопительно-столкновительное электрон-по-зитронное кольцо LEP [Large Electron Positron (Collider) ], ускоряющее электронные и позитрон-ные пучки до энергии 45ГэВ. У. расположен в глубоком подземном тоннеле и имеет периметр 27 км. В этом тоннеле в 90-х гг. предполагается соорудить большой сверхпроводящий адронный коллайдер LHC (Large Hadron Collider), рассчи-тайный на ускорение протонов и антипротонов до энергии 7 ТэВ, а в дальнейшем и на ускорение ионов.

Рис. 6. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН (Швейцария).

Для инжекции в LHC будет использоваться ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), на выходе к-рого протоны имеют энергию ~450 ГэВ. Периметр этого ускорителя 6,9 км, он расположен под землёй на глубине 40 м. SPS получает тяжёлые частицы от протонного синхротрона PS, в к-рый, в свою очередь, протоны и ионы попадают из бустера "Изольда", а электроны и позитроны-из бустера ЕРА.

В России наиб. протонный (и ионный) У. (70 ГэВ) работает в Протвино (ок. Серпухова, Моск. обл.). При нём начато сооружение ускорительно-накопительного центра (УНЦ) с периметром 21 км. Он рассчитан на ускорение протонов и антипротонов до энергии 3 ТэВ. В Международном объединённом ин-те ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна, Моск. обл.) работает протонный синхротрон, ускоряющий протоны до 9 ГэВ, фазотрон и сверхпроводящий У. ионов - нуклотрон, ускоряющий ионы до энергии 6 ГэВ/нуклон.

В Ин-те теоретич. и эксперим. физики (ИТЭФ, Москва) протонный синхротрон ускоряет протоны до энергии 9 ГэВ.

Фазовые колебания. Как уже отмечалось, в резонансных У. пучок ускоряемых частиц самопроизвольно разделяется на сгустки. Центр. частицы сгустков очередной раз подходят к ускоряющему зазору (в циклич. У.) или к очередному ускоряющему зазору (в линейных У.) в те моменты времени, когда фаза ускоряющего ВЧ-напряжения имеет нужное значение. Такие частицы наз. р а в н о в е с н ы м и. Др. частицы сгустка в процессе ускорения колеблются около равновесной, то опережая её, то отставая от неё. Эти колебания наз. фазовыми. Они сопровождаются колебаниями энергии и импульса ускоряемых частиц относительно энергии и импульса равновесной частицы.

Рассмотрим фазовое движение в линейном У. Будем для простоты считать, что ускоряющие зазоры настолько коротки, что частицы проходят их практически мгновенно. Пусть нек-рая частица подошла к зазору позже, чем равновесная. Чтобы она начала её догонять, она должна получить больше энергии при прохождении зазора. Наоборот, частица, пришедшая к зазору раньше равновесной, должна получить меньше энергии.

На рис. 7 синусоидальная кривая изображает изменяющуюся во времени напряжённость Е ускоряющего ВЧ-поля. Штриховая линия отмечает напряжённость, к-рая должна существовать в момент прохождения равновесной частицы, чтобы она вовремя подошла к следующему зазору. На каждом периоде изменения Е есть две такие точки: С и D. Легко, однако, видеть, что движение устойчиво только в точке С. Лишь в этой точке в более поздние моменты времени напряжённость поля возрастает, а в более ранние моменты снижается.

Рис. 7. К обсуждению принципа автофазировки.

Детальный анализ продольного движения частиц показывает, что при достаточной амплитуде ВЧ-колебаний всегда существует область устойчивого фазового движения- в данном случае область, расположенная вокруг точки С. Это утверждение наз. принципом автофазировки.

В циклическом У. от энергии зависит не только скорость частиц, но и длина пути, проходимого ими oт предыдуще-го ускоряющего зазора до последующего (если их несколько), а также периметр траектории. Введём коэф. удлинения oрбит .

