Шалнов К глубинным тайнам материи 2007

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Упомянем первую особенность ускорителя. В предыдущем разделе мы рассказывали о передаче энергии от ускоренной частицы атомному ядру. Первое обстоятельство, которое хотелось бы отметить, заключается в том, что частицы, выходящие из ускорителя, как правило, релятивистские, т.е. их масса зависит от скорости, а следовательно, ее можно изменять. Изменение массы ускоренной частицы происходит по закону:

m =	m0	,	(1)
	1− β 2
где m0 — масса покоя частиц, m —			релятивистская масса,

β = vc — отношение скорости частиц к скорости света.

Так как ускоряются заряженные частицы, то полученная в ускорителе кинетическая энергия определяется произведением заряда частиц q на пройденную разность потенциалов U

Eкин = q U .

(2)

Энергия в атомной физике измеряется в электрон-вольтах (эВ). В зависимости от типа ускорителя, величина U может формиро-

ваться просто как разность потенциалов между двумя электродами, и ее значение подставляется в этом случае непосредственно в формулу (2).

Однако процесс ускорения различен для разных типов ускорителей. Так, частица может получить энергию, пройдя некоторое количество ускоряющих зазоров. Тогда величина U определяется как сумма напряжений на пути частицы от начала процесса ускорения до получения энергии q U .

N
U = ¦Un ,	(2′)

n= 1

где Un — напряжение, действующее на частицу при n-м прохождении ускоряющего зазора, N — общее число пройденных зазоров.

11

А.В. Шальнов

Если частица приобретает энергию в бегущей волне с напряженностью электрического поля ε z (обычно ось z располагается в

направлении движения ускоряемого пучка), то

L	(2′′)
U = ³ ε z(z)dz ,
0

где L — общая длина пути, пройденного частицей в ускорителе. Перечислим основные элементы ускорителя и поясним выпол-

няемые ими функции в общих чертах, так как несколько более подробно эти вопросы будут рассмотрены при описании конкретных ускорителей.

1. Инжектор — источник электронов или ионов. Принцип действия электронного инжектора легко понять, если вспомнить устройство вакуумной электронной лампы. Там накаленный катод испускает электроны и они двигаются к аноду под действием электрического поля. Здесь же поток электронов нужно направить в ускоряющее устройство. В инжекторе ионов создается газовый разряд, в атмосфере которого содержится интересующий нас ион. Из разряда ионы извлекаются электрическим полем.

2.Ускоряющее устройство — это область, где производится основной набор энергии под действием электрического поля.

3.Генератор — источник мощности для создания ускоряющего

поля.

4.Вакуумные насосы — создают рабочий вакуум в области движения ускоряемых частиц.

5.Фокусирующие катушки — позволяют удерживать ускоряе-

мые частицы в центре вакуумной камеры.

6.Магниты — применяются как для обеспечения фокусировки электронов и ионов в линейных ускорителях, так и для получения траекторий нужной формы в циклических ускорителях.

7.Устройство для вывода пучка — служит для направления

ускоренного пучка либо на мишень, либо в следующий каскад ускорения.

12

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

4. ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Высоковольтные

Пусть у нас имеются два плоских металлических электрода бесконечных размеров, расположенные параллельно друг другу на расстоянии ℓ. Один из электродов заземлен, а другой находится под потенциалом U. Тогда ускоряемая частица (электрон или ион), разгоняясь от одного электрода к другому под действием напряженности поля ε , приобретает кинетическую энергию

Eкин = Z e U = Z e ε ℓ,

(3)

где е — заряд электрона, Z — целое число, равное заряду ядра в единицах заряда электронов (для электрона Z = 1).

Сразу отметим, что величина Е сверху ограничена пробивным напряжением. Если посмотреть на распределение напряжения и напряженности поля между двумя металлическими электродами небольшого размера, то картина изменится существенно. Такое распределение показано на рис.1. Видно, что на самом деле напряженность поля зависит от координаты Z и максимальна у металлических электродов.

