Прискорювач високовольтний, пристрій для прискорення заряджених часток електричним полем, незмінним або слабо змінним протягом всього часу прискорення часток. Основні елементи В. ст – високовольтний генератор, джерело заряджених часток і система, призначена для прискорення часток ( мал. 1 ). Напруга, що отримується від високовольтного генератора, подається на електроди прискорюючої системи і створює усередині цієї системи електричне поле. Заряджені частки з джерела прискорюються цим полем до енергії Е = enu ев, де e – елементарний електричний заряд, n – число елементарних зарядів прискорюваної частки, u – напруга (у в ) високовольтного генератора. Тиск усередині прискорюючої системи не повинен перевищувати 10 -4 –10 -5 мм рт. ст., т.к. іначе відбувається значне розсіяння прискорюваних часток на молекулах газу.
Важлива перевага В. ст в порівнянні з ін. типами прискорювачів – можливість здобуття малого розкиду по енергії часток, що прискорюються в постійному в часі і однорідному електричному полі. З допомогою В. ст легко може бути досягнутий відносний розкид енергії ~ 10 -4 , а в окремих прискорювачів 10 -5 – 10 -6 . Завдяки цьому В. ст знайшли широке вживання при дослідженнях в атомній і ядерній фізиці. Ін.(Древн) перевага В. ст – можливість створення установок з великою потужністю і високим ккд(коефіцієнт корисної дії), що вельми важливе при використанні прискорювачів в прикладних цілях.
Види В. ст Залежно від типа використовуваного високовольтного генератора розрізняють електростатичні, каскадні, трансформаторні і імпульсні В. ст
1) У електростатичному прискорювачі (ЕСУ) напруга створюється електростатичним генератором – генератором, заснованим на перенесенні зарядів механічним транспортером. Генератор з гнучким транспортером з діелектричної стрічки називається генератором Ван-де-Граафа ( мал. 2 ). Електричні заряди наносяться на поверхню рухомого транспортера зарядним пристроєм, що складається з системи голок і плоского електроду, між якими створюється коронний розряд . Потім заряди переносяться до високовольтного електроду, де за допомогою ін. аналогічного пристрою вони знімаються, а замість них на поверхню транспортера наносяться заряди протилежного знаку, що знімаються першим пристроєм. Існують також генератори з транспортером у вигляді жорсткого діелектричного ротора (роторні електростатичні генератори). З 1960-х рр. в деяких ЕСУ використовується ланцюговий транспортер з металевими електродами, сполученими між собою діелектричними ланками (т.з. пеллетрон), переваги якого – висока стабільність зарядного струму, великий термін служби, високий ккд(коефіцієнт корисної дії). Найбільша напруга, отримана з іомощью електростатичних генераторів, складає близько 20 Мв ; проектуються установки на напругу до 30 Ме.
2) У каскадному прискорювачі джерелом напруги служить каскадний генератор, що перетворює низьку змінну напругу у високе постійне шляхом послідовного включення постійної напруги, що отримується в окремих каскадах схеми. Існує декілька схем каскадних генераторів, серед яких найбільш відомий генератор Кокрофта, – Уолтона з послідовним живленням каскадів (див. Каскадний генератор ) . В 60-х рр. набули поширення каскадні генератори з паралельним живленням каскадів: дінамітрон, генератори з індуктівної зв'язком каскадів з джерелом живлення ( мал. 3 ); їх перевага – рівномірний розподіл напруги по каскадах, а недолік – необхідність ізоляції каскадів на повну робочу напругу установки. Сучасні каскадні генератори дозволяють отримувати напругу до 4 Ме при потужності установок в декілька десятків квт.
3) У трансформаторних прискорювачах генератором високої напруги є високовольтний трансформатор, що живиться синусоїдальною напругою. Прискорююча система таких прискорювачів має пристрій відсічення, що забезпечує проходження пучка прискорюваних часток лише в ті моменти, коли напруга на вторинній обмотці трансформатора має потрібну полярність і близько до максимуму. Цим досягається досить малий розкид енергії прискорюваних часток. Високовольтний трансформатор практично не має обмежень по потужності і є найбільш перспективним типом генератора для потужних і надпотужних В. ст з енергією прискорених часток до 2–3 Мев.
4) У імпульсних прискорювачах джерелом напруги служать імпульсні трансформатори різних типів (наприклад, Тесла трансформатор ) , а також ємкісні генератори імпульсної напруги. У останніх велике число конденсаторів заряджає паралельно від загального джерела, потім за допомогою розрядників здійснюється їх перемикання на послідовне, і на навантаженні виникає імпульс напруги з амплітудою до декількох Мв.
Лінійні розміри В. ст визначаються напругою високовольтного генератора і електричною міцністю його ізоляції і прискорюючої системи. Зважаючи на малій електричній міцності повітря при атмосферному тиску споруда В. ст відкритого типа з енергією понад 1 Мев зазвичай недоцільно. Прискорювачі на велику енергію розміщуються в герметичних судинах, заповнених газом при тиску, в 5–15 разів що перевищує атмосферне. Це значно зменшує розміри прискорювачів і знижує вартість їх споруди. Особливо ефективне вживання електронегативних газів (фреону і шестифтористої сірки), а також їх сумішей з азотом і вуглекислотою. Імпульсні прискорювачі з тією ж метою розміщують усередині судин з рідким діелектриком (трансформаторним маслом або водою, що дистилює).
