Линейные ускорители заряженных частиц. Как работают ускорители заряженных частиц

В мае ученые планируют воссоздать космические условия Вселенной, которые существовали в миллиардные доли секунды после Большого Взрыва. Согласно их теории, космос тогда был невероятно горячим, что позволяло материи распадаться на простейшие составляющие.

БАК должен проделать тот же фокус и помочь ученым заглянуть в текстуру нашей Вселенной.

Шаткая модель и одна частица

В 2012 году эксперимент БАК позволил физикам обнаружить призрачную частицу под названием бозон Хиггса, которая стала важной частицей головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц. Годом спустя коллайдер был остановлен для обслуживания и реконструкции, и обновление потребовало больше времени, чем ожидалось.

Хотя ученые и довольствуются открытием бозона, они не удовлетворены текущим состоянием физики элементарных частиц и своими находками. Бозон Хиггса, говорят ученые, это не конец пути, а новая дверь или «новый ключ» к сложному механизму. Кроме того, некоторые ученые жалуются, что смогли изучить только тысячу-другую частиц, в то время как частиц, объясняющих существующую Вселенную, намного больше.

Один из ученых, участвующих в эксперименте, считает, что нынешняя Стандартная модель Вселенной, построенная на физике элементарных частиц, «очень и очень хороша», но не может объяснить Вселенную. Вот почему некоторые члены команды хотят сбросить с трона некоторые существующие теории и перестроить их с нуля, вместо того чтобы доказывать, что они верны.

Воплощение темной материи

Один из ключевых вопросов, которые поднимет эксперимент, это темная материя. Согласно Стандартной модели, 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, которые невозможно обнаружить оптическими инструментами вроде телескопов.

Ученые CERN хотят раз и навсегда доказать, что темная материя существует не только в теории. Для этого команда планирует разбить частицу бозона Хиггса и заставить его распасться на протон и составляющую темной материи.

Ожидание неожиданного

Если ученым удастся, они разобьют текущую Стандартную модель и предоставят нам совершенно новое понимание Вселенной, которое называют «теорией всего».

Кроме того, ученые планируют проверить другую теорию - которая связана с сосуществованием материи и антиматерии в видимой Вселенной. Материя и антиматерия, как полагают, сталкивались много раз в космосе, поэтому то, что мы сегодня воспринимаем как видимую Вселенную, является лишь результатом столкновений.

В любом случае антиматерия — это гипотеза. Обычно в фантастических фильмах и книгах много антиматерии, но не в реальности, объясняют ученые. БАК начнет поиски антиматерии также в мае.

Два других горячих вопроса - теории, связанные с отсутствием гравитации в Стандартной модели физики, и возможность существования множества мелких частиц во Вселенной. Ученые мечтают найти мельчайшую частицу в электроне.

Однако через умы ученых проходят «миллионы безумных идей». Пока осталось просто дождаться запуска Большого адронного коллайдера и новых данных.

1. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке 4.2.

Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов (3). К дуантам приложено переменное электрическое поле (5). Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Если заряженную частицу ввести в центр зазора (1) между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдет в дуант и опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы. К моменту ее выхода из первого дуанта полярность напряжения изменяется (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходя во второй дуант, описывает там полуокружность уже большего радиуса (2) и т.д.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнять условие синхронизма (условие «резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона (4).

В циклотронах заряженная частица с зарядом q и массой m ускоряется до скоростей, при которых релятивистский эффект увеличения массы частицы практически не проявляется. Период обращения частицы

Радиус траектории частицы

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью , что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при Е = 0,5 МэВ, m = 2m 0 , при Е = 10 МэВ m = 28m 0).

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907–1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак–Милланом (1907–1991) принцип автофазировки . Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ве­дущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

2. Микротрон (электронный циклотрон) – циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q. Частица вращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. Причем, если частица с самого начала вошла в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной орбите, также будут ускоряться.

Микротрон – ускоритель непрерывного действия, и способен давать токи порядка 100 мА, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (Россия, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.

Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили.

3. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, про­тонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты).

4. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. На рисунке 4.3 схематически изображен синхротрон: 1 – инжектор электронов; 2 – поворотный магнит; 3 – пучек электронов; 4 – управляющий электромагнит; 5 – вакуумная тороидальная камера; 6 – ускоряющий промежуток.

Внешний вид Томского синхротрона на 1,5 ГэВ представлен на рисунке 4.4. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 5 – 10 ГэВ.

Рис. 4.3 Рис. 4.4

5. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона. Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. На рис. 4.5 изображен Серпуховской синхрофазотрон У-70 на энергию 70 ГэВ.

Рассмотрим действие лоренцевой силы и рассчитаем энергию протонного ускорителя, представляющего собой кольцевой магнит диаметром 2 км. Между полюсами этого магнита расположена тороидальная вакуумная камера, в которую инжектирован пучек протонов. Если смотреть на ускоритель сверху (рис. 4.6), то пучок протонов движется по часовой стрелке со скоростью υ, близкой к скорости света.

На протон действует центростремительная сила, направленная к центру. Если поле направлено из плоскости чертежа, то сила Лоренца всегда направлена к центру.

Рис. 4.5 Рис. 4.6

Центростремительная сила равна:

где m r – релятивистская масса протона. Так как эта сила обусловлена действием магнитного поля, она равна (). Тогда

Поскольку , то можно записать – так можно рассчитать полную релятивистскую энергию протонов:

Заметим при этом, что магнитное поле не увеличивает скорость или энергию частиц. Ускорение протонов осуществляется при каждом их обороте в кольце за счет электростатического поля, которое действует на коротком участке кольца.

Планируется построить в г. Серпухове протонный синхрофазотрон на энергию примерно 3 000 ГэВ (диаметр установки примерно 6 000 м).

В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей.

Масса частицы m зависит от ее скорости :

,

где – масса покоя частицы; – отношение скорости частицы к скорости света в вакууме.

Кинетическая энергия частицы K : , где – полная энергия частицы; – энергия покоя частицы.

Импульс релятивистской частицы

.

Период обращения релятивистской частицы

.

Радиус окружности траектории релятивистской частицы

.

6. Бетатрон – единственный циклический ускоритель (электронов) нерезонансного типа, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем.

Электродвижущая сила индукции, создаваемая переменным магнитным полем, может существовать и в отсутствие проводников. Энергия K , передаваемая вихревым электрическим полем единичному положительному заряду, равна контурному интегралу по замкнутой траектории L :

Согласно закону Фарадея, этот интеграл равен изменению магнитного потока через замкнутый контур L . Таким образом, вихревое электрическое поле может действовать на сгусток электронов, двигающихся в изменяющемся магнитном поле, и ускорять их. При определенных условиях движение электронов происходит в переменном магнитном поле по орбите постоянного радиуса и является устойчивым, причем энергия электронов увеличивается за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим орбиту частиц (рис. 4.7). Циклический индукционный ускоритель электронов данного типа называется бетатроном .

Как показано на рисунке 4.7, переменный центральный магнитный поток В ср создает в бетатроне вихревую ЭДС индукции, ускоряющую электроны. В соответствии с выражением (3.4.5)

при каждом обходе контура энергия электронов увеличивается на величину .

Удержание электронов на стационарной круговой орбите осуществляется управляющим магнитным полем , определенным образом, изменяющимся во времени.

a б в

Бетатрон (рис. 4.8, а ) состоит из тороидальной вакуумной камеры

(рис. 4.8 в ), помещающейся между полюсами электромагнита специальной формы (рис. 4.8 б ). Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой .

Переменное магнитное поле выполняет две функции: во-первых, создает вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны внутри тороида; во-вторых, удерживает электроны на орбите (силовые линии располагаются так, чтобы пучок электронов находился в состоянии устойчивого равновесия в центре тора).

За время порядка электроны успевают сделать до оборотов и приобрести энергию до 500 МэВ (сотни МэВ в разных ускорителях). При такой энергии скорость электронов близка к скорости света ().

Кроме того, сам же пучек электронов в данном случае выполняет роль вторичной обмотки трансформатора.

В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет электроны от стационарной орбиты и направляет их на специальную мишень, расположенную внутри камеры. Попадая на мишень, электроны тормозятся в ней и испускают жесткие γ-лучи или рентген, которые используются в ядерных исследованиях при неразрушающих методах контроля, в медицине и т.д.

Идея бетатрона запатентована в 1922 г. Дж. Слепяном. В 1928 г. Р. Видероэ сформулировал условие существования равновесной орбиты – орбиты постоянного радиуса «условие 2:1». Первый действующий бетатрон был создан в 1940 г. Д. Керстом.

В СССР первые бетатроны были разработаны и созданы учеными Томского политехнического института (ныне университета): профессорами А.А. Воробьевым, Л.М. Ананьевым, В.И. Горбуновым, В.А. Москалевым, Б.Н. Родимовым. В последующие годы в институте интроскопии (НИИН при ТПУ) под руководством профессора В.Л. Чахлова, успешно разрабатываются и изготавливаются малогабаритные переносные бетатроны применяемые в медицине, дефектоскопии и других прикладных и научных исследованиях.

Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования бетатроны нашли особо широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергии 20 ¸ 50 МэВ. Используется непосредственно сам электронный пучок или тормозное γ-излучение, энергия которого может плавно изменяться.

7. Большой андронный коллайдер (БАК ).

В 2000 году физики из ЦЕРНа (европейский центр ядерных исследований), работающие на 27-километровом кольцевом Большом электрон-позитронном коллайдере LEP (Large Electron Positron Collider), обнародовали фотографии превращений элементарных частиц, которые вроде бы свидетельствовали о реальности хиггсовского бозона, однако последующие эксперименты доказали преждевременность этого вывода. В то время считалось, что масса этой частицы не превышает 96 Гэв, что лежало в пределах возможностей церновского коллайдера. В то же время теоретические расчеты показывают, что даже небольшое увеличение массы t -кварка должно весьма значительно повышать массу хиггсовского бозона. Коль скоро теперь этот кварк «потяжелел» с 175 до 178 Гэв, теоретически вычисленная масса бозона Хиггса оказывается не меньше 117 Гэв, но может составлять и 251 Гэв. Это означает, что бозон Хиггса невозможно получить ни на одном ныне действующем ускорителе, так что выводы европейских физиков и в самом деле приходится признать ошибочными. Однако не будем огорчаться – сейчас ЦЕРН строит более мощный ускоритель, LHC (Large Hadron Collider) – Большой адронный коллайдер (рис. 4.9, рис 4.10). Его энергии должно хватить и для долгожданной поимки хиггсовского бозона – конечно, если его масса вновь не подскочит. Новый суперускоритель ЦЕРНа будет запущен в 2007 году, так что ждать осталось уже недолго.

В зависимости от траектории движения частиц в ускорительной камере, ускорители подразделяются на линейные (траектория – прямая линия) и циклические (траектория близка к окружности или спирали).

По характеру ускоряющего поля различают нерезонансные и резонансные ускорители. В свою очередь нерезонансные подразделяются на индукционные и высоковольтные.

Наиболее просты высоковольтные , в которых энергия поля передается частицам непосредственно в результате ускорения в постоянном электрическом поле с определенной разностью потенциалов. Время действия ускоряющего поля значительно превышает время пролета ускоряющего промежутка. Такие ускорители позволяют достигать энергии частиц до 1 МэВ, а траектория их движения прямолинейна.

В индукционных ускорителях ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, и они бывают линейными и циклическими.

Гораздо большую энергию позволяют получать резонансные ускорители. В них энергию частицы получают от высокочастотного поля при многократном прохождении ими ускоряющего промежутка. При этом необходимо, чтобы при прохождении ускоряющего промежутка поле было направлено в сторону движения частиц, а их ускорение происходит в резонанс с изменением ускоряющего поля. В этом случае ускоряющее напряжение относительно невелико. В современных линейных ускорителях резонансного типа электроны разгоняются до энергии до 20 ГэВ, протоны – до 800 МэВ, ионы – до 15 МэВ. Большую энергию частицы получают в циклических резонансных ускорителях.

Для ускорения ионов могут использоваться так называемые коллективные ускорители, в которых ионы приобретают энергию в поле электронного пучка, который, в свою очередь, ускоряется внешним электрическим полем.

В линейных ускорителях частота ускоряющего поля постоянна. При этом резонансные линейные ускорители подразделяются на ускорители с бегущей волной и стоячей волной.

Все циклические ускорители, за исключением бетатрона, являются резонансными. Ускорители электронов – бетатрон, микротрон, синхротрон, ускорители тяжелых частиц – циклотрон, фазотрон, синхрофазотрон.

Бетатрон – электроны двигаются по кольцевым орбитам и ускоряются вихревым электрическим полем. Энергия 100 - 300 МэВ.

Микротрон (электронный циклотрон) – резонансный циклический ускоритель непрерывного действия, в котором и управляющее магнитное поле, и частота ускоряющего электрического поля постоянны во времени. Энергия электронов около 30 МэВ. Часто он используется в качестве источника электронов в синхротронах.

Синхроторон – ускоритель, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны двигаются по кольцевым орбитам с энергией 6-12 ГэВ.

Циклотрон – ускоритель протонов и др. тяжелых частиц. В них управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля постоянны во времени. Частицы двигаются по плоской развертывающейся спирали. Работают в непрерывном режиме. Энергия частиц 0,5 – 1 ГэВ.

Фазотрон (синхроциклотрон) – магнитное поле постоянно во времени, а частота электрического поля постоянно уменьшается. Тяжелые частицы движутся по спирали от центра вакуумной камеры, где расположен источник, к периферии. Энергия частиц около 1 ГэВ.

Синхрофазотрон – магнитное поле и частота электрического поля изменяются одновременно (синхронно). Применяются для ускорения частиц до энергии 10 – 3000 ГэВ.

У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра – обстрелять его частицами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений, возникающих при естественном распаде радиоактивных элементов. Но вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже «заглянуть» в ядро, физикам пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких энергий.

Известно, что, попав между электродами с разным зарядом, заряженная частица, например, электрон или протон, ускоряет движение под действием электрических сил. Это явление и породило в 1930‑е годы идею создания так называемого линейного ускорителя.

По конструкции линейный ускоритель представляет собой длинную прямую трубку‑камеру, внутри которой поддерживается вакуум. По всей длине камеры расставлено большое количество металлических трубок‑электродов. От специального генератора высокой частоты на электроды подают переменное электрическое напряжение – так, что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова положительный электрод, за ним – отрицательный.

Пучок электронов выстреливается из электронной «пушки» в камеру и под действием потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, проскакивая сквозь него дальше. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь уже он отталкивает от себя электроны, как бы подгоняя их сзади. А второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Потом, когда электроны пролетят через него, он снова станет отрицательным и подтолкнет их к третьему электроду.

Так по мере движения вперед электроны постепенно разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в сотни миллионов электрон‑вольт. Через установленное в конце трубы окошко, непроницаемое для воздуха, порция ускоренных электронов обрушивается на изучаемые объекты микромира – атомы и их ядра.

Нетрудно понять, что чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем длиннее должна быть труба линейного ускорителя – десятки, а то и сотни метров. Но не всегда это возможно. Вот если бы свернуть трубу в компактную спираль. Тогда такой ускоритель свободно мог бы разместиться в лаборатории.

Воплотить эту идею в жизнь помогло еще одно физическое явление. Заряженная частица, попав в магнитное поле, начинает двигаться не по прямой, а «завивается» вокруг магнитных силовых линий. Так появился еще один тип ускорителя – циклотрон. Первым циклотрон был построен еще в 1930 году Э. Лоуренсом в США.

Основная часть циклотрона – мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых металлических коробок, разделенных небольшим зазором. Эти коробки – дуанты – служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц – что‑то вроде электронной «пушки».

Вылетев из источника, частица (предположим, что теперь это положительно заряженный протон) сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный момент отрицательно. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время первый электрод становится положительным и теперь выталкивает частицу, в то время как другой втягивает ее в себя. Так, переходя из одного дуанта в другой, частица набирает скорость и описывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью специальных магнитов на мишени экспериментаторов.

Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они становятся тяжелее и начинают постепенно отставать от меняющего свой знак электрического напряжения на дуантах. Они уже не попадают в такт электрическим силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сообщить частицам в циклотроне, составляет 25‑30 МэВ.

Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения, поочередно подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в такт «отяжелевшим» частицам. Ускоритель такого типа называется синхроциклотроном.

На одном из крупнейших синхроциклотронов в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой) получают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны (ядра тяжелого водорода – дейтерия) с энергией 380 МэВ. Для этого потребовалось соорудить вакуумную камеру диаметром 3 метра и электромагнит массой 7000 тонн!

По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость строить еще более мощные ускорители – синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся не по спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. В 1944 году независимо друг от друга советский физик В.И. Векслер и американский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть метода заключается в следующем: если определенным образом подобрать поля, частицы будут все время автоматически попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 году американские ученые Э. Курант, М. Ливингстон и Х. Снайдер предложили так называемую жесткую фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.

Существует и другая система классификации ускорителей – по типу ускоряющего электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счет высокой разности потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует все время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях «работает» вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «комплекта» частиц. Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют в виду в основном кольцевые резонансные ускорители.

В еще одном виде ускорителей – протонном – на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются по круговой орбите с постоянной частотой. Ускорители для протонов высоких энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США, Швейцарии и России.

Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Один из самых крупных в мире – протонный синхрофазотрон У‑70 Института физики высоких энергий в городе Протвино под Москвой, вступивший в строй в 1967 году. Диаметр ускорительного кольца составляет полтора километра, общая масса 120 магнитных секций достигает 20000 тонн. Каждые две секунды ускоритель выстреливает по мишеням залпом из 10 в двенадцатой степени протонов с энергией 76 ГэВ (четвертый показатель в мире). Чтобы достигнуть такой энергии, частицы должны совершить 400000 оборотов, преодолев расстояние в 60000 километров! Здесь же сооружен подземный кольцевой тоннель длиной двадцать один километр для нового ускорителя.

Интересно, что пуски ускорителей в Дубне или Протвино в советские времена проводились только по ночам, поскольку на них подавалась чуть ли не вся электроэнергия не только Московской, но и соседних областей!

