УСКОРИТЕЛИ

УСКОРИТЕЛИ

       

заряженных частиц, устройства для получения заряж. ч-ц (эл-нов, протонов, ат. ядер, ионов) больших энергий с помощью их ускорения в электрич. поле. Помимо физ. применений, играющих определяющую роль в развитии ускорит. техники, У. начинают всё больше использоваться за пределами физики (химия, биофизика, геофизика) и в прикладных целях (дефектоскопия, стерилизация продуктов, лучевая терапия и т. п.). У. заряженных ч-ц следует отличать от плазменных ускорителей, в которых осуществляется ускорение электрически нейтральных образований из заряженных частиц.

Классификация ускорителей. По способу получения ускоряющего поля различают обычные («классические») У., в к-рых ускоряющее поле создаётся внеш. радиотехнич. устройствами (генераторами), и У., в к-рых ускоряющее поле создаётся другими заряж. ч-цами (электронным пучком, электронным кольцом, плазменными волнами; (см. КОЛЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ)). По типу ускоряемых ч-ц различают электронные У., протонные У. и У. ионов, а по хар-ру траекторий ч-ц - линейные У. (траектории близки к прямым линиям) и циклические (траектории близки к окружности или спирали). По хар-ру ускоряющего поля У. разделяются на резонансные, в к-рых ускорение производится высокочастотным электрич. полем и ускоряемые ч-цы движутся в резонанс с изменением поля, и нерезонансные, в к-рых направление поля за время ускорения не изменяется. В свою очередь, последние делятся на индукционные У., где электрич. поле создаётся за счёт изменения магн. поля, и высоковольтные У., в к-рых ускоряющее поле обусловлено приложенной разностью потенциалов.

Историческая справка. В начальный период (1919—32) развитие У. шло по пути создания генераторов высоких напряжений и их использования для непосредств. ускорения заряж. ч-ц в постоянном электрич. поле. Заряж. ч-цы, проходя от одного полюса источника высокого напряжения к другому, ускорялись в соответствии с величиной напряжения. Этот период завершился разработкой электростатического генератора (амер. физик Р. Ван-де-Грааф, 1931) и каскадного генератора (англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон, 1932). Такие устройства, применяемые до сих пор, позволяют получить потоки ускоренных ч-ц с энергией =106 эВ (см. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ). В 1931—44 развиваются резонансные методы, в к-рых ускорение производится перем. ВЧ полем. Проходя многократно через ускоряющий промежуток, ч-ца набирает большую энергию даже при невысоком ускоряющем напряжении. Резонансное ускорение в линейных У. тогда не получило распространения из-за недостаточного развития радиотехники. Основанные же на этом методе циклич. У.— циклотроны (амер. физик Э. О. Лоуренс) вскоре обогнали в своём развитии высоковольтные У. и позволили получить протоны с энергией 10—20 МэВ. В 1940 (амер. физик Д. У. Керст) удалось реализовать циклич. У. эл-нов индукц. типа (бетатрон), идея к-рого выдвигалась ещё в 20-е гг.

Разработка У. совр. типа началась с открытия механизма автофазировки (1944—45, В. И. Векслер и независимо амер. физик Э. М. Макмиллан), позволившего существенно повысить энергию ускоренных ч-ц в резонансных У. На основе этого принципа разработаны неск. типов циклич. У.: синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. Развитие радиотехники дало возможность создать эфф. линейные резонансные У. Предложенная идея знакопеременной фокусировки (Н. Кристофилос, 1950, Э. Курант, М. Ливингстон, X. Снайдер, США, 1952) существенно повысила достижимую энергию в циклич. и линейных У. Предельная энергия для эл-нов (=20 ГэВ) достигнута на линейных У., для протонов (>500 ГэВ) — на циклич. У.

