Прискорювачі заряджених часток — пристрою для здобуття заряджених часток (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення виробляється за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію часток, що володіють електричним зарядом. Магнітне поле може лише змінити напрям руху заряджених часток, не міняючи величини їх швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом часток (формою траєкторії). Зазвичай прискорююче електричне поле створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливе прискорення за допомогою полів, створюваних ін. зарядженими частками; такий метод прискорення називається колективним (див. Прискорення заряджених часток колективні методи ) . В. з. ч. слід відрізняти від плазмових прискорювачів, в яких відбувається прискорення в середньому електрично нейтральних потоків заряджених часток (плазми ) .
В. з. ч. — один з основних інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами як пучків первинних прискорених заряджених часток, так і пучків вторинних часток (мезонів, нейтронів, фотонів і ін.), що отримуються при взаємодії первинних прискорених часток з речовиною. Пучки часток великих енергій використовуються для вивчення природи і властивостей елементарних часток, в ядерній фізиці, у фізиці твердого тіла. Все більше вживання вони знаходять і при дослідженнях в ін. областях: у хімії, біофізиці, геофізиці. Розширюється значення В. з. ч. різних діапазонів енергій в металургії — для виявлення дефектів деталей і конструкцій (дефектоскопія), в деревообделочной промисловості — для швидкої високоякісної обробки виробів, в харчовій промисловості — для стерилізації продуктів, в медицині — для променевій терапії, для «безкровної хірургії» і у ряді ін. галузей.
1. Історія розвитку прискорювачів Поштовхом до розвитку В. з. ч. послужили дослідження будови атомного ядра, що вимагали потоків заряджених часток високої енергії. Природні джерела заряджених часток, що застосовувалися спочатку, — радіоактивні елементи — були обмежені як по інтенсивності, так і по енергії часток, що випускаються. З моменту здійснення першого штучного перетворення ядер (1919, Е. Резерфорд ) за допомогою потоку а-часток від радіоактивного джерела почалися пошуки способів здобуття пучків прискорених часток.
В початковий період (1919—32) розвиток прискорювачів йшов по шляху здобуття високої напруги і їх використання для безпосереднього прискорення заряджених часток. У 1931 амер.(американський) фізиком Р. Ван-де-Граафом був побудований електростатичний генератор, а в 1932 англ.(англійський) фізики Дж. Кокрофт і Е. Уолтон з лабораторії Резерфорда розробили каскадний генератор . Ці установки дозволили отримати потоки прискорених часток з енергією порядка мільйон електрон-вольт ( Мев ) . В 1932 вперше була здійснена ядерна реакція, що збуджується штучно прискореними частками, — розщеплювання ядра літію протонами.
Період 1931—44 — час зародження і розквіту резонансного методу прискорення, при якому прискорювані частки багато разів проходят прискорюючий проміжок, набираючи велику енергію навіть при помірній прискорюючій напрузі. Засновані на цьому методі циклічні прискорювачі — циклотрони (Е. О. Лоуренс ) — незабаром обігнали в своєму розвитку електростатичні прискорювачі. До кінця періоду на циклотронах була досягнута енергія протонів порядка 10—20 Мев. Резонансне прискорення можливе і в лінійних прискорювачах Проте лінійні резонансні прискорювачі не набули в ті роки поширення із-за недостатнього розвитку радіотехніки. У 1940 амер.(американський) фізик Д. У. Керст реалізував циклічний індукційний прискорювач електронів (бетатрон), ідея якого раніше вже висувалася (амер. фізик Дж. Слепян, 1922; швейц.(швейцарський) фізик Р. Відерое, 1928).
Розробка прискорювачів сучасного типа почалася з 1944, коли сов.(радянський) фізик Ст І. Векслер і незалежно від нього (декілька пізніше) амер.(американський) фізик Е. М. Макміллан відкрили механізм автофазування, що діє в резонансних прискорювачах і дозволяє істотно підвищити енергію прискорених часток. На основі цього принципу були запропоновані нові типи резонансних прискорювачів — синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, мікротрон. В цей же час розвиток радіотехніки зробив можливим створення ефективних резонансних лінійних прискорювачів електронів і важких заряджених часток.
На початку 50-х рр. був запропонований принцип знакозмінного фокусування часток (амер. учені Н. Крістофілос, 1950; Е. Курант, М. Лівінгстон, Х. Снайдер, 1952), технічна межа досяжних енергій, що істотно підвищила, в циклічних і лінійних В. з. ч. У 1956 Векслер опублікував роботу, в якій була висунута ідея когерентного, або колективного, методу прискорення часток.