В 1973 году американские физики привели в действие в городе Батавии ускоритель, в котором частицам удавалось сообщить энергию в 400 ГэВ, а потом довели ее до 500 ГэВ. Сегодня самый мощный ускоритель находится в США. Он называется «Тэватрон», поскольку в его кольце длиной более шести километров с помощью сверхпроводящих магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ равен 1000 ГэВ).

Чтобы достичь еще более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с материалом исследуемого физического объекта, надо разогнать «мишень» навстречу «снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в особых ускорителях – коллайдерах. Конечно, плотность частиц во встречных пучках не столь велика, как в материале неподвижной «мишени», поэтому для ее увеличения применяют так называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями» вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами, компенсирующими частицам потерю энергии. Именно с коллайдерами ученые связывают дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира – в США, Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных исследований, базирующемся в Швейцарии.

Современный ускоритель – это «фабрика» по производству интенсивных пучков частиц – электронов или в 2000 раз более тяжелых протонов. Пучок частиц из ускорителя направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, «мишень». При соударении с ней возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение новых частиц и есть цель опытов.

С помощью специальных устройств – детекторов – эти частицы либо их следы регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц, электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки информации, полученной с детекторов, на компьютерах восстанавливают всю «историю» взаимодействия и, сопоставив результаты измерений с теоретической моделью, делают выводы: совпадают реальные процессы с построенной моделью или нет. Именно так добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц.

Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на атом «мишени» или на встречную частицу в коллайдере, тем мельче будут «осколки».

С помощью коллайдера в США, например, проводятся эксперименты с целью воссоздания в лабораторных условиях Большого взрыва, с которого, как предполагается, началась наша Вселенная. В этом смелом эксперименте принимали участие физики из двадцати стран, среди которых были и представители России. Российская группа летом 2000 года непосредственно участвовала в эксперименте, дежурила на ускорителе, снимала данные.

Вот что говорит один их российский ученых – участников этого эксперимента – кандидат физико‑математических наук, доцент МИФИ Валерий Михайлович Емельянов: «В 60 милях от Нью‑Йорка, на острове Лонг‑Айленд, был построен ускоритель RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider – коллайдер на тяжелых релятивистских ионах. «Тяжелых» – поскольку уже в этом году он начал работать с пучками ядер атомов золота. «Релятивистских» – тоже понятно, речь идет о скоростях, при которых во всей красе проявляются эффекты специальной теории относительности. А «коллайдером» (от collide – сталкиваться) он называется потому, что в его кольце происходит столкновение встречных пучков ядер. Кстати, в нашей стране ускорителей такого типа нет. Энергия, которая приходится на один нуклон, составляет 100 ГэВ. Это очень много – почти вдвое больше ранее достигнутого. Первое физическое столкновение было зафиксировано 25 июня 2000 года». Задачей ученых было попытаться зарегистрировать новое состояние ядерного вещества – кварк‑глюонную плазму.

«Задача очень сложна, – продолжает Емельянов, – а математически – вообще некорректна: одно и то же фиксируемое распределение вторичных частиц по импульсам и скоростям может иметь совершенно разные причины. И только при детальном эксперименте, в котором задействована масса детекторов, калориметры, датчики множественности заряженных частиц, счетчики, регистрирующие переходное излучение, и т п., есть надежда зарегистрировать тончайшие отличия, присущие именно кварк‑глюонной плазме. Механизм взаимодействия ядер при столь больших энергиях интересен сам по себе, но куда важнее, что впервые в лабораторных условиях мы можем исследовать зарождение нашей Вселенной».

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более \ МэВ. На рекордном У. протонов - теватроне достигнута энергия 940 ГэВ (Лаборатория им. Ферми, США). Крупнейший ускоритель электронов LEP (ЦЕРН, Швейцария) ускоряет встречные пучки электронов и позитронов до энергии 45 ГэВ (после установки дополнит, ускоряющих устройств энергия может быть увеличена вдвое). У. широко применяются как в науке (генерация элементарных частиц, исследование их свойств и внутр. структуры, получение не встречающихся в природе нуклидов, изучение ядерных реакций, радиобиол., хим. исследования, работы в области физики твёрдого тела и т. д.), так и в прикладных целях (стерилизация медицинской аппаратуры, материалов и др., дефектоскопия, изготовление элементов микроэлектроники, произ-во радиофармакологич. препаратов для медицинской диагностики, лучевая терапия, радиац. технологии в технике - искусств, полимеризация лаков, модификация свойств материалов, напр, резины, изготовление термоусаживающихся труб и др.).

Во всех действующих У. увеличение энергии заряж. частиц происходит под действием внешних продольных (направленных вдоль скорости ускоряемых частиц) электрич. полей. Ведутся поиски способов ускорения с помощью полей, создаваемых другими движущимися частицами или эл--магн. волнами, к-рые возбуждаются или модифицируются самим пучком ускоряемых частиц или др. пучками (коллективные методы ускорения } .Коллективные методы теоретически позволяют резко увеличить темп ускорения (энергию, набираемую на \ м пути) и интенсивность пучков, но пока к серьёзным успехам не привели.

У. включают в себя следующие элементы: источник ускоряемых частиц (электронов, протонов, античастиц); генераторы электрич. или эл--магн. ускоряющих полей; вакуумную камеру, в к-рой движутся частицы в процессе ускорения (в плотной газовой среде ускорение заряж. частиц невозможно из-за их взаимодействия с молекулами газов, заполняющих камеру); устройства, служащие для впуска () и выпуска (эжекции) пучка из У.; фокусирующие устройства, обеспечивающие длит, движение частиц без ударов о стенки вакуумной камеры; магниты, искривляющие траектории ускоряемых частиц; устройства для исследования и коррекции положения и конфигурации ускоряемых пучков. В зависимости от особенностей У. один или несколько из перечисленных элементов в них могут отсутствовать.

В целях радиац. безопасности У. окружаются защитными стенами и перекрытиями (биол. защита). Толщина и выбор материала защиты зависят от энергии и интенсивности ускоренных пучков. Ускорители на энергии выше неск. ГэВ в целях безопасности обычно располагают под землёй.

По принципу устройства различают У. прямого действия, или высоковольтные ускорители (ускорение в пост, электрич. поле), индукционные ускорители (ускорение в вихревых электрич. полях, возникающих при изменении магн. индукции) и резонансные У., в к-рых при ускорении используются В Ч эл--магн. поля. Все действующие У. на предельно высокие энергии принадлежат к последнему типу.

Современные У. делятся на два больших класса: линейные ускорители и циклические ускорители . В линейных У. траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких У. располагаются ускоряющие станции. Наибольший из работающих линейных У. (электронный У. в Стэнфорде) имеет длину мили (3,05 км). Линейные У. позволяют получить мощные потоки частиц, но при больших энергиях оказываются слишком дорогими. В циклич. У. "ведущее" магн. поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны } .Такие У. содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к к-рым частицы многократно возвращаются в течение ускорит, цикла.

Следует отметить различие между У. лёгких частиц (электронов и позитронов), к-рые обычно наз. электронными У., и У. тяжёлых частиц (протонов и ионов).

Электронные ускорители . Особенности электроняьгх у. связаны с двумя причинами. Скорость электронов и позитронов уже при небольших энергиях (неск. МэВ) мало отличается от скорости света и обычно может считаться постоянной, что существенно упрощает и удешевляет У. Но, с др. стороны, электроны и позитроны в магн. полях теряют много энергии на эл--магн. излучение (синхротрон-ное излучение} . В циклич. У. эти потери приводят либо к огромным размерам У. (при больших радиусах кривизны потери на синхротронное излучение уменьшаются), либо к необходимости иметь мощные ускоряющие станции, сильно удорожающие У. Синхротронное излучение играет и положит, роль: оно приводит к уменьшению размеров ускоряемого пучка, что облегчает создание накопителей , позволяющих проводить опыты на встречных пучках .

Кольцевые электронные У. используют в качестве источников синхротронного излучения в УФ- или рентг. диапазоне. Благодаря высокой плотности излучения и его острой направленности циклич. У. являются уникальными источниками эл--магн. волн указанных диапазонов. Большие потери электронов на излучение часто заставляют отдавать предпочтение линейным У.

Ускорители тяжёлых частиц (преим. протонов) сильно отличаются от электронных У. Потери энергии на синхротронное излучение в них при достигнутых в наст, время энергиях (~ \ ТэВ) практически отсутствуют, и поддерживать высокий темп ускорения обычно оказывается невыгодно (т. к. мощность, затрачиваемая на питание ускоряющих станций, пропорциональна квадрату напряжённости электрич. поля и быстро растёт с увеличением темпа ускорения). Отсутствие заметного синхротронного излучения приводит к тому, что амплитуда поперечных частиц в процессе ускорит, цикла затухает сравнительно медленно (как квадратный корень из импульса частиц), и устойчивость движения в отсутствие спец. мер нарушается под действием даже сравнительно слабых возмущений. Все У. тяжёлых частиц на высокие-энергии принадлежат к типу циклических. ^iV

В 90-х гг. всё большее значение приобретают накопительные и встречные кольца, в к-рых плотные пучки заряж. частиц циркулируют длит, время, не меняя своей энергии. Такие кольца используются для осуществления реакций между частицами, движущимися навстречу друг другу (встречные пучки), для накопления ионов и частиц, непосредственно в природе не встречающихся (позитронов и антипротонов), а также для генерации синхротронного излучения. При взаимодействии частиц, движущихся навстречу друг другу, может реализоваться вся приданная им при ускорении энергия, в то время как при взаимодействии ускоренных частиц с неподвижными большая часть энергии связана с движением центра масс частиц и в реакциях не участвует.