Основний спосіб підвищення робочого градієнта напруги у високовольтній ізоляції – секціонування ізоляційних конструкцій, тобто розділення великих ізоляційних проміжків на ряд малих відрізань за допомогою металевих електродів із заданим розподілом потенціалу.
Перезарядний прискорювач (тандем). Зниження необхідної напруги високовольтного генератора і тим самим зменшення розмірів В. ст можна також добитися, використовуючи перезарядку (зміна знаку заряду) часток в процесі прискорення. У прискорювачах такого типа ( мал. 4 ), званих тандемними, або перезаряднимі, негативні іони з джерела, що знаходиться під нульовим потенціалом, прискорюються у напрямку до високовольтного електроду генератора і там після взаємодії з мішенню перетворюються на позитивні іони. Потім вони продовжують рухатися прямолінійно і знов прискорюються тим же генератором напруги. Мішень для перезарядки є заповненою газом трубкою, струменем пари або плівкою твердої речовини. Існують установки з двох перезарядних прискорювачів ( мал. 5 ). В цьому випадку всередину високовольтного електроду 1-го прискорювача вводяться (інжектіруются) нейтральні частки малій енергії, які після взаємодії з мішенню перетворюються на негативні іони. Потім ці іони прискорюються і інжектіруются в 2-й прискорювач. Така схема дозволяє отримати однозарядні іони з потрійною енергією.
Джерела заряджених часток для В. ст Джерела електронів, часто наз.(назив) електронними гарматами, зазвичай є катодом, що нагрівається або струмом, що протікає безпосередньо по катоду, або окремим підігрівачем, і систему електродів, що формує потік електронів, що випускається катодом. У імпульсних сильноточних В. ст успішно використовуються холодні катоди з автоелектронною емісією (див. Тунельна емісія ) і з подальшою вибуховою емісією. При цьому спочатку джерелом електронів є найдрібніші виступи на поверхні катода, поблизу яких електричне поле посилюється до ~ 10 7 в/см. Потім електричний струм, що протікає по мікровиступах, викликає їх швидкий нагрів і частковий випар; хмара пари під дією електронного пучка перетворюється на плазму, яка сама стає джерелом електронів.
В іонних джерелах заряджені частки утворюються зазвичай усередині розрядної камери наповненою газом або парами речовини при тиску 10 -1 –10 -3 мм рт. ст., що містять атоми відповідного елементу. Первинна іонізація відбувається під дією електричного розряду: високочастотного (ВЧ джерела; рис 6 ) дугового розряду в неоднорідному електричному і магнітному полях (дуоплазматрон, запропонований йому.(німецький) фізиком М. Арденне) і т.д. Іони, що утворюються в області розряду, витягуються звідти полемо т.з. витягуючого електроду і потрапляють в прискорюючу систему. Позитивні іони отримують з центральної частини області розряду, де їх концентрація вища, а негативні – з периферії цієї області. Негативні іони для перезарядних прискорювачів можуть бути отримані також перезарядкою пучка позитивних іонів на газовій або пароструминній мішені, при взаємодії позитивних іонів з твердою поверхнею, покритою атомами лужних металів, і т.д.
Прискорююча система В. ст (прискорювальна трубка). Прискорювальна трубка є частиною вакуумної системи В. ст, тиск в якій не повинен перевищувати 10 -5 мм рт. ст. У більшості В. ст вона є циліндр, состоящиі з діелектричних кілець, розділених металевими електродами з отвором в центрі, службовцем для проходження пучка заряджених часток і відкачування газу, що поступає з іонного джерела і десорбується внутрішньою поверхнею системи ( мал. 7 ). Кільця і електроди сполучені один з одним спеціальним клеєм, паянням або термодифузійною зваркою, що забезпечують вакуумне ущільнення. Прискорювальна трубка – один з основних елементів В. ст, недостатня електрична міцність якого часто обмежує енергію прискорених часток.
На відміну від ізоляційних конструкцій, що працюють в стислому газі, просте секціонування ізолятора прискорювальної трубки металевими електродами виявляється малоефективним. При напрузі високовольтного генератора більше 4–5 Мв в трубці різко зростає інтенсивність розрядних процесів, а її електрична міцність знижується. Це явище, що отримало назву «Ефект повної напруги», пояснюється наявністю крізного вакуумного каналу, в якому відбувається обмін вторинними зарядженими частками і їх розмноження. Причини появи таких часток – опромінення внутрішньої поверхні трубки розсіяними частками пучка, емісія електронів із забруднених поверхонь, розряд по поверхні ізоляторів і т.д. Для боротьби з «ефектом повної напруги» пропонувалися різні конструкції прискорювальних трубок. Найбільш відомі прискорювальні трубки з «похилим полем», в яких електроди трубки встановлюються під невеликим кутом до плоскості її поперечного перетину, періодично змінним на протилежний. Прискорювані частки, що мають значну енергію, проходят по каналу такої трубки, не зачіпаючи його стінок, а трубки, що виникають усередині, вторинні частки з меншою енергією затримуються електродами. Усунення «ефекту повної напруги» удалося добитися також в прискорювальних трубках з плоскими електродами, в яких електроди і ізолятори сполучені паянням, а робочий вакуум складає 10 -8 –10 -9 мм рт. ст.
