ГОС / 62

Циклические кольцевые ускорители. Циклотрон.

Линейные циклические ускорители должны иметь большое число ускоряющих электродов, когда необходимо достичь больших энергий ускоряемых частиц (~10¹⁰ эВ).

В 1932 г Лоуренс совместно с Ливингстоном разработали циклический (кольцевой) ускоритель – циклотрон. Схема его показана на рис. 12.

Д – дуанты, И – источник ионов, между дуантами создается переменное электрическое поле ВЧ, Перпендикулярно дуантам наплавлено постоянное магнитное поле В, ускоренные ионы выпускаются через окно О. Ионы будут двигаться по окружностям под действием силы Лоренца. При β=v/c<<1

Рис. 12.

mv²/r=qvB → v=e/m(rB); r=mv/qB=p/qB, т.к.v=2πυr, то υ=eB/2πm.

При больших скоростях радиус частицы будет выражаться формулой:

где р – импульс релятивистской частицы.

Угловая скорость задается формулой:

где Е – полная релятивистская энергия частицы.

При резонансе частота ускоряющего поля ω_Е, магнитное поле В и энергия частицы Е должны быть связаны соотношением:

ω_E=fω, или

где f – кратность – это отношение частоты электрического поля ω_Е к частоте ω обращения частицы в магнитном поле.

Циклотроны применяются для ускорения тяжелых частиц (до 100 МэВ). Не применимы для ускорения электронов, т.к. вследствие резкого возрастания (энергии) массы со скоростью они не будут находиться в резонансе. Протоны могут ускоряться до 25 МэВ. Для того, чтобы расширить область энергий для ускорения заряженных частиц, были разработаны новые системы ускорителей – фазотрон (иначе, синхроциклотрон), синхротрон, синхрофазотрон. В циклотроне энергия (масса) начинают сильно зависеть от скорости и условие резонанса не может быть осуществлено при постоянной частоте и при постоянном магнитном поле. При постоянном магнитном поле для обеспечения условия резонанса необходимо менять частоту генератора, питающего электроды. Частоту необходимо уменьшать. Ускорители с переменной частотой высоковольтного генератора и постоянном магнитном поле называются фазотронами или синхроциклотронами. Фазотрон позволяет ускорить тяжелые частицы – протоны, дейтоны альфа- частицы от 25 МэВ до энергий 1000 МэВ. При этом диаметр максимальной орбиты составляет 11,28 м.

Для ускорения электронов используются синхротроны – постоянная частота электрического поля, переменное магнитное поле. Электроны уже при энергиях 2 МэВ обладают скоростями близкими к скорости света в вакууме, поэтому, если удерживать электроны на орбите постоянного радиуса, то частота будет оставаться постоянной:

ν_e=c/2πr; ν=eB/2πm.

Величина индукции магнитного поля должна увеличиваться.

В синхротронах получают частицы с энергиями до гигаэлектронвольт.

В синхрофазотроне (рис13) объединяются свойства синхротрона и фазотрона. Частица удерживается на орбите одного и того же радиуса за счет нарастания магнитного поля. Предназначены для ускорения тяжелых частиц до 1 ГэВ. Достигнутые энергии 500 ГэВ. Согласованно изменяется и частота электрического поля и магнитное поле, так чтобы выполнялось условие: qB/ω_E=E/c² .

Автофазировка. Частицы попадают в камеру с разными скоростями. Некоторые начинают забегать вперед, другие отставать. Условие резонанса qB/ω_E=E/c² нарушается. Суть автофазировки заключается в том, что при достаточно медленном изменении во времени частоты ускоряющего поля и

Рис. 13.

величины магнитного поля В, обеспечивающем выполнение условие резонанса (для гипотетической синхротронной частицы), энергия любой частицы автоматически приобретает значение, близкое к резонансу. Для этого необходимо, чтобы частицы проходили ускоряющие зазоры в момент уменьшения электрического поля (когда оно начинает убывать). Механизм автофазировки был разработан Векслером В.И. (1944г) и Макмилланом (1945г).

Индукционный ускоритель – бетатрон (рис.14).

В1939 г Керстом (США) был создан нерезонансный циклический ускоритель легких частиц – электронов бетатрон.

В бетатроне используется вихревое электрическое поле, индуцируемое переменным магнитным полем.

Рис. 14.

Ускорители со встречными пучками.

Обычные ускорители не очень эффективны как источники порождения новых частиц. Из- за неравенства нулю суммарного импульса большая доля начальной энергии затрачивается на движение центра инерции образовавшихся частиц.

Пусть неподвижной мишени нет, а сталкиваются два встречных пучка частиц с массами m и с одинаковыми энергиями E. Суммарный импульс соударяющихся частиц теперь равен нулю и вся энергия может пойти на рождение новых частиц. В нерелятивистских реакциях встречные пучки дают выигрыш в 4 раза. В ультрарелятивистской области выигрыш еще больше, причем он тем больше, чем больше энергия сталкивающихся частиц и чем меньше их масса.

Оказывается, что если энергия частиц в пучках Е, то для эквивалентного ускорителя с неподвижной мишенью частицы должны обладать энергией Е_х= 2Е²/m.

Наиболее распространенными являются ускорители с встречными пучками e^--e⁺; p-p; p-p̃. Такие установки называются коллайдерами.

Первый ускоритель на встречных пучках был введен в Новосибирске в 1967 г. Энергия частиц в каждом пучке была 0,16 ГэВ. Но для эквивалентного ускорителя с неподвижной мишенью получается энергия Е_х= 2·0,16²/0,51·10^-3=100ГэВ.

Это уже значительно больше, чем энергия современных ускорителей. Ожидается, что на ускорителях со встречными пучками будут достигнуты энергии равные энергиям космических частиц (10²⁰эВ = 10¹¹ГэВ).

Главный недостаток коллайдеров – малая светимость (плотность потока частиц). А это ведет к малой вероятности событий. Сейчас для эффективного повышения светимости применяют накопительные кольца. По сути дела это синхротроны, в которых потоки частиц не ускоряются, а накапливаются в течение многих циклов работы основного ускорителя, в результате чего, циркулирующие в них токи, достигают десятков ампер. Высокий вакуум (10^-9 Па) позволяет охранять пучки до 1000 часов.

На рисунке 15 приведена схема коллайдера в Церне (Швейцария, Женева) со встречными протон – протонными пучками.

Рис. 15.

На рисунке: И – инжектор (линейный ускоритель), Б – бустер (малый ускоритель), СФ – синхрофазотрон, НК – два накопительных кольца – слегка деформированные окружности диаметром 300 м, пересекающихся 8 раз под углом 15⁰. Протоны вводятся поочередно по каналам 1 и 2 в течение 30 минут, далее каналы отключаются. Для эквивалентного ускорителя с неподвижной мишенью энергия частиц получается 2·10³ ГэВ. События регистрируются в точках пересечения.

В перспективе: 1. Будут осуществлены встречные пучки р-р̃ на несколько ТэВ, 2. Разгонять пучки сверхмощными электромагнитными полями, 3. Из области фантастики – ускоритель, опоясывающий земной шар на высоте 1000 км.