Историческая справка . Разработка У. началась в 1920-х гг. и имела целью расщепление атомных ядер. Раньше других были созданы электростатические генераторы [Р. Ван-де-Грааф (R. Van de Graaf)] и каскадные генераторы [Дж. Кокрофт (J. Cockroft) и Э. Уолтон (Е. Walton)], принадлежащие к классу У. прямого действия, а затем первый циклич. резонансный У.- [Э. Лоуренс (Е. Lawrence), 1921]. В 1940 Д. Керст (D. Kerst) построил первый У. индукц. типа - бетатрон.

В 40-х гг. появились теоретич. работы, в к-рых исследовалась устойчивость движения ускоряемых частиц. В первых работах этого цикла [В. И. Векслер и амер. физик Э. Макмиллан (Е. McMillan)] рассматривалась устойчивость продольного (ф а з о в о г о) движения, сформулирован принцип аетофазировки . Затем появились работы по созданию теории поперечного движения частиц-бета-тронных колебаний, приведшие к открытию сильной (знакопеременной) фокусировки [Н. Кристофилос (N. Christophilos), 1950; Э. Курант (Е. Curant), M. Ливинг-стон (M. Livingston), X. Снайдер (Н. Snyder), 1952], лежащей в основе всех совр. крупных У.

Быстрое развитие техники мощных В Ч радиотехн. устройств, произошедшее во время 2-й мировой войны 1939- 45, позволило приступить к созданию линейных У. на большие энергии. В электронных линейных У. используется электрич. поле бегущих волн дециметрового диапазона в диафрагмир. волноводах, в протонных - разработанные Л. Альверецом (L. Alvarez) метрового диапазона, нагруженные пролётными трубками. В нач. части таких У. всё чаще применяются У. с квадруполъной высокочастотной фокусировкой (англ. обозначение RFQ), в создании к-рых осн. роль сыграли В. В. Владимирский, И. М. Капчинский и В. А. Тепляков.

При сооружении циклич. У. находят всё большее применение сверхпроводящие магн. системы. Сверхпроводящие магниты используются в циклотронах для создания пост. магн. полей и в синхротронах протонных -для генерации медленно (в течение многих секунд) меняющихся магн. полей. Так работает самый большой из действующих протонных синхротронов-теватрон (США).

До 80-х гг. осн. открытия в физике элементарных частиц делались на протонных синхротронах. Сейчас многие интересные результаты получают на электрон-позитронных и протон-антипротонных кольцевых ускорителях со встречными пучками (к о л л а й д е р а х). Преимущества таких У. перед обычными: 1) существ. увеличение энергии взаимодействия (в системе центра масс); в ультрарелятивистском случае, к-рый всегда имеет место на встречных пучках, эта энергия возрастает от при соударении быстрых частиц с ядрами неподвижной мишени до на коллайдерах (т -масса соударяющихся атомов и атомов мишени, -полная энергия ускоренных частиц); 2) резкое уменьшение фона от посторонних реакций. Осн. недостаток коллайдеров - существенное (на неск. порядков) уменьшение числа взаимодействий (за то же время). Техника кольцевых У. со встречными электрон-позит-ронными пучками освоена в 1961 (ускоритель на энергию 2 х 250 МэВ во Фраскатти, Италия), а установки со встречными протонными и антипротонными пучками появились лишь после того, как были предложены методы э л е кт р о н н о г о (А. М. Будкер, 1967) и с т о х а с т и ч е с к о г о [С. Ван-дер-Меер (S. Van der Meer), 1972] о х л а ж д е н и я тяжёлых частиц (см. Охлаждение пучков з а р я ж е н н ы х ч а с т и ц). Всё большее внимание уделяется разработке нетрадиц. способов ускорения: коллективных методов, ускорения на биениях лазерных полей, ускорения в кильватерных полях и т. д. Начало этим работам положили В. И. Векслер, А. М. Будкер и Я. Б. Файнберг. Однако основанные на этих идеях У. пока не созданы.

Ускорители прямого действия . В таких У. заряж. частицы увеличивают энергию в постоянных или квазипостоянных (не меняющихся за время, в течение к-рого частицы набирают полную энергию) электрич. полях. Энергия, приобретаемая частицами, равна в этом случае их заряду, умноженному на пройденную разность потенциалов. Максимально достижимая энергия частиц в У. прямого действия определяется наибольшей разностью потенциалов (15-18 MB), к-рую можно создать без пробоя в физ. установках. Во всех практически используемых У. прямого действия последний электрод ускоряющей системы находится при потенциале земли, поскольку только в этом случае выведенные из У. частицы не теряют приобретённой энергии при дальнейшем движении.

К числу У. прямого действия относятся электростатич. генераторы, каскадные генераторы и перезарядные ускорители (или тандемные У.). Ускоряемые частицы в таких У. движутся внутри и вдоль трубы, изготовленной из изоляц. материала (обычно фарфора), внутри к-рой создаётся вакуум, необходимый для беспрепятственного движения ускоряемых частиц, а снаружи (под высоким давлением) нагнетается тщательно высушенная, освобождённая от кислорода газовая смесь (чаще всего азот с примесью шестифтористой серы), препятствующая развитию электрич. пробоев. Между электродами, расположенными у торцов трубки, создаётся ускоряющая разность потенциалов (рис. 1). Электрич. поле, направленное вдоль оси трубки, выравнивается металлич. разделит. кольцами, соединёнными с омич. делителем напряжения.

В э л е к т р о с т а т и ч е с к и х У. высокое напряжение создаётся с помощью быстро движущейся ленты, изготовленной из изолирующего материала, напр. резины. В низковольтной части установки на ленту наносится электрич. заряд. Этот заряд стекает на ленту с металлич. игл, заряжаемых от спец. генератора до неск. десятков кВ. Движущаяся лента переносит заряд в высоковольтную часть У., расположенную внутри полого металлич. колпака. Там заряд снимается с ленты с помощью таких же игл и перетекает с них к наружной поверхности колпака. Потенциал колпака (и всего оборудования, заключённого внутри него, в т. ч. ионного источника и высоковольтного электрода трубки) по мере поступления зарядов непрерывно увеличивается и ограничивается только пробоем.

Рис. 1. Схема устройства ускорительной трубки .

В к а с к а д н ы х г е н е р а т о р а х для создания больших разностей потенциалов используют схемы умножения напряжения.

В п е р е з а р я д н ы х У. сначала ускоряются отрицат. ионы (атомы, содержащие лишний электрон), а затем, после удаления двух (или нескольких) электронов,- образовавшиеся при обдирке положит. ионы. Как источник, так и выходные устройства таких У. находятся при потенциале земли, а высоковольтный, снабжённый обдирочным приспособлением электрод располагается в ср. части У. Перезарядные У. позволяют без пробоя получать удвоенные (а при более глубокой обдирке и более высокие) значения энергии.

Индукционные ускорители . К индукц. У. принадлежат бетатроны и линейные индукц. У.

Рис. 2. Схематический разрез бетатрона: 1 - полюсы магнита; 2 -сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 -сердечник; 4 - обмотки электромагнита; 5 - ярмо магнита .

Схема устройства бетатрона приведена на рис. 2. Ускоряемые частицы (электроны) движутся в кольцевой вакуумной камере 2 , расположенной в зазоре электромагнита (1 - полюсы магнита). Их ускоряет вихревое электрич. поле, к-рое возбуждается при изменении магн. потока, пронизывающего орбиту ускоряемых частиц. Осн. часть этого потока проходит через сердечник 3 , расположенный в центр. части бетатрона. Обмотки 4 питаются перем. током. Конфигурация магн. поля в бетатроне должна подчиняться двум условиям: 1) магн. индукция на центр. орбите должна соответствовать изменяющейся энергии электронов; 2) конфигурация магн. поля в вакуумной камере должна обеспечивать устойчивость поперечного движения электронов или, как говорят, устойчивость их бетатрон-ных колебаний (см. ниже). Расположенные выше и ниже камеры кольцеобразные скошенные магн. полюсы создают необходимое для такой устойчивости поле, спадающее к периферии (рис. 8, б ).

Идея бетатронного метода ускорения высказана в 1922 Дж. Слепяном (J. Slepian), основы теории развиты в 1948 Р. Видероэ (R. Wideroe). Первый бетатрон построен в 1940. Простота и надёжность бетатронов обеспечили их широкое применение в технике и медицине (в области энергий 20-50 МэВ).