Подальші два десятиліття можна назвати роками реалізації цих ідей і технічного удосконалення В. з. ч. Для прискорення електронів перспективнішими виявилися лінійні резонансні прискорювачі. Найбільший з них, на 22 Гев, був запущений в 1966 амер.(американський) фізиком В. Панофським (США, Станфорд). Для протонів найбільші енергії досягнуті в синхрофазотронах. У 1957 в СРСР (Дубна) був запущений найбільший для того часу синхрофазотрон — на енергію 10 Гев. Через декілька років в Швейцарії і США вступили в буд синхрофазотрони з сильним фокусуванням на 25—30 Гев, а в 1967 в СРСР під Серпуховом — синхрофазотрон на 76 Гев, який протягом багатьох років був найбільшим в світі. У 1972 в США був створений синхрофазотрон на 200—400 Гев. В СРСР і США розробляються проекти прискорювачів на 1 000—5 000 Гев.
Сучасний розвиток прискорювачів йде як по шляху збільшення енергії прискорених часток, так і по шляху нарощування інтенсивності (сили струму) і тривалості імпульсу прискореного пучка, поліпшення якості пучка (зменшення розкиду по енергії, поперечним координатам і швидкостям). Паралельно з розробкою нових методів прискорення удосконалюються традиційні методи: досліджуються можливості вживання надпровідних матеріалів (і відповідної ним техніки низьких температур) в магнітах і прискорюючих системах, що дозволяють різко скоротити розміри магнітних систем і енергетичні витрати; розширюється сфера застосування методів автоматичного управління в прискорювачах; прискорювачі доповнюються нагромаджувальними кільцями, що дозволяють досліджувати елементарні взаємодії в зустрічних пучках (див. Прискорювачі на зустрічних пучках ) . При цьому особлива увага приділяється зменшенню вартості установок.
II. Класифікація прискорювачів
В. з. ч. можна класифікувати по різних ознаках. За типом прискорюваних часток розрізняють електронні прискорювачі, протонні прискорювачі і прискорювачі іонів.
По характеру траєкторій часток розрізняють лінійні прискорювачі (точніше, прямолінійні прискорювачі), в яких траєкторії часток близькі до прямої лінії, і циклічні прискорювачі, в яких траєкторії часток близькі до кола (або спіралі).
По характеру прискорюючого поля В. з. ч. ділять на резонансні прискорювачі, в яких прискорення виробляється змінним високочастотним (ВЧ) електромагнітним полем і для успішного прискорення частки повинні рухатися в резонанс із зміною поля, і нерезонансні прискорювачі, в яких напрям поля за час прискорення не змінюється. Останні у свою чергу діляться на індукційні прискорювачі, в яких електричне прискорююче поле створюється за рахунок зміни магнітного поля (едс індукції), і високовольтні прискорювачі, в яких прискорююче поле обумовлене безпосередньо прикладеною різницею потенціалів.
По механізму, що забезпечує стійкість руху часток в перпендикулярних до орбіти напрямах (фокусування), розрізняють прискорювачі з однорідним фокусуванням, в яких фокусуюча сила постійна уздовж траєкторії (принаймні, по знаку), і прискорювачі із знакозмінним фокусуванням, в яких фокусуюча сила міняє знак уздовж траєкторії, тобто чергуються ділянки фокусування і дефокусування. У застосуванні до деяких типів циклічних прискорювачів (синхротрон і синхрофазотрон) замість термінів «однорідне» і «знакозмінне» фокусування користуються термінами «слабке» і «сильне» («жорстка») фокусування.
Резонансні циклічні прискорювачі можуть бути класифіковані далі по характеру керівника — «ведучого» — магнітного поля і прискорюючого електричного поля: прискорювачі з постійним і із змінним в часі магнітним полем і відповідно прискорювачі з постійною і із змінною частотою прискорюючого поля. Приведена класифікація (таблиця. 1) не охоплює прискорювачів із зустрічними пучками і прискорювачів, що використовують колективні методи прискорення. Перший тип є своєрідним різновидом перерахованих в таблиці. 1 прискорювачів: пучки часток від прискорювачів того або іншого типа направляють назустріч один одному. Другий тип відрізняється від всієї сукупності описаних прискорювачів по джерелу прискорюючого поля.
В резонансному прискорювачі безперервне прискорення відбувається завдяки тому, що в прискорюючі електроди частка весь час потрапляє в прискорюючу фазу поля (тобто коли електричне поле направлене убік рухи часток). Ідеальна, т.з. рівноважна, частка весь час потрапляє в одну і ту ж фазу — рівноважну фазу.