Развитие У. идёт как по пути увеличения энергии ускоренных ч-ц, так и по пути улучшения хар-к ускоренного пучка — увеличения его интенсивности и длительности импульса, уменьшения разброса его параметров (качество пучка). Значит. прогресс будет достигнут в связи с применением сверхпроводников в магнитах и ускоряющих системах, внедрением методов автоматич управления, введением в ускорит. комплекс накопит. колец и систем встречных пучков, расширяющих возможности У.

Параллельно развитию перечисленных «классич.» У. разрабатываются коллективные методы ускорения, идея к-рых была выдвинута Векслером (1956). Они обещают существенно более высокий темп ускорения, чем в современных У.

Резонансные методы ускорения наиболее широко распространены в совр. У. В резонансных У. ч-цы движутся в вакуумных камерах, в к-рых создаётся высокий вакуум (10-6—10-8 мм рт. ст.) для ослабления рассеяния ч-ц в газе. Непрерывное ускорение обеспечивается тем, что ч-цы попадают в ускоряющий промежуток всё время в ускоряющей фазе перем. ВЧ электрич. поля, т. е. когда сила действия электрич. поля направлена в сторону движения ч-ц. Проходя многократно через ускоряющий промежуток, ч-ца может набрать большую энергию даже при сравнительно невысоком напряжении на нём. Идеальная, т, н. равновесная, ч-ца всё время попадает в одну и ту же, равновесную фазу j0 поля. При каждом прохождении ускоряющего промежутка она набирает энергию eV0cosjo, где е — заряд ч-цы, a V0 — амплитуда ускоряющего напряжения. Чтобы набрать большую кинетич. энергию Wмакс, частица должна совершить очень большое число N=Wмакс/eV0cosj0 прохождений через ускоряющий промежуток. Поэтому для работы У. необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения ч-цы: небольшие отклонения в начальных данных для ч-ц или небольшие внеш. возмущения (неизбежные отклонения параметров установки от расчётных, рассеяние на остаточном газе в ускорит. камере и т. п.) не должны приводить к сильному отклонению от равновесной орбиты, т. е. ч-ца должна совершать колебат. движение около равновесной ч-цы. Обеспечение устойчивости движения ч-ц в направлениях, перпендикулярных траектории, наз. фокусировкой, а в направлении траектории — фазировкой.

Фазировка обеспечивается в резонансных У. механизмом автофазировки, обусловленным зависимостью промежутка времени между двумя следующими друг за другом ускорениями от энергии ? ч-ц. Благодаря этому одна из двух равновесных фаз j0 или -j0, для к-рых прирост энергии eV0cosj0 обеспечивает точный резонанс, оказывается устойчивой, т. е. около неё существует область захвата, внутри к-рой ч-цы колеблются по фазе относительно равновесной фазы. Если дТ/д?>0, то устойчива фаза +j0, лежащая на спадающем склоне кривой напряжения, если дT/дtds<0, то устойчива фаза -j0 на восходящем склоне кривой напряжения (см. рис. в ст. (см. АВТОФАЗИРОВКА)).

Резонансные циклические ускорители. Движение по почти круговым траекториям обеспечивается в цпклич. У. магн. полем (см. ЛОРЕНЦА СИЛА). Связь между ср. радиусом орбиты , ср. магн. полем на орбите <В> и энергией ? частиц даётся соотношением:

где е — заряд ч-цы, ?=mc2 — полная релятив. энергия ч-цы массы m, равная сумме энергии покоя ?0=m0c2 и её кинетич. энергии (m0— масса покоя ч-цы), v — скорость ч-цы. Период обращения ч-цы по орбите

Из (1) и (2) следует связь между ?, индукцией <В> магн. поля и круговой частотой w обращения ч-цы по орбите:

Резонансные циклич. У. различаются по хар-ру управляющего магн. поля и ускоряющего электрич. поля: существуют У. с постоянным и с переменным (во времени) магн. полем и соответственно У. с постоянной и с перем. частотой wу ускоряющего поля. Частота ускоряющего поля wу должна быть кратна частоте w обращения ускоряемой (резонансной) ч-цы: wу=qw, где q — целое число, наз. кратностью частоты. Отсюда энергия ч-цы