В линейных индукционных ускорителях силовые линии электрич. поля (с напряжённостью Е ) направлены вдоль оси ускорителя. Электрич. поле индуцируется изменяющимся во времени магн. потоком, проходящим через расположенные друг за другом кольцевые ферритовые индукторы 1 (рис. 3). Магн. поток возбуждается в них короткими (десятки или сотни нc) импульсами тока, пропускаемыми через одновитковые обмотки 2 , охватывающие индукторы. Фокусировка производится продольным магн. полем, к-рое создаётся катушками 3 , расположенными внутри индукторов. Линейные индукционные У. позволяют получать в импульсе рекордные (килоамперные) токи; наиб. мощный из работающих У.- АТА (США) - ускоряет электроны до энергии 43 МэВ при токе 10 кА. Длительность токовых импульсов 50 нc.

Рис. 3. Схема устройства линейного индукционного ускорителя: 1 -сердечник индуктора; 2 -возбуждающая обмотка; 3 -фокусирующая катушка .

Резонансные ускорители . В резонансных У. для увеличения энергии заряж. частиц используются ВЧ продольные электрич. поля. Ускорение в таких полях возможно при выполнении одного из двух условий: либо ускоряемые частицы должны двигаться вместе с эл--магн. волной, сохраняя своё положение относительно неё (у с к о р и т е л и с б е г у щ е й в о л н о й), либо они должны взаимодействовать с ней только в такие моменты времени, когда электрич. поле имеет нужное (ускоряющее) направление и нужную величину (собственно резонансные У.). Участки, на к-рых происходит взаимодействие частиц с ускоряющим полем, наз. у с к о р я ю щ и м и з а з о р а м и и л и у с к о р я ю щ и м и п р о м е ж у т к а м и. На остальной части пути частицы не испытывают действия ВЧ-поля либо потому, что его там просто нет, либо потому, что частицы защищены от него экранами.

У. с бегущей волной применяют в осн. для ускорения лёгких частиц (электронов и позитронов), скорость к-рых уже при небольших энергиях мало отличается от . Фазовая скорость эл--магн. волн в вакуумных волноводах всегда превышает скорость света; нагружая волноводы системой перфорир. диафрагм, можно замедлить скорость волны, но не очень сильно. Поэтому для ускорения медленных частиц У. с бегущей волной не применяют.

.

Рис. 4. Схема устройства ускорителя Видероэ: 1 - пролётные f трубки; 2-генератор ВЧ-колебаний; 3 -ускоряющие зазоры;

Линейные резонансные ускорители . Простейший резонансный У.- у с к о р и т е л ь В и д е р о э (рис. 4). Расставленные по ходу пучка металлич. пролётные трубки присоединяются (через одну) к полюсам ВЧ-генератора. В ускоряющих зазорах (промежутках между противоположно заряженными пролётными трубками) создаётся продольное электрич. ВЧ-поле с напряжением порядка сотен кВ. Частицы, подходящие к ускоряющему зазору в нужный момент времени, ускоряются электрич. полем, а затем "прячутся" в очередную пролётную трубку. Её длина и скорость частицы согласованы между собой так, что к очередному зазору частицы подходят в тот момент времени, когда электрич. поле имеет правильное направление и величину, т. е. ту же фазу, что и в предыдущем ускоряющем зазоре. Для этого необходимо, чтобы выполнялось условие

где /-длина трубки и ускоряющего промежутка; - скорость частицы, выраженная в долях скорости света с; -длина волны эл--магн. колебаний (в пустоте); п -любое целое число. Ускоренный пучок состоит, т. о., из цепочки сгустков частиц (банчей), прошедших через ускоряющие зазоры при надлежащей электрич. поля. При разработке структуры линейного У. важно правильно выбрать длины не только пролётных трубок, но и ускоряющих зазоров. Эти длины должны быть, с одной стороны, достаточно велики, чтобы выдерживать заметные напряжения (сотни кВ, а иногда и мегавольты), а с другой - достаточно малы, чтобы фаза ВЧ-колебаний за время прохождения частицы менялась не слишком сильно.

При увеличении скорости частиц ускорители Видероэ становятся неэффективными и уступают место ускорителям Альйареца. В них пролётные трубки не присоединяются к генератору, а располагаются друг за другом внутри длинного цилиндрич. резонатора, в к-ром возбуждаются эл--магн. колебания. ВЧ-поле, к-рое вдали от пролётных трубок распределено так же, как в обычном резонаторе, у его оси концентрируется-в ускоряющих зазорах. Схема расположения элементов "ускоряющий зазор - пролётная трубка-ускоряющий зазор" и т. д. остаётся той же, что и в ускорителях Видероэ, но условие (1) принимает вид

Линейные резонансные У. эффективно работают, если в них инжектируются достаточно быстрые частицы, предварительно ускоренные с помощью У. прямого действия или с помощью У. со знакопеременной высокочастотной фокусировкой. - v

Циклотроны -простейшие и исторически первые У. цик-лич. типа (рис. 5). В совр. понимании циклотронами называются резонансные циклич. У., работающие при не меняющемся во времени ведущем магн. поле и при пост, частоте ускоряющего ВЧ-поля. В обычных циклотронах магн. поле обладает азимутальной и почти не зависит от радиуса; траектории ускоряемых частиц имеют вид раскручивающихся спиралей. Обычные циклотроны применяют для ускорения тяжёлых нерелятивистских частиц-протонов и ионов. Вакуумная камера циклотронов ограничена внеш. стенкой цилиндрич. формы и двумя плоскими горизонтально расположенными крышками. Полюсы электромагнита обычных циклотронов создают в камере почти однородное (слегка спадающее к периферии) магн. поле. Ускоряющий зазор образуется срезами двух расположенных в камере и обращённых друг к другу электродов, имеющих форму полых полуцилиндров,- д у а н т о в. Дуанты присоединяются к полюсам высоковольтного генератора через четвертьволновые линии.

Рис. 5. Схема устройства циклотрона .

На частицу, движущуюся по окружности, действует центростремит. сила Лоренца равная центробежной силе где r - радиус кривизны траектории, Zе -заряд частицы. Т. о., Переходя к более удобным единицам, получим

где рс -произведение импульса частицы р на скорость света с - выражается в МэВ, индукция магн. поля В измеряется в теслах, а r-в м.

Предельная энергия, достижимая в обычных циклотронах; составляет для протонов ок. 20 МэВ, а частота ускоряющего поля (при В = 2 Тл)- ок. 30 МГц. При больших энергиях ускоряемые частицы выходят из синхронизма с ускоряющим напряжением из-за необходимого для поперечной устойчивости уменьшения В от центра к периферии и вследствие релятивистских эффектов.

Обычные циклотроны широко применяются для получения изотопов и во всех др. случаях, когда нужны протоны (или ионы) с энергией до 20 МэВ (или ~20 МэВ/нуклон). Если же нужны протоны с более высокой энергией (до неск. сотен МэВ), то применяются циклотроны с азимутальной вариацией магн. поля. Устойчивость поперечного движения в таких циклотронах обеспечивается благодаря отказу от азимутальной симметрии магн. поля и выбору такой его конфигурации, к-рая позволяет сохранить устойчивость движения и при нарастающих (в среднем) к периферии значениях магн. индукции.

Процесс ускорения в циклотронах происходит непрерывно: в одно и то же время одни частицы только покидают ионный источник, другие находятся на середине пути, а третьи заканчивают процесс ускорения. Типичный ток внутр. пучка в циклотронах составляет ок. 1 мА, ток выведенного пучка зависит от эффективности эжекции и от тепловой устойчивости выводных фольг; обычно он составляет неск. десятков мкА.

Фазотроны . В фазотронах магн. поле постоянно во времени и сохраняется его цилиндрич. симметрия. Магн. поле уменьшается к периферии, частота обращения частиц с возрастанием их энергии уменьшается, и соответственно уменьшается частота ускоряющего поля. При этом отпадают ограничения на энергию ускоренных частиц, но резко (на неск. порядков) уменьшается интенсивность ускоренного пучка. Изменение частоты ускоряющего поля приводит к тому, что процесс ускорения разбивается на циклы: новая партия частиц может быть введена в фазотрон лишь после того, как ускорение предыдущей партии закончено и частота возвращена к исходному значению. Обычная рабочая область фазотронов от неск. сотен до тысячи МэВ. При дальнейшем увеличении энергии размеры магнитов становятся слишком большими, а их вес и стоимость чрезмерно возрастают. В последнее время (90-е гг.) новых фазотронов не строят. Для энергий до неск. сотен МэВ применяют циклотроны с азимутальной вариацией магн. поля, а для ускорения до больших энергий используют синхротроны.

Синхротроны применяют для ускорения частиц всех типов: собственно синхротроны-для электронов и синхротроны для протонов и др. ионов (старое назв.- синхрофазотроны, см. Синхротрон протонный) . Энергия, до к-рой ускоряются частицы в синхротронах, ограничена для электронов мощностью синхротронного излучения, а для протонов и ионов только размерами и стоимостью У.