В циклічному прискорювачі період звернення Т частки по орбіті пов'язаний з середнім радіусом <R> орбіти співвідношенням:
(1)
(u — швидкість частки). Середній радіус орбіти рівний
(2)
де Е = mc 2 — повна релятивістська енергія частки маси m, рівна сумі енергії спокою частки E 0 = m 0 з 2 і її кінетичною енергією W ( m 0 — маса спокою частки, з — швидкість світла), е — заряд частки < У > — середнє значення індукції магнітного поля; тому період звернення пов'язаний з енергією частки співвідношенням:
(3)
Для рівноважної частки період звернення рівний або кратний періоду Т в прискорюючого поля. Фіксованим значенням періоду звернення і індукції магнітного поля відповідають сповна визначені рівноважна енергія частки і рівноважний радіус її орбіти. Рівноважна частка набирає за зворот енергію ev 0 cos j 0 , де j 0 — рівноважна фаза, тобто фаза поля, що діє на рівноважну частку, відлічувана від максимуму поля, а V 0 — амплітуда напруги на зазорі прискорюючих електродів. Для набору кінцевої кінетичної енергії W макс частка повинна зробити N = W макс / ev 0 cosj 0 зворотів. У циклічних прискорювачах довжина дороги, прохідної часткою, досягає десятків і сотень тисяч км. При настільки великій довжині дороги для успішної роботи прискорювача необхідно забезпечити стійкість рівноважного руху: невеликі відхилення частки по фазі, по енергії, по радіусу і по вертикалі, а також невеликі початкові швидкості в напрямах, перпендикулярних орбіті, не повинні приводити до сильного відхилення частки від рівноважної орбіти — частка повинна здійснювати коливальний рух біля рівноважної частки. Забезпечення стійкості руху частки в напрямах, перпендикулярних орбіті (по радіусу і по вертикалі), називається фокусуванням, а у напрямі орбіти — фазуванням.
В лінійному прискорювачі протонів (з прискорюючими зазорами) для рівноважної частки час прольоту Т = L/u між сусідніми прискорюючими зазорами ( L — відстань між центрами зазорів, u — швидкість частки) кратно періоду прискорюючого поля Т в = l/ з , де l — довжина хвилі електромагнітного поля. Енергія W макс набирається при проходженні N = W макс /ev 0 cos j 0 прискорюючих зазорів, що визначає необхідну довжину прискорювача. Довжини сучасних лінійних прискорювачів для протонів досягають сотень м. Тому і тут питання стійкості руху, тобто забезпечення фокусування і фазування, є актуальним.
Для того, щоб розсіяння на ядрах атомів газу не приводило до сильного відходу часток від рівноважної траєкторії і їх випадання з процесу прискорення, область довкола рівноважної траєкторії охоплюється вакуумною камерою, в якій спеціальними насосами створюється досить сильне розрідження.
Фазування в резонансних прискорювачах забезпечується механізмом автофазування, обумовленим залежністю проміжку часу між подальшими прискореннями від енергії. У циклічних прискорювачах з однорідним фокусуванням період звернення зростає із збільшенням енергії, т.к. в співвідношенні (1) середній радіус орбіти зростає із зростанням енергії швидше, ніж швидкість частки. У прискорювачах із знакозмінним фокусуванням залежність середнього радіусу орбіти від енергії значно слабкіше; тому при малих енергіях період звернення зазвичай зменшується із зростанням енергії ( u зростає швидше, ніж <R> ), а при великих енергіях — збільшується із зростанням енергії (<R> зростає швидше, ніж u, яка обмежена швидкістю світла). При періоді, зростаючому з енергією, стійка права фаза на мал. 1 : якщо частка випадково попаде у фазу j 1 > j 0 , вона придбає енергію менше рівноважною, тому її період звернення стане менший рівноважного, частка відстане по фазі і, отже; її фаза наблизиться до рівноважної фази j 0 . Якщо ж період зменшується із зростанням енергії, то фаза j 0 стає нестійкою, а стійкою буде симетрична нею фаза — j 0 . Як би там не було, якщо ev 0 досить великий, завжди існують стійка рівноважна фаза і область близьких до неї фаз (область захвату), в межах якої частки вагаються біля рівноважної. Приріст енергії рівноважної частки ev 0 cos j 0 визначається умовою резонансу: T = qt в , де q — ціле число, називається кратністю частоти, або кратністю прискорення. Так, для циклічного прискорювача енергія рівноважної частки
(3’)
де w в = 2p /Т в — частота прискорюючого поля, так що для збільшення рівноважної енергії потрібно або збільшувати магнітне поле (синхротрон), або зменшувати частоту прискорюючого поля (фазотрон), або змінювати і те і інше (синхрофазотрон), або, нарешті, змінювати кратність прискорення q (мікротрон). Закон зміни магнітного поля, частоти і кратності прискорення і визначає значення фази j 0 для рівноважної частки; унаслідок автофазування рівноважна частка набирає саме ту енергію, яка визначається співвідношенням (3’). Відповідно до енергії змінюється радіус рівноважної орбіти, визначуваний формулою (2).