где L - периметр орбиты, р- импульс частицы. Изменение времени, затрачиваемого частицей на обращение в У., зависит от её импульса и описывается ф-лой

где g-лоренц-фактор частицы, В линейных У. a = 0, и устойчивой является точка С. В циклическом У. при устойчива точка С, а при точка D. Энергия, при к-рой эти точки меняются местами, соответствует соотношению

и наз. к р и т и ч е с к о й э н е р г и е й (в англ. литературе- transition energy). В этой точке фаза ускоряющего напряжения должна быть переброшена из одной "синхронной точки" в другую. При подходе к критич. энергии частоты фазовых колебаний (в циклических У. они часто наз. ради-ально-фазовыми) снижаются и фазовые размеры сгустков резко уменьшаются, а разброс частиц по импульсам (и по энергии) увеличивается. В момент перехода через критич. энергию усиливается влияние разл. вида неустойчивостей. В зависимости от особенностей конструкции У.- от величины a- критич. энергия может лежать внутри или вне рабочего диапазона энергий.

Проблема поперечной устойчивости. Бетатронные колебания. В крупных кольцевых У. за время ускорения частицы проделывают путь, измеряемый сотнями тысяч или даже миллионами км. В накопит. системах этот путь ещё на неск. порядков больше, а в небольших У.- на неск. порядков меньше, но он всегда очень велик по сравнению с диаметром вакуумной камеры, поперечные размеры к-рой обычно не превосходят двух десятков см. Столкновение частиц со стенками камеры приводит к их потере. Поэтому ускорение возможно лишь при наличии тщательно рассчитанной и исполненной системы фокусировки.

При любом значении энергии ускоряемой частицы (в области устойчивости фазовых колебаний) в кольцевых У. имеется замкнутая (устойчивая) орбита. Находясь в вакуумной камере У., частицы движутся вблизи этой орбиты, совершая около неё бетатронные колебания. Частоты этих колебаний существенно превосходят частоты фазовых колебаний, так что при исследовании бетатронных колебаний энергию ускоряемых частиц и положение замкнутой орбиты можно считать постоянными.

При теоретич. рассмотрении бетатронных колебаний обычно исследуют площади, к-рые занимают ускоряемые частицы в "фазовых плоскостях" (r, р _r )и (z, p_z), где r и z - горизонтальная и вертикальная координаты частицы (r = R - R₀, где R- радиус частицы, R₀ - радиус равновесной траектории), a p_r и p_z- соответствующие составляющие её импульса. При невозмущённом движении эти площади имеют форму эллипса. Согласно Лиувилля теореме, величины площадей не меняются при движении. В процессе ускорения частицы пересекают многочисл. неоднородности магн. и электрич. полей. При этом занятая пучком в фазовом пространстве область может приобретать сложную форму, так что эфф. величина площади - площадь описанного эллипса - возрастает. В тщательно настроенном У. такого возрастания не происходит. При наличии связи между горизонтальным и вертикальным движениями сохраняется не каждая из указанных площадей, а объём, занимаемый пучком в четырёхмерном пространстве (r,z, р _r, p_z).

Практич. интерес обычно представляет область, занимаемая пучком не в фазовых плоскостях, а в плоскостях (r,q_r), (z, q_z ) где q_r и q_z -углы, составляемые скоростями частиц с касательной к равновесной орбите. Эти площади наз. г о р и з о н т а л ь н ы м (или р а д и а л ь н ы м) и в е р т ик а л ь н ы м (или а к с и а л ь н ы м) эмиттансами пучка e_r и e_z. Переход от импульсов к углам даётся ф-лами

где р- продольная составляющая импульса, к-рая практически совпадает с полным импульсом; р₀ = тс. Из теоремы Лиувилля следует, что интегралами движения являются величины pe_r и pe_z или, соответственно, bge_r и bge_z, к-рые наз. н о р м а л и з о в а н н ы м и э м и т т а н с а м и.

