Большая Советская энциклопедия - ускорители заряженных частиц

устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У. з. ч. следует отличать от плазменных ускорителей (См. Плазменные ускорители), в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы (См. Плазма)).

У. з. ч. — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц (См. Элементарные частицы), в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение У. з. ч. различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии (См. Лучевая терапия), для «бескровной хирургии» и в ряде др. отраслей.

1. История развития ускорителей Толчком к развитию У. з. ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале естественные источники заряженных частиц — радиоактивные элементы — были ограничены как по интенсивности, так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока α-частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.

В начальный период (1919—32) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредственного ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали Каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, — расщепление ядра лития протонами.

Период 1931—44 — время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при котором ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклические ускорители — циклотроны (Э. О. Лоуренс) — вскоре обогнали в своём развитии электростатические ускорители. К концу периода на циклотронах была достигнута энергия протонов порядка 10—20 Мэв. Резонансное ускорение возможно и в линейных ускорителях Однако линейные резонансные ускорители не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик Д. У. Керст реализовал циклический индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идея которого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928).

Разработка ускорителей современного типа началась с 1944, когда сов. физик В. И. Векслер и независимо от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки (См. Автофазировка), действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных ускорителей — синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц.

В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных У. з. ч. В 1956 Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.

Последующие два десятилетия можно назвать годами реализации этих идей и технического усовершенствования У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные резонансные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен самый крупный для того времени синхрофазотрон — на энергию 10 Гэв. Через несколько лет в Швейцарии и США вступили в строй синхрофазотроны с сильной фокусировкой на 25—30 Гэв, а в 1967 в СССР под Серпуховом — синхрофазотрон на 76 Гэв, который в течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 в США был создан синхрофазотрон на 200—400 Гэв. В СССР и США разрабатываются проекты ускорителей на 1 000—5 000 Гэв.

Современное развитие ускорителей идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиционные методы: исследуются возможности применения сверхпроводящих материалов (и соответствующей им техники низких температур) в магнитах и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетические расходы; расширяется область применения методов автоматического управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия во встречных пучках (см. Ускорители на встречных пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.

II. Классификация ускорителей

У. з. ч. можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов.

По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в которых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности (или спирали).

По характеру ускоряющего поля У. з. ч. делят на резонансные ускорители, в которых ускорение производится переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в которых направление поля за время ускорения не изменяется. Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в которых электрическое ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в которых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.

По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в которых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в которых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к некоторым типам циклических ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо терминов «однородная» и «знакопеременная» фокусировка пользуются терминами «слабая» и «сильная» («жёсткая») фокусировка.

Резонансные циклические ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего — «ведущего» — магнитного поля и ускоряющего электрического поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация (табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.

Табл. 1. — Классификация ускорителей заряженных частиц

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Тип | Характер  | Магнитное  | Частота | Фокусировка  | Название | Ускоряемые |

| траектории | ускоряющего поля | поле | ускоряющего | | | частицы |

|  |  | | поля  | | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Окружность | Циклические ускорители |

| или |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| спираль | Нерезонансный, | Переменное | — | Однородная | Бетатрон | Электроны  |

|  | индукционный | |  | | | |

|  |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  | Резонансный  | Постоянное  | Постоянная | « | Циклотрон | Протоны |

|  |  | |  | | Микротрон | (или ионы) |

|  |  | |  | | | Электроны  |

|  |  |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  |  | « | « | Знакопеременная | Изохронный | Протоны |

|  |  | |  | | циклотрон | Электроны  |

|  |  | |  | | Секторный микротрон | |

|  |  |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  |  | « | Переменная | Однородная  | Фазотрон | Протоны |

|  |  | |  | Знакопеременная | Секторный фазотрон  | |

|  |  |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  |  | Переменное | Постоянная  | Однородная | Синхротрон  | Электроны  |

|  |  | |  | Знакопеременная | слабофокусирующий | |

|  |  | |  | | Синхротрон  | |

|  |  | |  | | сильнофокусирующий | |

|  |  |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  |  | « | Переменная | Однородная  | Синхрофазотрон | Протоны |

|  |  | |  | Знакопеременная | слабофокусирующий | |

|  |  | |  | | Синхрофазотрон | |

|  |  | |  | | сильнофокусирующий | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Прямая | Линейные ускорители |

|  |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  | Hepeзонансный, | —  | — | — | Электростатический  | Протоны, |

|  | электростатический | |  | | ускоритель, | электрон ны |

|  |  | |  | | каскадный ускоритель | |

|  |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  | Нерезонансный, | —  | — | — | Линейный | Электроны  |

|  | индукционный | |  | | индукционный | |

|  |  | |  | | ускоритель | |

|  |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|  | Резонансный  | —  | Постоянная  | — | Линейный | Протоны, |

|  |  | |  | | резонансный | электро-i ны |

|  |  | |  | | ускоритель | |

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------III. Принцип действия резонансных ускорителей

В резонансном ускорителе непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды частица всё время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрическое поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная, частица всё время попадает в одну и ту же фазу — равновесную фазу.

В циклическом ускорителе период обращения Т частицы по орбите связан со средним радиусом орбиты соотношением:

1), Ф — фокусирующие по радиусу (n