Разные типы резонансных циклич. У. различаются зависимостью от времени wу и <В>. При увеличении энергии ч-цы нужно либо уменьшать частоту wу (фазотрон), либо увеличивать магн. поле (синхротрон), либо менять одновременно и то и другое (синхрофазотрон), либо увеличивать кратность q частоты (микротрон). Для нерелятив. скоростей масса ч-цы постоянна, а частота и период обращения ч-цы в постоянном магн. поле В не зависят от её скорости, и если w кратна частоте ускоряющего напряжения, может соблюдаться длит. резонанс между обращением ч-ц в магн. поле и изменением ускоряющего напряжения (циклотрон).

Рис. 1. На отклонённую ч-цу 1, находящуюся в магн. поле бочкообразной формы, создаваемом полюсными наконечниками 2, действует сила F, имеющая помимо радиальной составляющей FR аксиальную составляющую Fz, фокусирующую ч-цу по вертикали.

Фокусировка. В резонансных циклич. У. магн. поле В, заворачивающее ч-цы по круговой орбите, используется и для фокусировки. Если В убывает с увеличением радиуса, то силовые линии имеют бочкообразную форму. Сила F действия магн. поля на ч-цу, отклонённую от плоскости орбиты, имеет помимо составляющей FR обеспечивающей обращение по окружности, составляющую Fz, стремящуюся возвратить ч-цу к плоскости орбиты (рис. 1). Изменение поля по радиусу характеризуют т. н. показателем спада n=-д(lnB)/д(lnR) . Т. о., для обеспечения фокусировки в аксиальном направлении необходимо выполнение условия n>0, т. е. убывания поля с увеличением радиуса. Движение в радиальном направлении определяется соотношением между силой действия магн. поля eBv/c и центростремит. силой mv2/R, соответствующей радиусу R. Для устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила F=eBv/c убывала медленнее, чем mv2/R, т. е. чтобы магн. поле убывало медленнее, чем 1/R, что сводится к условию n<1. Для одноврем. устойчивости в радиальном и аксиальном направлениях должно выполняться условие:

0

При этом ч-цы будут совершать около равновесной орбиты колебания (бетатронные колебания) с частотами

wr =wO(1-n); wz=wOn, (6)

меньшими частоты обращения w. Фокусирующие силы, определяющие эти частоты, ограничены условием (5) для п. Такая фокусировка наз. однородной или слабой.

Чтобы усилить аксиальную фокусировку, необходимо резко спадающее по радиусу поле (n<-1). Напротив, для усиления фокусировки по радиусу необходимо резко возрастающее по радиусу поле (n<--1). Эти требования одновременно невыполнимы, но их можно реализовать поочерёдно. На этом основан принцип з н а к о п е р е м е н н о й, или сильной фокусировки. Вся орбита разбивается на большое число одинаковых периодов, в к-рых устанавливаются магниты, сильно фокусирующие попеременно то в радиальном, то в аксиальном направлении. При определённых соотношениях между параметрами такая магн. система может обеспечить сильную фокусировку по обоим направлениям. Физически это объясняется тем, что в фокусирующих магнитах ч-ца оказывается дальше от неравновесного положения, чем в дефокусирующих, так что действие фокусирующих магнитов сильнее. Усиление фокусировки приводит к уменьшению амплитуды колебаний ч-ц под действием разл. раскачивающих факторов, что позволяет уменьшить поперечные размеры вакуумной камеры и магнитов. Однако из-за большой частоты колебаний ч-ц появляются многочисл. резонансы: при определ. соотношениях между wr и wz возникает резонансная раскачка колебаний. Это заставляет предъявлять жёсткие требования к точности изготовления и расстановки магнитов.