Для нерівноважних часток, що знаходяться усередині області захвату, приріст енергії відбувається нерівномірно, але в середньому вони набувають тієї ж енергії, що і рівноважна частка. Ці частки «захоплені» в режим прискорення. Частки, що сильно відрізняються від рівноважних по фазі або по енергії, взагалі в середньому не набуватимуть енергії, т.к. будут потрапляти то в прискорююче, то в уповільнююче поле («ковзати по фазі прискорюючої напруги»).
Аналогічний механізм фазування має місце і в лінійних резонансних прискорювачах з тією різницею, що там завжди час проходження відстаней між сусідніми зазорами зменшується із зростанням енергії, так що стійка рівноважна фаза завжди рівна — j 0 .
Фокусування часток в прискорювачах. В циклічних прискорювачах фокусування досягається головним чином спеціальним підбором форми магнітного поля. Якби магнітне поле було строге однорідно, то при будь-якому відхиленні швидкості частки від плоскості орбіти прискорювана частка вирушала б з рівноважної орбіти у напрямі осі магніта (по вертикалі z ) . Але якщо магнітне поле зменшується з збільшенням радіусу, то воно має «бочкоподібну» форму (це пов'язано з тим, що у відсутності струмів магнітне поле — безвихорове), завдяки чому сила F, що діє на частку, має складову F z у напрямку до плоскості рівноважної орбіти ( мал. 2 ).
Зміна поля по радіусу прийнято характеризувати показником спаду поля . Т. о., для стійкості руху у вертикальному (аксіальному) напрямі необхідне виконання умови n > 0, тобто щоб поле убувало із збільшенням радіусу. Рух в радіальному напрямі визначається співвідношенням між силою дії на частку магнітного поля eb u /c і доцентровою силою m u 2 /r, відповідною радіусу R. На рівноважній орбіті обидві ці величини рівні. Якщо частка з тією ж швидкістю випадково виявилася на більшому радіусі то для забезпечення стійкості в радіальному напрямі потрібно, щоб сила дії магнітного поля на цьому радіусі eb u /c була більша, ніж m u 2 /r, тобто щоб магнітне поле зменшувалося медленєє, чим 1/ R. Той же вивід виходить, якщо розглянути випадкове відхилення частки у бік менших радіусів. Т. о., умова стійкості в радіальному напрямі накладає обмеження на швидкість убування магнітного поля: показник спаду поля n має бути менше 1 ( n < 1). Для одночасної стійкості в радіальному і вертикальному напрямах повинна виконуватися умова:
0 < n < 1. (4)
Можна показати, що сили фокусування, що діють по радіусу і по вертикалі, виходять при цьому рівними:
F R = - (1- n ) m w 2 D R,
F Z = — n m ×w 2 D z , (5)
де m — маса, w — кутова швидкість звернення частки, D R і D z — відхилення частки від рівноважної орбіти по радіусу і по вертикалі. Під дією цих фокусуючих сил частки здійснюють коливання (т.з. бетатронні коливання) довкола рівноважної орбіти з частотами:
, (6)
Ці частоти менше частоти звернення w, тобто за зворот частка здійснює менше одного бетатронного вагання. Фокусуючі сили обмежені гранично допустимими значеннями n. Таке фокусування називається однорідним, або слабкою.