Из сказанного ясно, что при ускорении нормализованные эмиттансы остаются неизменными, а обычные эмит-тансы e_r и e_z уменьшаются как 1/bg. Соответственно уменьшаются поперечные размеры пучка.

Важнейшей характеристикой любого У. является его а к с е п т а н с - наиб. эмиттанс, к-рый У. пропускает без потерь. Высокая интенсивность ускоряемого пучка может быть достигнута только в У. с достаточно большим аксеп-тансом.

При заданных размерах вакуумной камеры аксептанс У. пропорционален макс. углу, к-рый могут составлять траектории частиц с равновесной орбитой, и, следовательно, обратно пропорционален длине волны бетатронных колебаний. Вертикальный и горизонтальный аксептансы У. пропорциональны, т. о., числам бетатронных колебаний на оборот Q_r и Q_z к-рые поэтому желательно увеличивать. Во всех существующих У. Q_r и Q_z близки друг к другу. Если оба они меньше 1, фокусировка наз. с л а б о й (м я гк о й), а если больше 1-с и л ь н о й (ж ё с т к о й).

Все целые и полуцелые значения Q_r и Q_z запрещены. При целых Q частицы возвращаются к магн. элементам в одной и той же фазе бетатронных колебаний, влияние погрешностей поля складывается и возникает резонансная раскачка колебаний (в н е ш н и й р е з о н а н с). Вокруг целых значений имеются запрещённые области частот, внутри к-рых возрастание колебаний, хотя и ограничено по величине, но оказывается недопустимо большим, напр. превосходит размеры вакуумной камеры.

Полуцелые значения Q_r и Q_z запрещены из-за возникновения п а р а м е т р и ч е с к о г о р е з о н а н с а - резонансной раскачки колебаний, возникающей благодаря нерегулярностям градиента магн. поля. В нек-рых У., в особенности в накопителях, сказываются и резонансы более высоких порядков.

В циклич. У. для фокусировки частиц используют поперечные магн. поля. В однородном ведущем поле имеется только горизонтальная фокусировка, а вертикальная фокусировка отсутствует (Q_z=0)Этот результат легко понять, замечая, что при движении частиц в однородном (вертикальном) магн. поле (B_r =0, B_z =const) силы Лоренца не имеют составляющей по z и частицы сохраняют нач. аксиальную скорость. Необходимые для осевой фокусировки силы возникают лишь при наличии радиальной составляющей магн. поля.

Конфигурация магн. поля зависит от формы полюсных наконечников. На рис. 8 (a) и 8( б) изображены полюсные наконечники, имеющие форму фигуры вращения (вокруг оси z). На рис. 8 ( а )изображены плоские полюсы, создающие однородное вертикальное поле, такие поля не создают осевой фокусировки. На рис. 8 ( б )изображена картина поля, возникающая между полюсами, создающими зазор, расширяющийся к периферии. В этом случае сила Лоренца приобретает фокусирующую (возвращающую к центральной плоскости) осевую составляющую. Однако появление осевой фокусировки сопровождается ослаблением радиальной: частицы, отклонившиеся к периферии, медленнее возвращаются к равновесной траектории, т. к. попадают в более слабое поле.

Рис. 8. а- магнитные силы в однородном поле; б- магнитные силы в поле, уменьшающемся к периферии.

В линейных У. проблема фокусировки также является важной, хотя она и не так критична, как в кольцевых У.: длина пути частиц в линейных У. невелика и ускоряемые частицы не возвращаются к уже пройденным возмущениям поля.

В циклических У., магн. система к-рых обладает азимутальной симметрией, справедлива ф-ла

Одновременная устойчивость радиальных и аксиальных бетатронных колебаний в этом случае возможна только при т. е. при слабой фокусировке (см. Фокусировка частиц в ускорителе). При сильной фокусировке участки, фокусирующие по z и дефокуси-рующие по r, сменяются участками, фокусирующими по горизонтальной и дефокусирующими по вертикальной координатам. При последоват. расположении таких участков и правильном выборе градиентов магн. поля и геометрии магнитов система в целом оказывается фокусирующей, причём оба результирующих значения бетатронных частот могут существенно превосходить единицу.