В синхротронах постоянной в процессе ускорения остаётся орбита, по к-рой обращаются частицы. Ведущее магн. поле создаётся только вдоль узкой дорожки, охватывающей кольцевую вакуумную камеру, в к-рой движутся частицы. Как ясно из (3), при пост. радиусе магн. индукция должна возрастать пропорц. импульсу ускоряемых частиц. Частота обращения со (при пост. длине орбиты) связана с импульсом ф-лой

где -частота, с к-рой обращалась бы в синхротроне частица, движущаяся со скоростью света. Частота ускоряющего поля может совпадать с частотой обращения частиц или в целое число раз (оно наз. к р а т н о с т ь ю) превосходить её. Т. о., в электронных синхротронах (у к-рых всегда p>>mc ) частота ускоряющего поля постоянна, в то время как индукция магн. поля возрастает. В протонных синхротронах на протяжении ускоряющего цикла возрастает как индукция магн. поля, так и частота ускоряющего напряжения.

Микротроны -циклич. У. с пост. магн. полем и с приращением энергии на оборот, равным энергии покоя электрона (0,511 МэВ). Если всё приращение энергии происходит на одном коротком участке, то в пост. магн. поле частицы переходят с одной круговой орбиты на другую. Все эти орбиты касаются друг друга в точке расположения ускоряющего устройства. Энергия электронов в таких У. достигает неск. десятков МэВ.

Размеры ускорителей. Ускорительные комплексы . Длина линейного У. определяется энергией ускоряемых частиц и темпом ускорения, а радиус кривизны орбиты кольцевых ускорителей - энергией частиц и макс. индукцией ведущего магн. поля.

В совр. электронных линейных У. темп ускорения составляет 10-20 МэВ/м, в протонных - 2,5-5 МэВ/м. Увеличение темпа ускорения наталкивается на две осн. трудности: на увеличение резистивных потерь в стенках резонаторов и на опасность электрич. пробоев. Для снижения резистивных потерь можно использовать сверхпрово-дящие резонаторы (первые такие У. уже начали работать); для борьбы с пробоями тщательно выравнивают распределение электрич. поля в резонаторах, избегая местных неоднородностей. Возможно, темп ускорения в протонных линейных У. удастся увеличить со временем на порядок величины.

Размеры циклических У. связаны с индукцией ведущего магн. поля ф-лой (3). При ускорении однозарядных частиц и среднем по кольцу значении Тл (что соответствует эта ф-ла даёт (м). В соответствии с этим У. на 1 ТэВ должен иметь периметр ~ 20 км. Такие У. в целях защиты от излучений строят под землёй. Огромные размеры У. на большие энергии приводят к капитальным затратам, выражаемым миллиардами долларов.

Приведённые оценки справедливы для У., магн. блоки к-рых содержат железное ярмо. Увеличивать B макс выше 1,8 Тл оказывается невозможным из-за насыщения железа, однако это можно сделать, переходя к сверхпроводящим магн. системам. Первый такой У.- тэватрон - уже работает в Лаборатории им. Ферми в США. Магн. поле в блоках, намотанных кабелем с жилами из NbTi в медной матрице, при темп-ре 4 К может быть поднято до 5- 5,5 Тл, а при понижении темп-ры до 1,8 К или при переходе к NbSn-до 8-10 Тл. (Сплав NbSn при изготовлении ускорителей не применяют из-за его хрупкости.) Дальнейшее понижение темп-ры позволяет переходить к ещё большим магн. полям, но экономически невыгодно; размеры У. уменьшаются, но возрастает количество дорогого и энергоёмкого криогенного оборудования.

Менее жёстко определены минимально допустимые значения В . В У. с железным ярмом B мин не должно быть меньше (6-10) . 10~ 3 Тл, т. к. при меньших полях слишком большой вклад в полную величину магн. индукции начинают вносить остаточные магн. поля, пространственное распределение к-рых обычно бывает неблагоприятным. Отношение B макс /B мин, а следовательно, и отношение импульсов эжектируемых и инжектируемых частиц в У. с обычными магнитами не может поэтому превосходить 200-300. В сверхпроводящих магн. системах этот диапазон оказывается ещё меньше, т. к. при малых полях на пространств. распределении магн. индукции сильно сказываются вихревые токи в сверхпроводящих проводниках. Указанные ограничения - одна из причин, приводящих к тому, что все крупные ускорит. комплексы содержат неск. последовательно работающих У.: линейный У.- инжектор, один или неск. промежуточных У.- бустеров ,наконец, основной У., доводящий заряж. частицы до предельной энергии, и, возможно, накопительное кольцо. Схема ускорит. комплекса ЦЕРН приведена на рис. 6.

Сооружение и эксплуатация этого комплекса про-изводится и финансируется содружеством стран Европы. Наиб. У., входящий в состав комплекса,- это накопительно-столкновительное электрон-по-зитронное кольцо LEP , ускоряющее электронные и позитрон-ные пучки до энергии 45 ГэВ. У. расположен в глубоком подземном тоннеле и имеет периметр 27 км. В этом тоннеле в 90-х гг. предполагается соорудить большой сверхпроводящий адронный коллайдер LHC (Large Hadron Collider), рассчи-тайный на ускорение протонов и антипротонов до энергии 7 ТэВ, а в дальнейшем и на ускорение ионов.

Рис. 6. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН (Швейцария) .

Для инжекции в LHC будет использоваться ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), на выходе к-рого протоны имеют энергию ~450 ГэВ. Периметр этого ускорителя 6,9 км, он расположен под землёй на глубине 40 м. SPS получает тяжёлые частицы от протонного синхротрона PS, в к-рый, в свою очередь, протоны и ионы попадают из бустера "Изольда", а электроны и позитроны-из бустера ЕРА.

В России наиб. протонный (и ионный) У. (70 ГэВ) работает в Протвино (ок. Серпухова, Моск. обл.). При нём начато сооружение ускорительно-накопительного центра (УНЦ) с периметром 21 км. Он рассчитан на ускорение протонов и антипротонов до энергии 3 ТэВ. В Международном объединённом ин-те ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна, Моск. обл.) работает протонный синхротрон, ускоряющий протоны до 9 ГэВ, фазотрон и сверхпроводящий У. ионов - нуклотрон, ускоряющий ионы до энергии 6 ГэВ/нуклон.

В Ин-те теоретич. и эксперим. физики (ИТЭФ, Москва) протонный синхротрон ускоряет протоны до энергии 9 ГэВ.

Фазовые колебания . Как уже отмечалось, в резонансных У. пучок ускоряемых частиц самопроизвольно разделяется на сгустки. Центр. частицы сгустков очередной раз подходят к ускоряющему зазору (в циклич. У.) или к очередному ускоряющему зазору (в линейных У.) в те моменты времени, когда фаза ускоряющего ВЧ-напряжения имеет нужное значение. Такие частицы наз. р а в н о в е с н ы м и. Др. частицы сгустка в процессе ускорения колеблются около равновесной, то опережая её, то отставая от неё. Эти колебания наз. фазовыми. Они сопровождаются колебаниями энергии и импульса ускоряемых частиц относительно энергии и импульса равновесной частицы.

Рассмотрим фазовое движение в линейном У. Будем для простоты считать, что ускоряющие зазоры настолько коротки, что частицы проходят их практически мгновенно. Пусть нек-рая частица подошла к зазору позже, чем равновесная. Чтобы она начала её догонять, она должна получить больше энергии при прохождении зазора. Наоборот, частица, пришедшая к зазору раньше равновесной, должна получить меньше энергии.

На рис. 7 синусоидальная кривая изображает изменяющуюся во времени напряжённость Е ускоряющего ВЧ-поля. Штриховая линия отмечает напряжённость, к-рая должна существовать в момент прохождения равновесной частицы, чтобы она вовремя подошла к следующему зазору. На каждом периоде изменения Е есть две такие точки: С и D . Легко, однако, видеть, что движение устойчиво только в точке С. Лишь в этой точке в более поздние моменты времени напряжённость поля возрастает, а в более ранние моменты снижается.

Рис. 7. К обсуждению принципа автофазировки .

Детальный анализ продольного движения частиц показывает, что при достаточной амплитуде ВЧ-колебаний всегда существует область устойчивого фазового движения- в данном случае область, расположенная вокруг точки С. Это утверждение наз. принципом автофазировки .

В циклическом У. от энергии зависит не только скорость частиц, но и длина пути, проходимого ими oт предыдуще-го ускоряющего зазора до последующего (если их несколько), а также периметр траектории. Введём коэф. удлинения oрбит.

где L - периметр орбиты, р -импульс частицы. Изменение времени, затрачиваемого частицей на обращение в У., зависит от её импульса и описывается ф-лой

где g-лоренц-фактор частицы, В линейных У. a = 0, и устойчивой является точка С . В циклическом У. при устойчива точка С, а при точка D . Энергия, при к-рой эти точки меняются местами, соответствует соотношению

и наз. к р и т и ч е с к о й э н е р г и е й (в англ. литературе- transition energy). В этой точке фаза ускоряющего напряжения должна быть переброшена из одной "синхронной точки" в другую. При подходе к критич. энергии частоты фазовых колебаний (в циклических У. они часто наз. ради-ально-фазовыми) снижаются и фазовые размеры сгустков резко уменьшаются, а разброс частиц по импульсам (и по энергии) увеличивается. В момент перехода через критич. энергию усиливается влияние разл. вида неустойчивостей. В зависимости от особенностей конструкции У.- от величины a- критич. энергия может лежать внутри или вне рабочего диапазона энергий.

