§ 35. Ускорители заряженных частиц.

УЗЧ – устройства, в которых под действием эл. и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетических заряж. частиц (электроны, протоны и т.д.).

Любой УЗЧ характеризуется:

- типом ускоряемых частиц

- энергией частиц

- интенсивностью пучка

УЗЧ делятся на:

- непрерывные (из них выходит равномерный по времени пучок)

- импульсные

По форме траектории и механизму ускорения УЗЧ делятся:

- прямые

- циклические (индукционные)

Основные задачи ускорителей:

1. Получение максимально возможной в данном типе ускорителя энергии частицы.

2. Получение достаточного числа частиц высоких энергий.

Рассмотрим основные УЗЧ:

1. Линейный ускоритель использует статич. или квазистатич. эл. поле.

Пример: высоковольтный ускоритель Ван-де-Гаафа (1932)

Большая разность потенциалов создается за счет электрич. диэл. ленты, заряд с которой снимается иглами на металл. сферу большого радиуса. Источник ионов внутри кулона создает заряженные частицы.

1. Линейный резонансный ускоритель (1950) протонный ЛИНЕАК Альвариуса.

Частица пролетает цилиндры за одно и тоже время.

Длина ускорителей достигает нескольких километров, энергия протонов – несколько десятков Гигаэлек/вольт.

2. Циклотрон – для ускорения тяжелых частиц, ионов, протонов и т.д. (вид сверху) рис:

Между полюсами сильного магнита находится вакуумная камера, в которой находятся два электрода 1 и 2 в виде полых металлических цилиндров (ДУАНТОВ). К дуантам приложена высокочастотная разность потенциалов , создающая переменное поле. В зазоре, в центре циклотрона располагается источник генерирующий заряженные частицы, которые ускоряются эл. полем (в зазоре). Пройдя зазор, они движутся в магнитном, однородном, поперечном поле по окружности и через время снова попадают в зазор. За это время полярность дуантов меняется и частицы ускоряются снова. Для ускорения частиц необходимо выполнение условия циклотронного резонанса

Энергия, которую набирает заряженная частица будет равняться

~ 20 МэВ. Дальнейшее ускорение в циклотроне ограничено релятивистским возрастанием массы. Ускорение релятивистских частиц в цикл. ускорителях можно осуществить, если применить метод, предложенный Векслером В.И. (1924) и Мак-Миланом (1945) – ПРИНЦИП АВТОФАЗИРОВКИ. Прибор, построенный по этому методу, называется СИНХРОЦИКЛОТРОН и ФАЗОТРОН.

3. Фазотрон (синхроциклотрон)

Принцип:

Если заряженная частица, набрав некоторое количество энергии, вышла из состояния синхронизма с ускоряющим полем, то для приведения в состояние синхронизма необходимо уменьшить частоту ускоряющего поля. Частице можно сообщить все большую и большую энергию, если увеличить период высокочастотного ускоряющего поля Т_Г.

Фазотрон – циклич. резонансный ускоритель заряженных частиц, в котором ускоряющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля уменьшается при увеличении периода.

4. Синхротрон

Это циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в которых упр. магнитное поле меняется, а частота электрического поля постоянна.

5. Синхрофазотрон

Это циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона.

Магнитное поле, необходимое для искривления траектории создается кольцевым магнитом. В процессе ускорения частицы движутся по орбите постоянного радиуса, что достигается  во времени магнитного поля (как в бетатроне). Ускорение осуществляется эл. полем в специальных ускор. электродах. Энергии, которые приобретают электроны, достигают порядка 500 ГэВ.

6. Бетатрон

Циклич. индукцион. уск. электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым эл. полем индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на орбите. В -троне не  проблемы синхронизации. Принцип действия:

В поперечн. пост. магнитном поле электр. движется по окр. Если магн. поле будет изменяться, то оно создает вихревое эл. поле, которое сообщает электрону энергию. Электр. набир. энер., движется по спирали. Необходимое условие, накладываемое на структуру магнитного поля имеет вид

Если это условие создано, то электрон движется по окр.

Одно и тоже перем. магн. поле может ускорять электр. посредством эл. поля и удерживать их на орбите постоянного радиуса, если индукция на орбите в 2 раза меньше среднего значения индукции внутри орбиты.

B имеет lim, т.к. Fe имеет lim насыщения. r₀ имеет lim, т.к. с  r₀ масса  ~ , а  W затрагиваемая тоже  большими затратами энергии