В У. с сильной фокусировкой применяются квадруполь-ные магн. или электрич. (при небольших энергиях ускоряемых частиц) поля. На рис. 9 ( а )изображена квадруполь-ная магн. линза, создающая фокусирующее в вертикальном направлении (по оси z) и дефокусирующее по радиусу r магн. поле. Вакуумная камера располагается вдоль оси линзы между её полюсами (на рис. не изображена). Положительно заряженные частицы "летят" на читателя. Четыре такие частицы и действующие на них силы Лоренца изображены точками и стрелками. В фокусирующих по радиусу (и дефокусирующих по z )линзах магн. полюса N и S меняются местами. В кольцевых У. магниты, создающие ведущее магн. поле, располагаются между линзами. Они создают направленное по оси z однородное магн. поле. В нек-рых У. применяют магниты с совмещёнными ф-циями. Их магн. поле содержит как дипольную (ведущее поле), так и квадрупольную составляющую (рис. 9, б).

Ркс. 9. а- квадрупольная магнитная линза; б- магнитный блок с совмещёнными функциями.

Для поперечной фокусировки в линейных У. можно было бы попытаться использовать эл.-магн. волну, к-рая ускоряет частицы. Однако в обычных волнах E -типа точки, соответствующие устойчивому фазовому движению, оказываются неустойчивыми для поперечных колебаний и наоборот. Чтобы обойти эту трудность, можно применять знакопеременную фазовую фокусировку (точки С и D на рис. 7 последовательно сменяют друг друга) или отказаться от азимутальной симметрии электрич. поля в резонаторе (квадрупольная ВЧ-фокусировка). Чаще всего, однако, для поперечной фокусировки применяют квадрупольные поля, создаваемые спец. магн. линзами. С 80-х гг. для изготовления таких линз начали использовать пост. магниты (сплав SmCo).

Эффекты, связанные с интенсивностью. Кроме резонан-сов, возникающих при взаимодействии пучка с внеш. полями, при больших интенсивностях пучков начинают играть роль разл. рода неустойчивости, связанные с взаимодействиями частиц пучка друг с другом, с элементами вакуумной камеры и ускоряющей системы, а в У. со встречными пучками-и с воздействием пучков друг на друга. Наиб. простым среди этих эффектов является кулоновский сдвиг частоты бетатронных колебаний. Электрич. поле пучка отталкивает к периферии наружные частицы и не действует на центральную частицу сгустка. В результате этого частоты бетатронных колебаний частиц в пучке начинают отличаться от частоты колебаний центра тяжести пучка. Если это различие превышает расстояние между ближайшими запрещёнными значениями Q, то при любой настройке У. часть пучка неизбежно теряется. Электроста-тич. отталкивание частиц сказывается и на фазовых колебаниях пучка (в частности, приводит к эффекту "отрицательной массы").

Пучок ускоренных частиц взаимодействует со своим электростатич. изображением в вакуумной камере и с расположенными в ней предметами (резонаторами ускоряющих станций, датчиками измеряющих устройств, деталями и вводами вакуумной системы и т. д.). При этом сила, действующая на каждую частицу, пропорц. сдвигу пучка в камере относительно равновесной траектории и его линейной плотности. В результате этого взаимодействия возникают эл.-магн. поля, действующие на позже пролетающие частицы (эффект "г о л о ва - х в о c т") и на сами вызвавшие появление полей частицы при возвращении этих частиц к возбуждённому участку. Указанное взаимодействие вызывает ряд эффектов, приводящих к потере устойчивости пучка. Кроме уже упомянутого эффекта "голова- хвост", могут возникать р е з и с т и в н а я н е-, у с т о й ч и в о с т ь (взаимодействие с бегущим вдоль камеры электрич. изображением пучка, к-рое запаздывает по фазе из-за конечной проводимости стенок камеры), микроволновая неустойчивость (взаимодействие с объектами, способными возбуждаться на высоких частотах) и др.