При малых энергиях наряду с магн. фокусировкой применяется электрич. фокусировка с помощью ускоряющего электрич. поля. В обычном ускоряющем зазоре электрич. поле «провисает» внутрь зазора (рис. 2).

Рис. 2. Распределение электрич. поля в ускоряющем зазоре между электродами А и В; Fx и Fy— продольная и поперечная составляющие силы F, действующей на ч-цу.

Поэтому в первой части зазора оно прижимает ч-цу к оси зазора (фокусирует), а во второй — отклоняет от оси (дефокусирует). Поскольку ч-ца, ускоряясь, пролетает вторую часть зазора быстрее, чем первую, то фокусирующее действие оказывается преобладающим. Т. н. электростатич. фокусировка, основанная на изменении скорости ч-ц (см. ЭЛЕКТРОННАЯ ОПТИКА), эффективна лишь при малых скоростях ч-ц, поэтому её применение в У. ограничено. Но при переменном во времени электрич. поле имеет место и электродинамич. фокусировка, если во время пролёта ч-цей зазора поле убывает. Наоборот, если ч-ца пролетает зазор в момент нарастания поля, то зазор оказывает дефокусирующее действие. К электрич. полям также применим принцип знакопеременной фокусировки. Используя электроды сложной формы, можно попеременно фокусировать и дефокусировать ч-цы или же можно менять от зазора к зазору знак равновесной фазы (в последнем случае фазировка тоже получается знакопеременной). Такие системы имеют пока ограниченное применение.

Фокусировке препятствует взаимное расталкивание ускоряемых ч-ц, к-рое начинает ощущаться при больших интенсивностях пучков. В различных У. вз-ствие заряж. ч-ц сказывается по-разному, но обычно именно оно определяет предельно достижимую интенсивность пучка.

В циклич. У. с однородным по азимуту магн. полем растёт с увеличением энергии ч-цы быстрее, чем её скорость v, так что, в соответствии с (2), период обращения растёт с увеличением энергии, и устойчива фаза +j0 на кривой напряжения. В У. со знакопеременной фокусировкой зависимость от энергии значительно слабее, поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с ростом энергии (v растёт быстрее, чем ), а при больших энергиях увеличивается с ростом энергии ( растёт быстрее, чем скорость v, ограниченная скоростью света с). В таких У. сначала устойчива фаза —j0, а затем фаза +j0.

Синхрофазотрон —циклич. резонансный У. протонов (или ионов), в к-ром меняются во времени и магн. поле , и частота wу электрич. ускоряющего поля, причём так, что радиус равновесной орбиты остаётся постоянным. Для этого между wу и <В> должно выполняться соотношение:

где ?0=m0c2— энергия покоя эл-на.

Согласно (7), wу растёт с ростом магн. поля, асимптотически приближаясь к предельному значению qc/, соответствующему движению ч-цы со скоростью света. Т. <к. радиус равновесной орбиты постоянен, магнит синхрофазотрона имеет вид сравнительно узкого кольца. В синхрофазотронах достигнута макс. энергия ускоренных ч-ц. До 1972 самым большим У. протонов в мире был Серпуховский синхрофазотрон (76 ГэВ). К 1980 макс. энергия достигла 500 ГэВ (Батейвия), проектируются синхрофазотроны на неск. тысяч ГэВ (табл. 1). Предельная достижимая энергия ограничена в первую очередь технико-экономич. условиями (размеры установки и её стоимость). Миним. энергия, для получения к-рой применяют синхрофазотроны, =1 ГэВ, для меньших энергий целесообразнее фазотроны (см. ниже). Синхрофазотроны на очень большие энергии построены по многоступенчатому принципу: линейный ускоритель (инжектор) впускает ч-цы в малый синхрофазотрон (бустер), там они ускоряются до промежуточной энергии и вводятся в большой синхрофазотрон, где доводятся до макс. энергии. Такая система позволяет повысить эффективность У. и сделать конструкцию более оптимальной. В синхрофазотронах меньших энергий впуск (инжекция) ч-ц производится непосредственно из линейного ускорителя.

