| 8695912 9216 5224 943 1совр. ускорителях протонов применяется обычно схема, предложенная амер. физиком Л. Альваресом, представляющая собой резонатор с дрейфовыми трубками. В объёме резонатора цилиндрич. формы создаётся переменное электрич. поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые частицы пролетают систему дрейфовых (пролётных) трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению частиц (рис. 11). Когда же поле направлено в противоположную сторону, частицы находятся внутри трубок, куда поле не проникает.
Табл.3. - Крупнейшие линейные ускорители
Местонахождение
Год запуска
Максимальная энергия, Мэв
Длина, м
Длительность импульса ускоряемых частиц, мксек
Максимальный средний ток, мка
Максимальный ток в импульсе, ма
Электронные
Харьков (СССР)
1964
1800
240
1,4
0,8
Станфорд (США)
1966
22300
3050
1,6
48
Протонные
Серпухов (СССР), инжектор
1967
100
80
300
180
Батей вия (США), инжектор
1970
200
145
400
120
Лос-Аламос (США)
1972
800
795
500
30
Мезонная фабрика, АН
строится
600
450
100
500
В линейном резонансном ускорителе, как было указано выше, действует механизм автофазировки, так что частицы, расположенные в нек-рой области вблизи равновесной частицы (область захвата), ускоряются вместе с ней, набирая в среднем такую же энергию. Устойчивая равновесная фаза в линейном ускорителе отрицательна, т. е. находится на участке, где поле растёт. Поэтому электрич. поле оказывает в линейном ускорителе дефокусирующее действие и нужно принимать спец. меры для обеспечения фокусировки протонов. В ускорителях на небольшие энергии можно применять фольговую или сеточную фокусировку: входы дрейфовых трубок перекрываются фольговой или сетчатой перегородкой. Это приводит к деформации поля между трубками, при к-рой дефокусирующая область почти полностью исчезает. В ускорителях на большие энергии этот метод фокусировки неприменим (фольги и сетки приводят к недопустимым потерям интенсивности и, кроме того, перегорают под действием пучка). Наиболее распространённый метод фокусировки - знакопеременная фокусировка с помощью магнитных квадрупольных линз (располагаемых внутри дрейфовых трубок), создающих в окрестности оси ускорителя магнитное поле, линейно нарастающее по мере удаления от оси. Качественно фокусировка таким полем объясняется так же, как в циклич. ускорителях.
Преимущество линейных ускорителей над циклическими - отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнич. системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50-100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше к-рого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнич. точки зрения, т. к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрич. поля (слишком мало шунтовое сопротивление). Для ускорения до больших энергий разработаны спец. системы связанных резонаторов; может также применяться волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных ускорителях; см. ниже). Совр. линейные ускорители протонов на большую энергию состоят из двух ступеней: в первой ускорение производится до 100- 200 Мэв резонаторами типа Альвареса, во второй - резонаторами иного типа, имеющими при этих скоростях частиц более благоприятные характеристики. По такой двухступенчатой схеме реализован линейный протонный ускоритель в Лос-Аламосе (США) на 800 Мэв, дающий ср. ток 30 мка (проектируется повышение тока до 1000 мка), предназначенный для физ. опытов с интенсивными вторичными пучками (т. н. мезонная фабрика). По этой же схеме в СССР разработана мезонная фабрика на 600 Мэв.
Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё одним существ. преимуществом над циклическими - в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия совр. линейных электронных ускорителей составляет 20 Гэв, но она диктуется только экономич. соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины. Для электронных ускорителей, в к-рых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов её нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, напр., введением в волновод перегородок (диафрагм; рис. 12). Близость скорости электронов
к скорости света приводит к особенностям в движении электронов относительно ускоряющей волны. Для электронов отсутствует механизм автофазировки: изменение энергии электрона практически не приводит к изменению его скорости и, следовательно, к перемещению относительно ускоряющей волны. Фокусировка в поперечном направлении тоже оказывается, как правило, ненужной, т. к. случайные поперечные скорости электронов убывают по мере роста их энергии (по закону сохранения импульса постоянным остаётся поперечный импульс mv , а т. к. по теории относительности масса m растёт с ростом энергии, то скорость v убывает). Кроме того, поперечное кулоновское расталкивание в электронных ускорителях оказывается почти скомпенсированным магнитным притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки могут, однако, возбуждать в ускоряющем волноводе паразитные волны, раскачивающие пучок и приводящие к его неустойчивости. Этот эффект особенно существен в больших ускорителях, где он ограничивает предельно достижимые токи. Разработан ряд инженерных методов подавления этого эффекта.
Широко распространены линейные резонансные электронные ускорители на малые (порядка десятков Мэв) энергии, используемые для исследований по ядерной и нейтронной физике и для прикладных целей.
Ведутся интенсивные исследования возможностей применения сверхпрово-дящих материалов для стенок резонаторов и волноводов в протонных и электронных ускорителях. Это сильно сократило бы расход ВЧ мощности и позволило бы перейти на работу ускорителей в непрерывном режиме.
Описанные типы У. з. ч. применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц. Электронные ускорители практически без переделок могут быть использованы для ускорения позитронов. Для ускорения тяжёлых частиц используются различные типы протонных ускорителей. Наибольшая энергия ионов достигнута на ускорителе "Бэвалак" (Bevalac, США) типа синхрофазотрона, где в 1974 получены ускоренные ядра вплоть до ядер аргона с энергией 2 Гэв на нуклон. В Дубне разработан проект ускорителя ("нукло-трона"), рассчитанного на получение 16 Гэв на нуклон. Как источник тяжёлых ионов применяются также ускорители типа циклотрона и линейные ускорители.
Лит.: Гринберг А. П., Методы ускорения заряженных частиц, М. -Л., 1950; Ускорители, [сб. статей], пер. с англ. и нем., М., 1962; Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц , М 1970; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители, М., 1969; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский электрон, М., 1974. Э. Л. Бурштейн.
УСКОРИТЕЛИ НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ, ускорители со встречными пучками, установки, в к-рых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренных электрич. полем до высоких энергий (см. Ускорители заряженных частиц). На таких установках исследуются взаимодействия частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных условиях эффективных энергиях столкновения. Наибольшее распространение получили ускорители со встречными электрон-электронными (е~ е~), электрон-позитронными (е~ е+) и протон-протонными (рр) пучками.
В обычных ускорителях взаимодействие частиц изучается в лабораторной системе отсчёта при столкновениях пучка ускоренных до высокой энергии частиц с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющихся частиц большая часть энергии налетающей частицы расходуется на сохранение движения центра |