Успіхи в розробці нових конструкцій високовольтних генераторів і прискорювальних трубок дозволили підвищити енергії протонів, що отримуються в перезарядних В. ст до 40 Мев. Багатозарядні важкі іони можуть бути прискорені до значно великих енергій. Струм пучка найбільших В. ст іонів складає одиниці – десятки мка при розмірах пучка на мішені декілька мм і його расходімості менш 10 -3 рад.
Коротка історія розвитку В. ст Перше В. ст каскадного типа на енергію 700 кев було побудоване в 1932 англ.(англійський) фізиками Дж. Кокрофтом і Е. Уолтоном. У передвоєнні роки найбільший розвиток отримали ЕСУ з високовольтними генераторами Ван-де-Граафа. До 1940 завдяки вживанню для ізоляції стислого газу і використанню секціонованих високовольтних конструкцій енергія прискорених часток була підвищена до ~ 4 Мев. В СРСР перші ЕСУ були розроблені в Українському фізико-технічному інституті під рук. А. До. Вальтера. У післявоєнні роки збільшення енергії часток, що отримуються з допомогою В. ст, удалося добитися шляхом вживання перезарядних прискорювачів і прискорювальних трубок з похилим полем, запропонованих Р. Ван-де-Граафом (США). Удосконалення зарядною і прискорюючою систем ЕСУ були запропоновані Р. Хербом (США) в 60-х рр. Нові типи каскадних генераторів, що дозволили збільшити потужність. ст (дінамітрон і трансформатор з ізольованим сердечником), були розроблені в 1960–65 К. Моргенштерном (США) і Ван-де-Граафом. Більшість сучасних радянських В. ст для наукових досліджень і використання в техніці розроблені колективом Науково-дослідного інституту еоектрофізичної апаратури ним. Д. Ст Ефремова. Трансформаторні прискорювачі запропоновані і розроблені в 60-х рр. колективом інституту ядерної фізики Сибірського відділення АН(Академія наук) СРСР під керівництвом Р. І. Будкера .
Вживання В. ст Впродовж ряду років, починаючи із створення в 1932 першого В. ст, основною сферою їх застосування була ядерна фізика. З допомогою В. ст отримані важливі відомості про внутрішній будові атомних ядер, про енергії зв'язку нуклонів (протонів і нейтронів) в атомних ядрах, про перетини ядерних реакцій, про поверхневу і об'ємну структуру твердих тіл і т.д. Окрім безпосереднього використання у фізичних експериментах, В. ст застосовуються для попереднього прискорення заряджених часток в найбільших циклічних і лінійних прискорювачах, для нагріву плазми в стаціонарних термоядерних установках, швидкого нагріву мішеней в імпульсних термоядерних установках і т.д.
Завдяки низькій вартості і компактності В. ст знайшли широке вживання в різних технологічних процесах на промислових підприємствах. Невеликі прискорювачі іонів з енергією 100–200 кев застосовуються для легування тонких шарів напівпровідників при створенні приладів радіоелектроніки, а також для здобуття нейтронів опроміненням мішеней, що містять тритій, прискореними іонами дейтерію. Такі джерела нейтронів (нейтронні генератори) можуть бути використані, наприклад, для проведення активаційного аналізу різних речовин, дослідження стійкості елементів ядерних реакторів до нейтронного опромінення і т.д. Розроблені нейтронні генератори з потоками зверху 10 12 нейтронов/сек.
Прискорювачі електронів з енергією 1–2 Мев і потужністю в декілька квт можуть служити генераторами рентгенівського гальмівного випромінювання в промисловій дефектоскопії. Випромінювання виникає при взаємодії електронного пучка з мішенню з важкого металу, наприклад вольфраму. Малі розміри електронного пучка на мішені (одиниці або долі мм ) дозволяють отримати рентгенівські знімки з високим дозволом.
Перспективний напрям практичного використання електронних прискорювачів з енергією 0,2–3 Мев і потужністю 10–100 квт – обробка електронними пучками різних матеріалів з метою додання ним нових властивостей шляхом радіаційної полімеризації, радіаційної вулканізації, деструкції і т.д.
Літ.: Комар Е. Р., Основи прискорювальної техніки, М., 1975; Прискорювачі. Сб., пер.(переведення) з англ.(англійський) і йому.(німецький), під ред. Би. Н. Яблокова, М., 1962; Електростатичні прискорювачі заряджених часток. Сб., під ред. А. До. Вальтера, М., 1963.