Табл. 1. КРУПНЕЙШИЕ ЦИКЛИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магн. система представляет собой кольцевой электромагнит, обычно разбитый на неск. секторов с промежутками между ними. В процессе ускорения за счёт изменения тока в обмотках электромагнита магн. поле между его полюсами увеличивается от значения, соответствующего энергии инжекции, до макс. значения, соответствующего конечной энергии. Форма полюсов магнита подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание поля по радиусу в соответствии с условием (5). Ч-цы ускоряются в вакуумной камере, представляющей собой замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты. Промежутки между магн. секторами используются для размещения системы ввода ч-ц, ускоряющих устройств, вакуумных насосов, систем наблюдения за пучком и др. Ввод ч-ц производится обычно импульсным отклоняющим устройством, электрич. или магн. поле к-рого направляет впускаемые ч-цы вдоль орбиты. Ускоряющие устройства создают переменное электрич. поле, частота к-рого должна меняться в строгом соответствии с изменением магн. поля, согласно (7). Требуемая высокая точность воспроизведения обычно обеспечивается автоматич. системой слежения за положением пучка: сигнал об отклонении пучка от равновесного положения используется для коррекции частоты ускоряющего поля. Под действием ускоряющего поля ч-цы группируются в камере в неск. сгустков, расположенных около устойчивых равновесных фаз, число к-рых равно кратности частоты. В процессе ускорения сгустки сжимаются всё теснее к равновесной фазе. Одновременно уменьшаются и поперечные размеры пучка. Ускоренный пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутр. мишень), либо выводится из У. отклоняющим устройством того же типа, что и вводное, но более мощным (из-за большой энергии ч-ц).

Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается от описанного прежде всего устройством магн. системы, состоящей из большого числа магнитов (рис. 3), в к-рых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магн. поля по радиусу, т. е. обеспечивающей сильную знакопеременную фокусировку.

Рис. 3. Схема расположения магнитов в сильнофокусирующем ускорителе: Д — магниты, дефокусирующие по радиусу (n->1), Ф — фокусирующие по радиусу (n<--1); пунктирная кривая — орбита неотклонённой ч-цы (равновесная орбита), сплошная кривая — орбита отклонённой ч-цы.

Рис. 4. Схематич. разрез магнита синхрофазотрона с сильной фокусировкой; полюсные наконечники 2, возбуждаемые токовыми обмотками 2, создают быстро спадающее по радиусу магн. поле В в области расположения вакуумной камеры 3.

Каждый магнит осуществляет 2 функции — заворачивает ч-цы по орбите и фокусирует их (магн. структура с совмещёнными функциями; рис. 4). Применяется также магн. структура с разделёнными функциями, в к-рой фокусировка осуществляется квадрупольными линзами (рис. 5), расположенными в промежутках между заворачивающими магнитами.

Др. отличие У. с сильной фокусировкой — существование т. н. критической или переходной энергии ?кр. При энергии ?равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напряжения (фаза -j0), а при энергии больше критической — на нисходящей (фаза +j0).

Рис. 5. Поле магн. квадрупольной линзы: N и S — северные и южные полюсы магнита; F — сила действия магн. поля на ч-цу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (F=0 в центре О).

При прохождении критич. энергии фаза колебаний ускоряющего поля быстро смещается на 2j0, чтобы ч-цы, к-рые до критической энергии сгруппировались вблизи фазы -j0, оказались в окрестности новой устойчивой фазы +j0.

