Ускоритель заряженных частиц

Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Тэватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор

Ускори́тель заря́женных части́ц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Самые крупные ускорители являются дорогостоящими комплексами, требующими международного сотрудничества. К примеру, Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН, представляющий собой кольцо длиной почти в 27 километров, является результатом работы десятков тысяч учёных из более чем ста стран. БАК сделал возможным столкновения протонов с суммарной энергией 13 ТэВ в системе центра масс налетающих частиц, что является мировым рекордом.

Ускоренные частицы сравнительно низких энергий применяют для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, получения рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении же заряженных частиц до энергий свыше 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В ряде установок, называемых коллайдерами, для увеличения эффективности использования энергии частиц их пучки сталкиваются (встречные пучки).

Работа ускорителя основана на взаимодействии заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.

Конструкции ускорителей

Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускорителя. На нём было получено напряжение 1 МВ в 1952 году

Линейный ускоритель электронов для Австралийского синхротрона

Схема устройства линейного ускорителя частиц

Линейные ускорители

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Основная статья: Высоковольтный ускоритель

Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:

• Ускоритель Ван де Граафа. Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.
• Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта-Уолтона, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.)
• Трансформаторный ускоритель. Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.
• Импульсный ускоритель. Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

Линейный индукционный ускоритель

Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

Линейный резонансный ускоритель

Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.

Циклические ускорители

Бетатрон

Основная статья: Бетатрон

Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в 1940—1941 годах в США.

Циклотрон

Основная статья: Циклотрон

Устройство циклотрона. 1 — место поступления частиц, 2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 — источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка

В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.

Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1930 году Лоуренсом и Ливингстоном, за что первому была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.

Микротрон

Основная статья: Микротрон

Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

FFAG

Основная статья: FFAG

Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.

Фазотрон (синхроциклотрон)

Основная статья: Фазотрон

Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.

Синхрофазотрон

Основная статья: Синхрофазотрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.

Небольшой 900 МэВ синхротрон — бустер электронов и позитронов БЭП в ИЯФ СО РАН, Новосибирск

Синхротрон

Основная статья: Синхротрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.

Ускоритель-рекуператор

По существу — это линак, но пучок после использования не сбрасывается, а направляется в ускоряющую структуру в «неправильной» фазе и замедляется, отдавая обратно энергию. Кроме того, бывают многопроходные ускорители-рекуператоры, где пучок, по принципу микротрона, совершает несколько проходов через ускоряющую структуру (возможно — по разным дорожкам), сперва набирая энергию, потом её возвращая.

Ускорители по назначению

Лазер на свободных электронах

Основная статья: Лазер на свободных электронах

Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.

Коллайдер

Основная статья: Коллайдер

Ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

Применение

• Научные исследования
• Стерилизация пищевых продуктов, медицинского инструмента
• Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика)
• Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей)
• Радиационная дефектоскопия
• Радиационное сшивание полимеров
• Радиационная очистка топочных газов и сточных вод

См. также

• Список ускорителей частиц
• Ускорительно-накопительный комплекс
• Сильноточный импульсный ионный ускоритель
• Нуклотрон

Литература

• Ускорители заряженных частиц / Сидорин А. О. // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
• Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И. Индукционный ускоритель электронов — бетатрон. Госатомиздат, 1961.
• Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.
• A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
• Бабат Г. И. Ускорители. — [М.]: Мол. гвардия, 1957. — 80 с. — 50 000 экз.
• Ратнер, Б. С. Ускорители заряженных частиц. — М.: Наука, 1966. — 151 с.
• Комар, Е. Г. Ускорители заряженных частиц. — М.: Атомиздат, 1964. — 388 с.
• Ливингстон, М. Стенли. Ускорители. Установки для получения заряженных частиц больших энергий. — М.: Изд-во иностр. лит., 1956. — 148 с.
• Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. — М.: Высшая школа, 1983. — 288 с.
• Ускорители заряженных частиц / Жулинский С. Ф., Пархоменко Г. М. // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б. В. Петровский. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1985. — Т. 26 : Углекислые воды. — 560 с. : ил.

Ссылки

• Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. Эксперимент