Ускорители со встречными пучками (коллайдеры). При генерации новых частиц в акте соударения должна выделяться энергия, равная или превосходящая энергию покоя рождающихся частиц, т. <е. сотни МэВ, а иногда многие десятки ГэВ. При таких больших энерговыделениях теряет значение не только хим. связь частиц, входящих в состав мишени, но и связь нуклонов в ядре, так что соударение происходит с одиночными нуклонами или даже с одиночными кварками, составляющими нуклон. Т. н. кумулятивные процессы, к-рые можно рассматривать как одноврем. столкновение ускоренной частицы с двумя или неск. нуклонами, представляют научный интерес, но при высоких энергиях наблюдаются крайне редко.

Как уже отмечалось выше, при соударении частиц в кол-лайдерах может реализоваться вся набранная при ускорении энергия, в то время как при соударении быстрого протона с нуклоном неподвижной мишени используется только часть этой энергии. Так, для генерации J/y-мезона энергия протона должна в 3,7 раз превышать энергию покоя J/y-мезона, а для генерации Z⁰ -бозона нужно 50-кратное превышение энергии. Генерация тяжёлых частиц на неподвижных мишенях оказывается поэтому катастрофически невыгодной, и необходимо переходить к коллай-дерам. В коллайдерах частицы могут двигаться навстречу друг другу или в одном кольце (частицы и античастицы), или в двух пересекающихся кольцах.

Техника работы с накопит. кольцами, в к-рых движутся встречные пучки, очень сложна. Кол-во ядерных реакций, происходящих в единицу времени, оказывается в тысячи раз меньше, чем при неподвижных мишенях, из-за крайней разреженности пучков. Эффективность коллайдеров принято характеризовать их светимостью, т. е. числом, на к-рое нужно умножить эфф. сечение изучаемой реакции, чтобы получить число таких реакций в единицу времени. Светимость пропорц. произведению интенсивностей сталкивающихся пучков и обратно пропорц. площади сечения пучков (если они равны). Сталкивающиеся пучки должны, т. о., содержать много частиц и занимать небольшие объёмы в фазовом пространстве. Охлаждение фазового объёма электронных и позитронных пучков из-за синхротрон-ного излучения обсуждалось выше. В то же время фазовый объём протонных пучков по мере ускорения уменьшается всего как 1/р, т. е. совершенно недостаточно. А объём, занятый антипротонными пучками, оказывается очень большим уже при их генерации и мало уменьшается в дальнейшем, т. к. антипротоны образуются при высокой энергии (неск. ГэВ). Поэтому перед соударениями антипротонные пучки должны накапливаться и о х л а ж д а т ьс я, т. е. сжиматься в фазовом пространстве.

Существует два способа охлаждения пучков тяжёлых частиц (протонов, антипротонов, ионов)-электронный и стохастический. Э л е к т р о н н о е о х л а ж д е н и е происходит при взаимодействии охлаждаемых пучков с пучком "холодных" электронов, летящим на нек-ром общем участке вместе с охлаждаемыми частицами и имеющим ту же ср. скорость. (Темп-рой пучка наз. средняя энергия его частиц, измеренная в системе координат, движущейся вместе с пучком.)

С т о х а с т и ч е с к о е о х л а ж д е н и е основано на том, что число одновременно охлаждаемых частиц не очень велико. Если внутри устройства, измеряющего координаты пучка, находится всего одна частица, то её отклонение может быть измерено датчиком, а затем исправлено корректором. Если же внутри измерит. устройства окажется неск. частиц, то датчик реагирует на положение их электрич. центра тяжести и имеет место не коррекция, а демпфирование колебаний (при N частицах в устройстве корректируется один, а не N параметров). Стохастич. охлаждение происходит постепенно и требует большого числа оборотов.

Отметим, что электронное охлаждение оказывается более эффективным при малых энергиях пучка, а стохастическое-при не слишком большом числе частиц.