Синхротрон — циклич. резонансный У., в к-ром частота ускоряющего поля постоянна, а меняется во времени лишь магн. поле; применяется для ускорения релятив. эл-нов. Т. к. их скорость практически равна с независимо от энергии, то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому в синхротроне, как и в синхрофазотроне, магнит имеет вид кольца. Как слабо, так и сильно фокусирующий синхротрон конструктивно весьма схож с синхрофазотроном. Релятив. эл-ны, движущиеся в синхротроне по круговым орбитам, явл. источником интенсивного эл.-магн. излучения (см. СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). Излучаемая электроном за один оборот энергия:

очень быстро растёт с энергией ч-ц и в больших У. становится сравнимой (и даже больше) с энергией, набираемой ч-цей за один оборот. Излучение сказывается и на колебаниях ч-ц около равновесной орбиты: потеря энергии приводит к затуханию колебаний, а квантовый, дискр. хар-р излучения — к их раскачке. Трудности создания мощных ускоряющих устройств, компенсирующих потери на излучение, ограничивают предельно достижимые энергии. В синхротронах достигнуты макс. энергии =5 —10 ГэВ (табл. 1), хотя существуют проекты и на 100—150 ГэВ. В крупных синхротронах, как и в синхрофазотронах, применяется инжекция извне, в меньших — бетатронная инжекция: У. работает как бетатрон (см. ниже) до достижения релятив. энергий, а потом переходит на синхротронный режим.

Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты) — циклич. резонансный У., в к-ром магн. поле постоянно во времени, а уменьшается частота ускоряющего поля wу; применяется для ускорения тяжёлых ч-ц (протонов, ионов). Макс. энергия протонов =1 ГэВ. В фазотроне ч-цы движутся по спирали от центра, где расположен ионный источник (газовый разряд) к периферии вакуумной камеры, приобретая энергию при многократном прохождении ускоряющего зазора (рис. 6). Из-за спирального хар-ра орбит магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магн. система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 ГэВ предпочтительнее синхрофазотрон, хотя он и уступает по интенсивности ускоренного пучка фазотрону.

Рис. 6. Схема движения ч-ц в фазотроне и циклотроне (магн. поле перпендикулярно плоскости чертежа): 1 — ионный источник; 2 — спиральная орбита ускоряемой ч-цы; 3 — ускоряющие электроды; 4 — выводное устройство; 5 — источник ускоряющего поля.

В фазотронах с однородным по азимуту магн. полем фокусировка по вертикали очень слабая (n<-1). Для её увеличения часто используют знакопеременную фокусировку, т. е. вводят модуляцию магн. поля по азимуту (секторный фазотрон).

Описанные три типа циклич. резонансных У., основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: группа захваченных в синхротронный (резонансный) режим ч-ц повышает свою энергию до максимальной по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магн. поля, после чего ч-цы используются внутри или вне У. Затем параметры У. возвращаются к исходным значениям и начинается новый цикл ускорения. Длительность цикла ускорения в синхротронах и фазотронах порядка 10-2 с, в синхрофазотронах — неск. с.

Циклотрон — циклич. резонансный У. тяжёлых ч-ц, в к-ром и магн. поле, и частота ускоряющего электрич. поля постоянны во времени. В отличие от описанных выше У. он работает в непрерывном режиме и поэтому обладает преимуществом по интенсивности ускоренного пучка. Конструктивно весьма схож с фазотроном. Т. к. и wу, и В постоянны во времени, а энергия растёт, то в циклотроне с азимутальносимметричным полем, в к-ром поле должно спадать по радиусу, как следует из условия фокусировки (5), резонансное ускорение возможно лишь при нерелятив. энергиях, пока не сказывается релятив. возрастание массы ч-цы. Это и определяет предел достижимых энергий (для протонов =10—20 МэВ при очень больших напряжениях на ускоряющих электродах). В центр. области циклотрона аксиальная фокусировка магн. полем очень слаба (n»0), но там из-за малых скоростей частиц сказывается фокусировка электрическим полем (см. выше).