Проблема поперечной устойчивости. Бетатронные колебания . В крупных кольцевых У. за время ускорения частицы проделывают путь, измеряемый сотнями тысяч или даже миллионами км. В накопит. системах этот путь ещё на неск. порядков больше, а в небольших У.- на неск. порядков меньше, но он всегда очень велик по сравнению с диаметром вакуумной камеры, поперечные размеры к-рой обычно не превосходят двух десятков см. Столкновение частиц со стенками камеры приводит к их потере. Поэтому ускорение возможно лишь при наличии тщательно рассчитанной и исполненной системы фокусировки.

При любом значении энергии ускоряемой частицы (в области устойчивости фазовых колебаний) в кольцевых У. имеется замкнутая (устойчивая) орбита. Находясь в вакуумной камере У., частицы движутся вблизи этой орбиты, совершая около неё бетатронные колебания .Частоты этих колебаний существенно превосходят частоты фазовых колебаний, так что при исследовании бетатронных колебаний энергию ускоряемых частиц и положение замкнутой орбиты можно считать постоянными.

При теоретич. рассмотрении бетатронных колебаний обычно исследуют площади, к-рые занимают ускоряемые частицы в "фазовых плоскостях" (r, р r )и (z, p z), где r и z - горизонтальная и вертикальная координаты частицы (r = R - R 0 , где R -радиус частицы, R 0 - радиус равновесной траектории), a p r и p z - соответствующие составляющие её импульса. При невозмущённом движении эти площади имеют форму эллипса. Согласно Лиувилля теореме , величины площадей не меняются при движении. В процессе ускорения частицы пересекают многочисл. неоднородности магн. и электрич. полей. При этом занятая пучком в фазовом пространстве область может приобретать сложную форму, так что эфф. величина площади - площадь описанного эллипса - возрастает. В тщательно настроенном У. такого возрастания не происходит. При наличии связи между горизонтальным и вертикальным движениями сохраняется не каждая из указанных площадей, а объём, занимаемый пучком в четырёхмерном пространстве (r , z, р r , p z) .

Практич. интерес обычно представляет область, занимаемая пучком не в фазовых плоскостях, а в плоскостях (r , q r ), (z , q z ) где q r и q z -углы, составляемые скоростями частиц с касательной к равновесной орбите. Эти площади наз. г о р и з о н т а л ь н ы м (или р а д и а л ь н ы м) и в е р т ик а л ь н ы м (или а к с и а л ь н ы м) эмиттансами пучка e r и e z . Переход от импульсов к углам даётся ф-лами

где р -продольная составляющая импульса, к-рая практически совпадает с полным импульсом; р 0 = тс . Из теоремы Лиувилля следует, что интегралами движения являются величины p e r и p e z или, соответственно, bge r и bge z , к-рые наз. н о р м а л и з о в а н н ы м и э м и т т а н с а м и.

Из сказанного ясно, что при ускорении нормализованные эмиттансы остаются неизменными, а обычные эмит-тансы e r и e z уменьшаются как 1/bg. Соответственно уменьшаются поперечные размеры пучка.

Важнейшей характеристикой любого У. является его а к с е п т а н с - наиб. эмиттанс, к-рый У. пропускает без потерь. Высокая интенсивность ускоряемого пучка может быть достигнута только в У. с достаточно большим аксеп-тансом.

При заданных размерах вакуумной камеры аксептанс У. пропорционален макс. углу, к-рый могут составлять траектории частиц с равновесной орбитой, и, следовательно, обратно пропорционален длине волны бетатронных колебаний. Вертикальный и горизонтальный аксептансы У. пропорциональны, т. о., числам бетатронных колебаний на оборот Q r и Q z к-рые поэтому желательно увеличивать. Во всех существующих У. Q r и Q z близки друг к другу. Если оба они меньше 1, фокусировка наз. с л а б о й (м я гк о й), а если больше 1-с и л ь н о й (ж ё с т к о й).

Все целые и полуцелые значения Q r и Q z запрещены. При целых Q частицы возвращаются к магн. элементам в одной и той же фазе бетатронных колебаний, влияние погрешностей поля складывается и возникает резонансная раскачка колебаний (в н е ш н и й р е з о н а н с). Вокруг целых значений имеются запрещённые области частот, внутри к-рых возрастание колебаний, хотя и ограничено по величине, но оказывается недопустимо большим, напр. превосходит размеры вакуумной камеры.

Полуцелые значения Q r и Q z запрещены из-за возникновения п а р а м е т р и ч е с к о г о р е з о н а н с а - резонансной раскачки колебаний, возникающей благодаря нерегулярностям градиента магн. поля. В нек-рых У., в особенности в накопителях, сказываются и более высоких порядков.

В циклич. У. для фокусировки частиц используют поперечные магн. поля. В однородном ведущем поле имеется только горизонтальная фокусировка, а вертикальная фокусировка отсутствует (Q z =0)Этот результат легко понять, замечая, что при движении частиц в однородном (вертикальном) магн. поле (B r = 0, B z = const) силы Лоренца не имеют составляющей по z и частицы сохраняют нач. аксиальную скорость. Необходимые для осевой фокусировки силы возникают лишь при наличии радиальной составляющей магн. поля.

Конфигурация магн. поля зависит от формы полюсных наконечников. На рис. 8 (a ) и 8(б ) изображены полюсные наконечники, имеющие форму фигуры вращения (вокруг оси z ). На рис. 8 (а )изображены плоские полюсы, создающие однородное вертикальное поле, такие поля не создают осевой фокусировки. На рис. 8 (б )изображена картина поля, возникающая между полюсами, создающими зазор, расширяющийся к периферии. В этом случае сила Лоренца приобретает фокусирующую (возвращающую к центральной плоскости) осевую составляющую. Однако появление осевой фокусировки сопровождается ослаблением радиальной: частицы, отклонившиеся к периферии, медленнее возвращаются к равновесной траектории, т. к. попадают в более слабое поле.

Рис. 8. а -магнитные силы в однородном поле; б -магнитные силы в поле, уменьшающемся к периферии .

В линейных У. проблема фокусировки также является важной, хотя она и не так критична, как в кольцевых У.: длина пути частиц в линейных У. невелика и ускоряемые частицы не возвращаются к уже пройденным возмущениям поля.

В циклических У., магн. система к-рых обладает азимутальной симметрией, справедлива ф-ла

Одновременная устойчивость радиальных и аксиальных бетатронных колебаний в этом случае возможна только при т. е. при слабой фокусировке (см. Фокусировка частиц в ускорителе ).При сильной фокусировке участки, фокусирующие по z и дефокуси-рующие по r , сменяются участками, фокусирующими по горизонтальной и дефокусирующими по вертикальной координатам. При последоват. расположении таких участков и правильном выборе градиентов магн. поля и геометрии магнитов система в целом оказывается фокусирующей, причём оба результирующих значения бетатронных частот могут существенно превосходить единицу.

В У. с сильной фокусировкой применяются квадруполь-ные магн. или электрич. (при небольших энергиях ускоряемых частиц) поля. На рис. 9 (а )изображена квадруполь-ная магн. линза, создающая фокусирующее в вертикальном направлении (по оси z) и дефокусирующее по радиусу r магн. поле. Вакуумная камера располагается вдоль оси линзы между её полюсами (на рис. не изображена). Положительно заряженные частицы "летят" на читателя. Четыре такие частицы и действующие на них силы Лоренца изображены точками и стрелками. В фокусирующих по радиусу (и дефокусирующих по z ) линзах магн. полюса N и S меняются местами. В кольцевых У. магниты, создающие ведущее магн. поле, располагаются между линзами. Они создают направленное по оси z однородное магн. поле. В нек-рых У. применяют магниты с совмещёнными ф-циями. Их магн. поле содержит как дипольную (ведущее поле), так и квадрупольную составляющую (рис. 9, б) .

Ркс. 9. а -квадрупольная магнитная линза; б -магнитный блок с совмещёнными функциями .

Для поперечной фокусировки в линейных У. можно было бы попытаться использовать эл--магн. волну, к-рая ускоряет частицы. Однако в обычных волнах E -типа точки, соответствующие устойчивому фазовому движению, оказываются неустойчивыми для поперечных колебаний и наоборот. Чтобы обойти эту трудность, можно применять знакопеременную фазовую фокусировку (точки С и D на рис. 7 последовательно сменяют друг друга) или отказаться от азимутальной симметрии электрич. поля в резонаторе (квадрупольная ВЧ-фокусировка). Чаще всего, однако, для поперечной фокусировки применяют квадрупольные поля, создаваемые спец. магн. линзами. С 80-х гг. для изготовления таких линз начали использовать пост. магниты (сплав SmCo).

Эффекты, связанные с интенсивностью . Кроме резонан-сов, возникающих при взаимодействии пучка с внеш. полями, при больших интенсивностях пучков начинают играть роль разл. рода неустойчивости, связанные с взаимодействиями частиц пучка друг с другом, с элементами вакуумной камеры и ускоряющей системы, а в У. со встречными пучками-и с воздействием пучков друг на друга. Наиб. простым среди этих эффектов является кулоновский сдвиг частоты бетатронных колебаний. Электрич. поле пучка отталкивает к периферии наружные частицы и не действует на центральную частицу сгустка. В результате этого частоты бетатронных колебаний частиц в пучке начинают отличаться от частоты колебаний центра тяжести пучка. Если это различие превышает расстояние между ближайшими запрещёнными значениями Q , то при любой настройке У. часть пучка неизбежно теряется. Электроста-тич. отталкивание частиц сказывается и на фазовых колебаниях пучка (в частности, приводит к эффекту "отрицательной массы").

