| 8695912 9216 5224 943 1ры), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).
Осн. способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции - секционирование изоляц конструкций, т. е. разделение больших изоляц. промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлич. электродов с заданным распределением потенциала.
Перезарядный ускоритель (тандем). Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа (рис. 4), наз. тандем-ными, или перезарядными, отрицат. ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положит. ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или пленку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных уско-
рителей (рис. 5). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, к-рые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицат. ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной энергией.
Источники заряженных частиц для У. в. Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно по катоду, либо отд. подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная эмиссия) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи к-рых электрич. поле усиливается до ~ 107 в/см. Затем электрич. ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму, к-рая сама становится источником электронов.
В ионных источниках заряженные частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или парами вещества при давлении 10 - 10-3 мм рт. ст., содержащими атомы соответствующего элемента. Первичная ионизация происходит под действием электрич. разряда: высокочастотного (ВЧ источники; рис.6) дугового разряда в неоднородном электрич. и магнитном полях (дуоплазматрон, предложенный нем. физиком М. Арденне) и т. д Ионы, образующиеся в области разряда, извлекаются оттуда полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Положит. ионы получают из центр. части области разряда, где их концентрация выше, а отрицательные - с периферии этой области. Отрицат. ионы для перезарядных ускорителей могут быть получены также перезарядкой пучка положит. ионов на газовой или пароструйной мишени, при взаимодействии положит. ионов с твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т. д.
Ускоряющая система У. в. (ускорительная трубка). Ускорит. трубка является частью вакуумной системы У. в., давление в к-рой не должно превышать 10 мм рт. ст. У большинства У. в. она представляет собой цилиндр, состоящий из диэлектрич. колец, разделённых металлич. электродами с отверстием в центре, служащим для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутр. поверхностью системы (рис. 7). Кольца и электроды соединены друг с другом спец. клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой, обесположительных ионов. печивающими вакуумное уплотнение. Ускорит. трубка - один из осн. элементов У. в., недостаточная электрич. прочность к-рого часто ограничивает энергию ускоренных частиц.
В отличие от изоляц. конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорит. трубки металлич. электродами оказывается малоэффективным. При напряжении высоковольтного генератора более 4-5 Мв в трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а её электрич. прочность снижается. Это явление, получившее назв. "эффект полного напряжения", объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в к-ром происходит обмен вторичными заряженными частицами и их размножение. Причины появления таких частиц - облучение внутр. поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изоляторов и т. д. Для борьбы с "эффектом полного напряжения" предлагались различные конструкции ускорит. трубок. Наиболее известны ускорит. трубки с "наклонным полем", в к-рых электроды трубки устанавливаются под небольшим углом к плоскости её поперечного сечения, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие значит. энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а возникающие внутри трубки вторичные частицы с меньшей энергией задерживаются электродами. Устранения "эффекта полного напряжения" удалось добиться также в ускорит. трубках с плоскими электродами, у к-рых электроды и изоляторы соединены пайкой, а рабочий вакуум составляет 10-8-10-9мм рт. ст.
Успехи в разработке новых конструкций высоковольтных генераторов и ускорит. трубок позволили повысить энергии протонов, получаемых в перезарядных У. в. до 40 Мэв. Многозарядные тяжёлые ионы могут быть ускорены до значительно больших энергий. Ток пучка крупнейших У. в. ионов составляет единицы - десятки мка при размерах пучка на мишени неск. мм и его расходимости менее 10-3рад.
Краткая история развития У. в. Первый У. в. каскадного типа на энергию 700 кэв был построен в 1932 англ. физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. В предвоенные годы наибольшее развитие получили ЭСУ с высоковольтными генераторами Ван-де-Граафа. К 1940 благодаря применению для изоляции сжатого газа и использованию секционированных высоковольтных конструкций энергия ускоренных частиц была повышена до ~4Мэв. В СССР первые ЭСУ были разработаны в Украинском физико-технич. ин-те под рук. А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых с помощью У. в., удалось добиться путём применения перезарядных ускорителей и ускорит. трубок с наклонным полем, предложенных Р. Ван-де-Граафом (США). Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСУ были предложены Р. Хербом (США) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить мощность У. в. (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником), были разработаны в 1960-65 К. Моргенштер-ном (США) и Ван-де-Граафом. Большинство совр. советских У. в. для науч. исследований и использования в технике разработаны коллективом Н.-и. ин-та электрофизич. аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг. коллективом Ин-та ядерной физики Сиб. отд. АН СССР под рук. Г. И. Будкера.
Применение У. в. На протяжении ряда лет, начиная с создания в 1932 первого У. в., осн. областью их применения была ядерная физика. С помощью У. в. получены важные сведения о внутр. строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной и объёмной структуре твёрдых тел и т. д. Помимо непосредственного использования в физ. экспериментах, У. в. применяются для предварит. ускорения заряженных частиц в крупнейших циклич. и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т. д.
Благодаря низкой стоимости и компактности У. в. нашли широкое применение в различных технологич. процессах на пром. предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100-200 кэв применяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий, ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы) могут быть использованы, напр., для проведения ак-тивационного анализа различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов к нейтронному облучению и т. д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками св. 1012 нейтронов/сек.
Ускорители электронов с энергией 1- 2 Мэв и мощностью в неск. квт могут служить генераторами рентгеновского тормозного излучения в пром. дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, напр. вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.
Перспективное направление практич. использования электронных ускорителей с энергией 0,2 - 3 Мэв и мощностью 10- 100 квт - обработка электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств путём радиац. полимеризации, радиац. вулканизации, деструкции и т. д.
Лит.: Комар Е. |