Рис.1. Распределение напряжения U и напряженности поля ε между двумя металлическими электродами от расстояния z. Заземлен левый электрод

13

А.В. Шальнов

Тогда средняя часть ускорительной трубки не работает (находится под действием малой напряженности поля), и вероятность пробоя определяется величиной напряженности поля у электродов. Исправить положение можно с помощью расположенного вдоль линии, соединяющей электроды, делителя напряжения из последовательных одинаковых сопротивлений (рис.2).

Рис.2. Распределение напряжения U и напряженности поля ε между двумя металлическими электродами от расстояния z при включении делителя напряжения. Заземлен левый электрод

Видно, что напряженность поля между электродами будет практически постоянна, и все расстояние между электродами будет использоваться эффективно. Так практически и поступают в ускорителях с постоянно приложенным напряжением. Конечно, здесь не учитываются элементы конструкции ускорителя.

Однако получить высокое напряжение порядка 1 мегавольта (МB) само по себе сложно. Для этого используют два способа:

каскадные генераторы с умножением напряжения, электростатический ускоритель, в котором заряд на высоко-

вольтный электрод подается с помощью ленты.

14

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рассмотрим первый способ. Для каскадных генераторов в источниках напряжения, прикладываемого к электродам ускоряющей трубки, используются схемы выпрямления напряжения питания сети.

На рис.3 изображена однополупериодная схема выпрямления напряжения. При положительном напряжении на верхнем выводе трансформатора диод открывается и начинает проводить ток. Напряжение, появляющееся на емкости, ниже, чем напряжение вторичной обмотки трансформатора, так как часть его падает на активном сопротивлении обмотки. На рисунке видно, что напряжение на емкости появляется только при проводящем состоянии диода. Нагрузкой, изображенной на рисунке сопротивлением, является ускоряющее устройство, в котором протекает ток электронов или ионов. Напряжение на сопротивлении при отрицательном полупериоде на трансформаторе начинает падать (со скоростью, определяемой величиной емкости (а следовательно, уменьшается и энергия ускоряемых частиц). Падение его продолжается до следующего положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

а	б

Рис.3. Однополупериодная схема выпрямления (а) и зависимость напряжения на выходе от времени (б)

Чем больше величина сглаживающей емкости, тем меньше колебания выпрямленного напряжения, и соответственно меньше энергетический разброс ускоренных частиц.

Вторая схема, показанная на рис.4, двухполупериодная, т.е. при одном полупериоде работает одна обмотка, при другом — другая.

15

А.В. Шальнов

Если нагрузка током такая же, как на предыдущей схеме, то это означает, что колебания выпрямленного напряжения меньше, и разброс в энергии ускоренного пучка будет меньше. Кроме того, и энергия ускоренного пучка будет больше во второй схеме.

Рис.4. Двухполупериодная схема выпрямления

А как в принципе можно увеличить энергию ускоренного пучка? Нужно увеличить число каскадов, как это изображено на двух

следующих рисунках.

На рис.5 показан несимметричный каскадный генератор, на рис.6 — симметричный.

Каждая емкость в каскаде заряжается последовательно, и в результате энергия на выходе таких схем будет равна напряжению вторичной обмотки трансформатора, умноженному на число каскадов. Кроме того, интуитивно понятно, что симметричный каскадный выпрямитель будет менее зависим от падения напряжения, чем несимметричный, подобно тому как двухполупериодная схема выпрямления менее зависит от тока нагрузки, чем однополупериодная. Детальные объяснения этому можно найти, просмотрев соответствующую литературу [1].

С помощью каскадных генераторов были получены максимальные напряжения 5 МВ, а следовательно, энергии в 5 МэВ, но это цифры рекордные. Большинство же ускорителей такого типа имели энергию 1,5 МэВ.

Следующим линейным ускорителем высоковольтного типа был ускоритель, использующий другой принцип получения высокого потенциала, а именно, перенос заряда к высоковольтному электроду с помощью транспортировки его на ленте. По традиции тех времен он получил название по имени создателя — это генератор Ван-де- Граафа.

16

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рис.5. Каскадный выпрямитель			Рис.6. Каскадный выпрямитель
	несимметричный		симметричный

На рис.7 показана схема генератора Ван-де-Граафа или, как его называют по-современному, — электростатического ускорителя.