Пучок ускоренных частиц взаимодействует со своим электростатич. изображением в вакуумной камере и с расположенными в ней предметами (резонаторами ускоряющих станций, датчиками измеряющих устройств, деталями и вводами вакуумной системы и т. д.). При этом сила, действующая на каждую частицу, пропорц. сдвигу пучка в камере относительно равновесной траектории и его линейной плотности. В результате этого взаимодействия возникают эл--магн. поля, действующие на позже пролетающие частицы (эффект "г о л о ва - х в о c т") и на сами вызвавшие появление полей частицы при возвращении этих частиц к возбуждённому участку. Указанное взаимодействие вызывает ряд эффектов, приводящих к потере устойчивости пучка. Кроме уже упомянутого эффекта "голова- хвост", могут возникать р е з и с т и в н а я н е-, у с т о й ч и в о с т ь (взаимодействие с бегущим вдоль камеры электрич. изображением пучка, к-рое запаздывает по фазе из-за конечной проводимости стенок камеры), микроволновая неустойчивость (взаимодействие с объектами, способными возбуждаться на высоких частотах) и др.

Ускорители со встречными пучками (коллайдеры) . При генерации новых частиц в акте соударения должна выделяться энергия, равная или превосходящая энергию покоя рождающихся частиц, т.е. сотни МэВ, а иногда многие десятки ГэВ. При таких больших энерговыделениях теряет значение не только хим. связь частиц, входящих в состав мишени, но и связь нуклонов в ядре, так что соударение происходит с одиночными нуклонами или даже с одиночными , составляющими нуклон. Т. н. кумулятивные процессы , к-рые можно рассматривать как одноврем. столкновение ускоренной частицы с двумя или неск. нуклонами, представляют научный интерес, но при высоких энергиях наблюдаются крайне редко.

Как уже отмечалось выше, при соударении частиц в кол-лайдерах может реализоваться вся набранная при ускорении энергия, в то время как при соударении быстрого протона с нуклоном неподвижной мишени используется только часть этой энергии. Так, для генерации J /y-мезона энергия протона должна в 3,7 раз превышать энергию покоя J /y-мезона, а для генерации Z 0 -бозона нужно 50-кратное превышение энергии. Генерация тяжёлых частиц на неподвижных мишенях оказывается поэтому катастрофически невыгодной, и необходимо переходить к коллай-дерам. В коллайдерах частицы могут двигаться навстречу друг другу или в одном кольце (частицы и античастицы), или в двух пересекающихся кольцах.

Техника работы с накопит. кольцами, в к-рых движутся встречные пучки, очень сложна. Кол-во ядерных реакций, происходящих в единицу времени, оказывается в тысячи раз меньше, чем при неподвижных мишенях, из-за крайней разреженности пучков. Эффективность коллайдеров принято характеризовать их светимостью ,т. е. числом, на к-рое нужно умножить эфф. сечение изучаемой реакции, чтобы получить число таких реакций в единицу времени. Светимость пропорц. произведению интенсивностей сталкивающихся пучков и обратно пропорц. площади сечения пучков (если они равны). Сталкивающиеся пучки должны, т. о., содержать много частиц и занимать небольшие объёмы в фазовом пространстве. Охлаждение фазового объёма электронных и позитронных пучков из-за синхротрон-ного излучения обсуждалось выше. В то же время фазовый объём протонных пучков по мере ускорения уменьшается всего как 1/р , т. е. совершенно недостаточно. А объём, занятый антипротонными пучками, оказывается очень большим уже при их генерации и мало уменьшается в дальнейшем, т. к. антипротоны образуются при высокой энергии (неск. ГэВ). Поэтому перед соударениями антипротонные пучки должны накапливаться и о х л а ж д а т ьс я, т. е. сжиматься в фазовом пространстве.

Существует два способа охлаждения пучков тяжёлых частиц (протонов, антипротонов, ионов)-электронный и стохастический. Э л е к т р о н н о е о х л а ж д е н и е происходит при взаимодействии охлаждаемых пучков с пучком "холодных" электронов, летящим на нек-ром общем участке вместе с охлаждаемыми частицами и имеющим ту же ср. скорость. (Темп-рой пучка наз. средняя энергия его частиц, измеренная в системе координат, движущейся вместе с пучком.)

С т о х а с т и ч е с к о е о х л а ж д е н и е основано на том, что число одновременно охлаждаемых частиц не очень велико. Если внутри устройства, измеряющего координаты пучка, находится всего одна частица, то её отклонение может быть измерено датчиком, а затем исправлено корректором. Если же внутри измерит. устройства окажется неск. частиц, то датчик реагирует на положение их электрич. центра тяжести и имеет место не коррекция, а демпфирование колебаний (при N частицах в устройстве корректируется один, а не N параметров). Стохастич. охлаждение происходит постепенно и требует большого числа оборотов.

Отметим, что электронное охлаждение оказывается более эффективным при малых энергиях пучка, а стохастическое-при не слишком большом числе частиц.

Перспективы развития ускорителей . Среди проектов крупных ускорителей, к-рые находятся в стадии разработки, строительства или уже вступили в строй, можно перечислить следующие.

В России (г. Троицк, Моск. обл.) заканчивается сооружение "мезонной фабрики" на энергию 600 МэВ со ср. током 70 мкА. В 1993 она уже выдавала пучок с энергией 430 МэВ. Для произ-ва изотопов используется пучок протонов с энергией 160 МэВ и со ср. током 100 мкА. В Про-твино ведётся сооружение ускорительно-накопительного комплекса (УНК), рассчитанного на ускорение протонов до 3 ТэВ. УНК располагается в подземном туннеле с периметром 21 км. Ожидается интенсивность частиц в импульсе 5 . 10 12 .

В ФРГ (Гамбург) вступил в строй У. на встречных пучках (HERA), предназначенный для изучения взаимодействия протонов (820 ГэВ) с электронами и позитронами (30 ГэВ). Проектная светимость ~2 . 10 31 см -2. с -1 . Протонный синхротрон содержит сверхпроводящие магниты, а электронный - обычные (что.бы не увеличивать потери на син-хротронное излучение). В оснащении этого У. и в работе на нём принимают участие 37 ин-тов из разных стран.

В Германии разрабатывается также проект линейного коллайдера DESY с энергией частиц 250x250 ГэВ (1-й вариант) или 500 х 500 ГэВ (2-й вариант). В ЦЕРНе (Швей-цария) в тоннеле кольцевого электронно-позитронного У. (LEP) начинается сооружение коллайдера для тяжёлых частиц LHC (Large Hadron Collider). На нём можно будет изучать столкновения протонов (2x7 ТэВ), протонов и электронов, протонов и ионов (вкл. свинец, 1148 ТэВ).

Ускорение тяжёлых ионов может производиться на нук-лотроне (Дубна, Россия). Начиная с 1977 на протонном синхротроне в Дубне ускорялись разл. ионы вплоть до углерода (4,2 ГэВ/нуклон, а с 1992-до 6 ГэВ/нуклон).

На У. "Сатурн" в Сакле (Франция) ускоряются ионы вплоть до аргона (до 1,15 ГэВ/нуклон). Ускоритель SPS (ЦЕРН) позволяет ускорять ионы кислорода и серы до 200 ГэВ/нуклон.

В США разработан проект наиб. крупного сверхпрово-дящего суперколлайдера (SSC) на энергию 2 х 20 ТэВ. Сооружение этого ускорителя отложено.

В Междунар. комитете по ускорителям рассматриваются ещё более крупные проекты, осуществление к-рых потребует совместных усилий развитых государств. Конкретный проект такого У. ещё не определён. Все осуществляемые и разрабатываемые проекты основаны на известных, хорошо зарекомендовавших себя принципах. Новые методы ускорения, о к-рых говорилось выше, могут в случае успеха полностью изменить эти планы.

Применение ускорителей . Кроме научного У. имеют и практич. применение. Так, линейные У. используются для создания нейтронных генераторов для радиац. испытания материалов, активно обсуждаются электроядерные методы наработки ядерного горючего и ускорения тяжёлых малозарядных ионов для управляемого инерционного термоядерного синтеза. В Лома-Линде (США) заканчивается сооружение специализир. комплекса с протонным синхротроном для лучевой терапии. Аналогичный проект рас-сматривается в России.

Лит.: Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители, М., 1969; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М., 1970; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Линейные ускорители ионов, под ред. Б. П. Мурина, т. 1-2, М., 1978; Бахрушин Ю. П., Анацкий А. И., Линейные индукционные ускорители, М., 1978; Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техники ускорителей, т. 3, М., 1981; Москалев В. А., Бетатроны, М., 1981; Капчинский И. М., Теория линейных резонансных ускорителей, М., 1982. Л. Л. Гольдин .