Для того, щоб збільшити фокусуючу силу по вертикалі, треба застосувати сильно спадаюче поле ( n > 1). Навпаки, для здобуття великої фокусуючої сили по радіусу треба застосувати поле з великими негативними значеннями n (тобто що сильно зростає по радіусу). Ці вимоги одночасно несумісні. Проте виявляється, що при певних обмеженнях їх можна реалізувати по черзі, забезпечивши тим самим сильне фокусування і по радіусу, і по вертикалі. На цьому заснований принцип знакозмінного фокусування ( мал. 3 ). Вся довжина рівноважної орбіти розбивається на велике число однакових періодів, в яких встановлюються магніти, що сильно фокусують поперемінно то по радіусу, то по вертикалі. При певному співвідношенні між значеннями показника спаду магнітного поля, довжиною магнітів і числом періодів така система володіє сильною фокусуючою дією з обох поперечних напрямів. Фізично це пояснюється тим, що у фокусуючих магнітах частка виявляється далі від рівноважного положення, чим в дефокусирующих (т.к. предшествующий дефокусирующий магніт відхилював її від орбіти), тому дія фокусуючих магнітів сильніша за дію дефокусирующих. Частота коливань часток при такому фокусуванні виходить істотно вище за частоту звернення, так що за один зворот частка здійснює декілька коливань. Збільшення фокусуючої сили приводить до зменшення амплітуди коливань часток під дією різних розгойдуючих чинників, що дозволяє зменшити поперечні розміри вакуумної камери і магнітів, а отже, істотно зменшити вагу і вартість установки. Тому у всіх крупних циклічних прискорювачах на великі енергії застосовується знакозмінне (сильна) фокусування. Неприємна особливість сильного фокусування — наявність багаточисельних резонансів, обумовлених великою частотою коливань часток: якщо число коливань частки по вертикалі або по радіусу за один повний зворот частки або їх сума або різниця виявляються цілими або напівцілими числами, то відбувається резонансне розгойдування коливань. У зв'язку з цим необхідно пред'являти великі вимоги до точності виготовлення магнітів.
Знакозмінне фокусування магнітним полем застосовується і в лінійних прискорювачах з тією різницею, що на рівноважній орбіті (пряма) магнітне поле дорівнює нулю. Система фокусування є в цьому випадку набором магнітів (магнітних квадрупольних лінз), що створюють магнітне поле, рівне нулю на осі Об системи і лінійно наростаюче при відхиленні від осі ( мал. 4 ). У одній плоскості магніти фокусують частки (сила F направлена до осі), в іншій — дефокусируют ( F направлена від осі). Ця плоскість фокусування чергується від магніта до магніта, що і приводить до знакозмінного фокусування.
При малих енергіях часток поряд з магнітним фокусуванням застосовується (як у циклічних, так і в лінійних прискорювачах) фокусування електричним полем, для чого використовується прискорююче електричне поле установки. Принцип фокусування пояснений на мал. 5 . У звичайному прискорюючому зазорі електричне поле зазвичай «провисає» всередину в центрі зазору. Тому в першій частині зазору воно має складову, направлену до осі зазору (що фокусує), в другій — від осі зазору (дефокусирующую). Результуючий фокусуючий ефект виходить, якщо фокусуюча дія виявляється більше дефокусирующего. Оскільки частка, проходя зазор, прискорюється, то в другій частині зазору вона летить швидше, тобто знаходиться там менший час, чим в першій, що тому фокусує дію переважає. Цей ефект, заснований на зміні швидкості частки, називається електростатичним фокусуванням. Він має помітну величину лише для малих швидкостей часток, так що його вживання в прискорювачах обмежено. Різниця дії електричного поля в першій і в другій частині зазору може бути обумовлена також зміною електричного поля в часі (електродинамічне фокусування): якщо за час прольоту електричне поле зменшується, то дефокусирующєє дія виявляється що менше фокусує. Фокусування такого типа має місце в циклотроні і фазотроні як доповнить. чинник до магнітного фокусування. Проте в лінійних прискорювачах протонів стійкої є негативна фаза j 0 (див. вищий), при якій поле зростає з часом. Тому в лінійних прискорювачах електричне поле дефокусируєт і потрібні спеціальні додаткові заходи для фокусування часток.
Можна і до електричного поля застосувати принцип знакозмінного фокусування. Наприклад, за допомогою електродів складної форми можна забезпечити зміну знаку фокусуючої сили від зазору до зазору або, міняючи від зазору до зазору знак рівноважної фази, можна отримати систему із знакозмінним фокусуванням і знакозмінним фазуванням. Такі системи були запропоновані і розроблені, але вони мають вельми обмежене вживання.
При великих інтенсивностях прискорюваних пучків починає позначатися взаємодія між окремими частками пучка; розштовхування за законом Кулона однойменно заряджених часток приводить до ослабіння фокусуючих сил. У циклічному В. з. ч. що випускається частками електромагнітне випромінювання (т.з. синхротронне випромінювання, див.(дивися) нижчий) також може викликати нестійкість руху. У різних прискорювачах взаємодія заряджених часток позначається по-різному, але майже завжди саме воно визначає гранично досяжну інтенсивність (поряд з ним інколи виявляється такою, що визначає потужність, необхідна для прискорення пучка).
IV. Основні типи сучасних прискорювачів
А. Циклічеськие прискорювачі
Синхрофазотрон (протонний синхротрон) — циклічний резонансний прискорювач протонів з магнітним полем (5), що змінюється в часі, і частотою, що змінюється