Заряд от зарядного устройства 1 подается на ленту из изолирующего материала. Лента 2 приводится в движение электромотором 11 и транспортирует заряд к высоковольтному электроду 4. Заряд снимается специальным устройством 3 и распределяется на высоковольтном электроде. Высоковольтный электрод соединен с источником заряженных частиц 7, который инжектирует электроны или ионы в вакуумированную ускорительную трубку 8. Ускоренные частицы 10 выводятся из трубки.

Генератор Ван-де-Гаафа обладает уникальной стабильностью энергии ускоренных частиц — до 0,01 %. Особенностью ускорителя является то, что одна часть ускорителя вакуумируется, а другая заполняется изолирующим газом под давлением для повышения электрической прочности. Как видно инжектор частиц находится под высоким напряжением. Для замены источника приходится весь ускоритель разбирать.

17

А.В. Шальнов

Рис.7. Электростатический ускоритель: 1 — зарядное устройство; 2 — зарядная лента; 3 — устройство для снятия заряда с ленты; 4 — высоковольтный электрод; 5 — изолятор, поддерживающий высоковольтный электрод с делителем напряжения для равномерного распределения напряжения; 6 — наружный кожух; 7 — источник заряженных частиц; 8 — ускорительная вакуумированная трубка; 9 — область под давлением; 10 — вывод частиц; 11 — электрометр

Высокая стабильность энергии привела к изобретению высоковольтного ускорителя с перезарядкой, хотя при этом существенно уменьшается интенсивность ускоренного пучка.

Схема ускорителя с перезарядкой показана на рис.8. Из источника, расположенного при потенциале земли, инжектируются отрицательные ионы водорода, которые ускоряются по направлению к высоковольтному электроду, имеющему положительную поляр-

18

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

ность. Проходя через канал в вакууме, ионы попадают в камеру перезарядки, где в результате столкновений с атомами разряженной мишени (обычно газовой) отдают два электрона и далее ускоряются вновь, двигаясь к заземленному электроду, получая в результате удвоенную энергию. В принципе, ускоряя таким способом многозарядные ионы и производя перезарядку многократно, можно было бы существенно увеличить энергию. Такие схемы не применялись, по-видимому, из-за очень сильного уменьшения интенсивности при перезарядке.

Рис.8. Электростатический ускоритель с перезарядкой: 1 — источник отрицательных ионов; 2 — ускорительная трубка; 3 — крепление высоковольтного электрода; 4 — высоковольтный электрод; 5 — камера перезарядки; 6 — мишень

Завершая раздел о высоковольтных ускорителях, остановимся на используемых в них двух элементах. Оба эти элемента представляют собой источники заряженных частиц. Надо отметить, что они для высоковольтных (и вообще для линейных ускорителей) являются достаточно несложными элементами, поскольку размещаются свободно, в начале движения ускоряемых частиц.

На рис.9 изображена простейшая электронная пушка. Она состоит из катода, фокусирующего электрода и анода. К катоду прикладывается отрицательное напряжение.

Фокусирующий электрод присоединяют к катоду и придают ему форму, которая способствует сжатию пучка. На аноде потенциал земли, поскольку дальнейшая часть ускорителя также находится под этим потенциалом.

19

А.В. Шальнов

Рис.9. Простейшая электронная пушка:

1 — катод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — анод — извлекающий электрод

Источники ионов очень многообразны по типу получаемых ионов, по знаку и величине заряда, по способу получения ионов.

На рис.10 приведем в качестве примера источник с осциллирующими электронами (типа Пеннинга). Ионизация рабочего газа производится электронами, испускаемыми подогревным катодом. В разрядной камере создается продольное магнитное поле, которое заставляет электроны, стремящиеся к аноду, двигаться по спиральным траекториям, что увеличивает количество производимых ими актов ионизации. Извлечение образовавшихся ионов осуществляется через отверстие в одном из катодных электродов. От источника можно получить токи ионов в несколько десятков микроампер. В источниках с осциллирующими электронами можно также производить прямое испарение в разрядную камеру твердого вещества при температурах 600-1200 ° С либо галогенизацию нагретых окислов или атомарных материалов. Типичное значение извлекаемого тока в результате использования таких процедур – до нескольких сотен микроампер (см. табл.1).

20