Перспективы развития ускорителей. Среди проектов крупных ускорителей, к-рые находятся в стадии разработки, строительства или уже вступили в строй, можно перечислить следующие.

В России (г. Троицк, Моск. обл.) заканчивается сооружение "мезонной фабрики" на энергию 600 МэВ со ср. током 70 мкА. В 1993 она уже выдавала пучок с энергией 430 МэВ. Для произ-ва изотопов используется пучок протонов с энергией 160 МэВ и со ср. током 100 мкА. В Про-твино ведётся сооружение ускорительно-накопительного комплекса (УНК), рассчитанного на ускорение протонов до 3 ТэВ. УНК располагается в подземном туннеле с периметром 21 км. Ожидается интенсивность частиц в импульсе 5^.10¹².

В ФРГ (Гамбург) вступил в строй У. на встречных пучках (HERA), предназначенный для изучения взаимодействия протонов (820 ГэВ) с электронами и позитронами (30 ГэВ). Проектная светимость ~2^.10³¹ см ^-2. с ^-1. Протонный синхротрон содержит сверхпроводящие магниты, а электронный - обычные (что. <бы не увеличивать потери на син-хротронное излучение). В оснащении этого У. и в работе на нём принимают участие 37 ин-тов из разных стран.

В Германии разрабатывается также проект линейного коллайдера DESY с энергией частиц 250x250 ГэВ (1-й вариант) или 500 х 500 ГэВ (2-й вариант). В ЦЕРНе (Швей-цария) в тоннеле кольцевого электронно-позитронного У. (LEP) начинается сооружение коллайдера для тяжёлых частиц LHC (Large Hadron Collider). На нём можно будет изучать столкновения протонов (2x7 ТэВ), протонов и электронов, протонов и ионов (вкл. свинец, 1148 ТэВ).

Ускорение тяжёлых ионов может производиться на нук-лотроне (Дубна, Россия). Начиная с 1977 на протонном синхротроне в Дубне ускорялись разл. ионы вплоть до углерода (4,2 ГэВ/нуклон, а с 1992-до 6 ГэВ/нуклон).

На У. "Сатурн" в Сакле (Франция) ускоряются ионы вплоть до аргона (до 1,15 ГэВ/нуклон). Ускоритель SPS (ЦЕРН) позволяет ускорять ионы кислорода и серы до 200 ГэВ/нуклон.

В США разработан проект наиб. крупного сверхпрово-дящего суперколлайдера (SSC) на энергию 2 х 20 ТэВ. Сооружение этого ускорителя отложено.

В Междунар. комитете по ускорителям рассматриваются ещё более крупные проекты, осуществление к-рых потребует совместных усилий развитых государств. Конкретный проект такого У. ещё не определён. Все осуществляемые и разрабатываемые проекты основаны на известных, хорошо зарекомендовавших себя принципах. Новые методы ускорения, о к-рых говорилось выше, могут в случае успеха полностью изменить эти планы.

Применение ускорителей. Кроме научного У. имеют и практич. применение. Так, линейные У. используются для создания нейтронных генераторов для радиац. испытания материалов, активно обсуждаются электроядерные методы наработки ядерного горючего и ускорения тяжёлых малозарядных ионов для управляемого инерционного термоядерного синтеза. В Лома-Линде (США) заканчивается сооружение специализир. комплекса с протонным синхротроном для лучевой терапии. Аналогичный проект рас-сматривается в России.

Лит.: Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители, М., 1969; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М., 1970; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Линейные ускорители ионов, под ред. Б. П. Мурина, т. 1-2, М., 1978; Бахрушин Ю. П., Анацкий А. И., Линейные индукционные ускорители, М., 1978; Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техники ускорителей, т. 3, М., 1981; Москалев В. А., Бетатроны, М., 1981; Капчинcкий И. М., Теория линейных резонансных ускорителей, М., 1982. Л. Л. Гольдин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.