Знакопеременная фокусировка магн. полем позволяет добиться устойчивого ускорения до релятив. скоростей, обеспечивая точный резонанс за счёт роста ср. магн. поля по радиусу. Такой циклотрон наз. изохронным. Обладая характерной для циклотрона большой интенсивностью пучка, он способен ускорять протоны до энергий =1000 МэВ.

Микротрон (электронный циклотрон) — циклич. У. эл-нов, в к-ром постоянны во времени и B, и wу, а условие резонанса для релятив. ч-ц сохраняется за счёт изменения кратности частоты q от оборота к обороту. Так, напр., если начальная энергия эл-на и прирост его энергии при прохождении ускоряющего зазора подобраны так, что первый оборот проходится за один период ускоряющего поля (q=1), второй — за два (q=2), третий — за три (q=3) и т. д., то ч-цы будут попадать в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что ч-цы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. Однородное магн. поле, необходимое для выполнения условия резонанса, не фокусирует в аксиальном направлении; эта фокусировка осуществляется электрич. полем ускоряющего резонатора. Варианты микротрона с меняющимся по азимуту полем (секторный микротрон) пока не получили развития. Микротрон — У. непрерывного действия, он позволяет получить токи до 100 мА при энергии эл-нов =30 МэВ.

Протонные резонансные линейные ускорители. Ускорение протонов до энергий =200 МэВ производится обычно в объёмном резонаторе с т. н. дрейфовыми трубками (схема Альвареса). В цилиндрич. резонаторе создаётся перем. электрич. поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые ч-цы пролетают систему дрейфовых трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению ч-ц. Когда же оно направлено в обратную сторону, ч-цы находятся внутри трубок, куда поле не проникает (рис. 7). Механизм автофазировки обеспечивает ускорение всех ч-ц, попавших внутрь области захвата вблизи резонансной фазы. В линейном У. время прохождения расстояний между ускоряющими зазорами уменьшается с ростом энергии, так что устойчивая равновесная фаза отрицательна (-j0), т. е. находится на участке, где поле растёт.

Рис. 7. Схематич. разрез резонатора (1) линейного резонансного ускорителя с дрейфовыми трубками (г). Вблизи оси электрич. поле IS сосредоточено лишь в зазорах между трубками.

Поэтому электрич. поле оказывается дефокусирующим и нужны спец. меры для обеспечения фокусировки. При малых энергиях применима т. н. фольговая или сеточная фокусировка: входы дрейфовых трубок перекрываются фольгой или сетками, так что дефокусирующая часть электрич. поля почти полностью исчезает. Для больших энергий наиб. распространена знакопеременная фокусировка с помощью магн. квадрупольных линз, фокусирующих попеременно то в одной, то в др. плоскости (на равновесной прямой траектории магн. поле должно отсутствовать). Возможна также фокусировка продольным полем, не дающим ч-цам отклоняться далеко от оси.

Преимущества линейных У. над циклическими — отсутствие громоздкой магн. системы, простота ввода и вывода ч-ц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнич. системы линейных У. протонов и трудности фокусировки ограничивают их возможности. Они применяются гл. обр. как инжекторы на энергии до 200 МэВ для циклич. У. (см. выше). Для ускорения при больших энергиях схема Альвареса становится неоптимальной. Здесь предпочтительнее система связанных резонаторов спец. формы или же волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных У.; см. ниже). Поэтому совр. линейные У. протонов на большую энергию состоят из двух ступеней различной радиотехнич. структуры. Так, напр., реализован У. в Лос-Аламосе (США) на 800 МэВ, дающий ср. ток 500 мкА. По такой же схеме сооружается У. на 600 МэВ в СССР. Эти У., предназначенные для физ. экспериментов с интенсивными мезонными пучками, наз. также мезонными фабриками, или мезонными генераторами (табл. 2).

Табл. 2. КРУПНЕЙШИЕ ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Электронные резонансные линейные ускорители обладают существенным преимуществом над циклическими: в них эл-ны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости.

Предельная энергия эл-нов в совр. линейных резонансных У. (=20 ГэВ) обусловлена гл. обр. экономич. соображениями и может быть увеличена.

Рис. 8. 1 — Схематич. разрез волновода с диафрагмами; стрелки указывают распределение поля, бегущего вдоль волновода; 2 — ускоряемый сгусток эл-нов.

В линейных электронных У. ч-цы движутся с самого начала почти со скоростью света с. Поэтому наиб. выгодной ускоряющей системой явл. диафрагмиров. радиоволновод с бегущей волной (рис. 8). Размеры диафрагм (поперечных перегородок) подбираются так, чтобы скорость бегущей волны равнялась с, т. е. чтобы волна двигалась в резонанс с эл-нами. Близость скорости эл-нов к с приводит к особенностям в движении эл-нов. Механизм автофазировки отсутствует, т. к. скорость ч-ц не зависит от энергии. Фокусировка в поперечном направлении также часто оказывается ненужной, т. к. релятив. возрастание массы само приводит (благодаря сохранению поперечного импульса mv^) к убыванию поперечных скоростей эл-нов. Кулоновское расталкивание эл-нов в электронных У. значительно ослабляется магн. притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки эл-нов могут, однако, возбуждать паразитные волны в волноводе, раскачивающие пучок и приводящие к неустойчивости. В больших У. этот эффект ограничивает интенсивность пучка, однако найдены инженерные методы его подавления.

Индукционные ускорители существуют двух типов — циклич. индукц. У. эл-нов (бетатрон) и линейный индукц. У. В бетатроне ускоряемые эл-ны удерживаются магн. полем на кольцевой орбите, а ускорение производится вихревым электрич. полем, индуцируемым переменным магн. потоком, проходящим через сердечник (центр. часть магнита, рис. 9).

Рис. 9. Схематич. разрез бетатрона: 1 — полюсы магнита; 2 — сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 — центр. сердечник; 4 — обмотки электромагнита; 5 — ярмо магнита.

Для постоянства радиуса равновесной орбиты между скоростями изменения управляющего поля на орбите Bорб и ср. поля внутри орбиты должно выполняться т. н. бетатронное условие:

Подбором профиля магн. полюсов, между к-рыми расположена кольцевая вакуумная камера, обеспечивается выполнение условия фокусировки (5). Бетатрон — У. импульсного действия. Он может ускорять эл-ны до энергий = 100—300 МэВ. Однако для энергий выше 100 МэВ предпочтительнее синхротрон, не имеющий громоздкого центр. сердечника. Особенно распространены бетатроны на энергии 20 — 50 МэВ, выпускаемые серийно для разл. целей.

В индукц. линейном У. для ускорения используется эдс индукции, возникающая при изменении кольцеобразного магн. поля. Вдоль оси вакуумной ускорит. камеры устанавливаются охватывающие её ферромагн. кольца, окружённые обмотками с током. Быстрое изменение магн. поля, возникающее при резком изменении тока в обмотках, индуцирует на оси У. электрич. поле. Чтобы оно было достаточно велико, нужно быстро менять магн. поле. Поэтому длительность импульса ускорения невелика (10-9—10-6 с).

Преимущества индукц. линейных У.— большие значения тока ускоренных ч-ц (сотни и тысячи А), большая однородность пучка и высокий кпд.

Ионные У. Описанные типы У. применимы для ускорения не только эл-нов и протонов, но и др. заряж. ч-ц. Электронные и протонные У. почти без переделки пригодны для ускорения соответственно позитронов и отрицат. ионов Н-. Для ускорения ионов широко применяются циклотроны и линейные ускорители разных типов. Наибольшие энергии ионов достигаются на У. типа синхрофазотрона: в США на ускорителе в Беркли получены ядра с энергией 2 ГэВ на нуклон, в Дубне существует синхрофазотрон для ускорения легких ядер до 4 ГэВ на нуклон.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.