Acceleratoare liniare ale particulelor încărcate. Cum funcționează acceleratorii de particule încărcate

În luna mai, oamenii de știință plănuiesc să recreeze condițiile cosmice ale Universului care au existat în miliarde de secundă după Big Bang. Potrivit teoriei lor, spațiul era atunci incredibil de fierbinte, ceea ce a permis materiei să se descompună în cele mai simple componente ale sale.

LHC ar trebui să facă același truc și să ajute oamenii de știință să cerceteze textura Universului nostru.

Model tremurător și o particulă

În 2012, experimentul LHC a permis fizicienilor să descopere o particulă fantomatică numită bosonul Higgs, care a devenit o piesă importantă a puzzle-ului în Modelul standard al fizicii particulelor. Un an mai târziu, civizorul a fost oprit pentru întreținere și renovare, iar modernizarea a durat mai mult decât se aștepta.

Deși oamenii de știință sunt mulțumiți de descoperirea bosonului, ei nu sunt mulțumiți de starea actuală a fizicii particulelor și de descoperirile lor. Bosonul Higgs, spun oamenii de știință, nu este capătul drumului, ci o nouă ușă sau „nouă cheie” către un mecanism complex. În plus, unii oameni de știință se plâng că au fost capabili să studieze doar o mie sau două particule, în timp ce există mult mai multe particule care explică Universul existent.

Unul dintre oamenii de știință implicați în experiment consideră că actualul Model Standard al Universului, construit pe fizica particulelor, este „foarte, foarte bun”, dar nu poate explica Universul. De aceea, unii membri ai echipei doresc să detroneze unele teorii existente și să le reconstruiască de la zero, în loc să le demonstreze adevărate.

Întruchiparea materiei întunecate

Una dintre întrebările cheie pe care le va ridica experimentul este materia întunecată. Conform Modelului Standard, 95% din Univers constă din materie întunecată și energie întunecată, care nu pot fi detectate de instrumente optice precum telescoapele.

Oamenii de știință de la CERN vor să demonstreze odată pentru totdeauna că materia întunecată există nu numai în teorie. Pentru a face acest lucru, echipa plănuiește să spargă o particulă de boson Higgs și să o facă să se descompună într-un proton și o componentă de materie întunecată.

Așteptând la neașteptat

Dacă oamenii de știință reușesc, ei vor distruge modelul standard actual și ne vor oferi o înțelegere complet nouă a universului, numită „teoria tuturor lucrurilor”.

În plus, oamenii de știință plănuiesc să testeze o altă teorie - care este legată de coexistența materiei și antimateriei în Universul vizibil. Se crede că materia și antimateria s-au ciocnit de multe ori în spațiu, așa că ceea ce percepem astăzi ca univers vizibil este doar rezultatul coliziunilor.

În orice caz, antimateria este o ipoteză. De obicei, există multă antimaterie în filmele și cărțile științifico-fantastice, dar nu în realitate, explică oamenii de știință. De asemenea, LHC va începe să caute antimaterie în luna mai.

Alte două subiecte fierbinți sunt teoriile care privesc absența gravitației în Modelul standard al fizicii și posibilitatea ca multe particule mici să existe în Univers. Oamenii de știință visează să găsească cea mai mică particulă dintr-un electron.

Cu toate acestea, „milioane de idei nebunești” trec prin mintea oamenilor de știință. Deocamdată, trebuie doar să așteptăm lansarea Large Hadron Collider și date noi.

1. Ciclotron – accelerator rezonant ciclic al particulelor grele (protoni, ioni). Schema schematică a ciclotronului este prezentată în Figura 4.2.

Între polii unui electromagnet puternic este plasată o cameră de vid, în care există doi electrozi sub formă de semicilindri metalici goali, sau dees (3). Un câmp electric alternativ (5) este aplicat dees. Câmpul magnetic creat de electromagnet este uniform și perpendicular pe planul dees.

Dacă o particulă încărcată este introdusă în centrul golului (1) dintre dee, atunci aceasta, accelerată de câmpul electric și deviată de câmpurile magnetice, va intra în dee și va descrie un semicerc, a cărui rază este proporțională cu viteza particulei. În momentul în care părăsește primul dee, polaritatea tensiunii se schimbă (cu o selecție adecvată a schimbării tensiunii dintre dee), astfel încât particula accelerează din nou și, trecând la al doilea dee, descrie acolo un semicerc cu o mai mare. raza (2), etc.

Pentru accelerarea continuă a unei particule într-un ciclotron, este necesar să se îndeplinească condiția de sincronism (condiția de „rezonanță”) - perioadele de rotație ale particulei într-un câmp magnetic și oscilațiile câmpului electric trebuie să fie egale. Dacă această condiție este îndeplinită, particula se va deplasa de-a lungul unei spirale de desfășurare, primind energie suplimentară de fiecare dată când trece prin gol. La ultima orbită, când energia particulelor și raza orbitală sunt aduse la valorile maxime admise, fasciculul de particule este îndepărtat din ciclotron (4) prin intermediul unui câmp electric deflector.

În ciclotroni, o particulă încărcată cu o sarcină q si masa m accelerează până la viteze la care efectul relativist de creștere a masei particulelor practic nu apare. Perioada orbitală a particulei

Raza traiectoriei particulelor

Ciclotronii fac posibilă accelerarea protonilor până la energii de aproximativ 20 MeV. Accelerația lor ulterioară în ciclotron limitat de creşterea relativistă a masei cu viteza, ceea ce duce la o creștere a perioadei de circulație (este proporțională cu masa) și se întrerupe sincronismul. Prin urmare, ciclotronul este complet inaplicabil pentru accelerarea electronilor (at E= 0,5 MeV, m = 2m 0, la E= 10 MeV m = 28m 0).

Accelerația particulelor relativiste în acceleratoarele ciclice poate fi totuși realizată dacă se folosește metoda propusă în 1944 de fizicianul sovietic V. I. Veksler (1907–1966) și în 1945 de fizicianul american E. McMillan (1907–1991). principiul autofazarii . Ideea lui este că, pentru a compensa creșterea perioadei de rotație a particulelor, care duce la o încălcare a sincronismului, acestea modifică fie frecvența câmpului electric de accelerare, fie inducerea câmpurilor magnetice, sau ambele. Principiul autofazării este utilizat în fazotron, sincrotron și sincrofazotron.

2. Microtron (ciclotron de electroni) - un accelerator de rezonanță ciclic în care, la fel ca într-un ciclotron, atât câmpul magnetic, cât și frecvența câmpului de accelerare sunt constante în timp, dar starea de rezonanță în timpul procesului de accelerare este încă păstrată datorită unei modificări a factor de accelerație q. Particula se rotește într-un microtron într-un câmp magnetic uniform, trecând în mod repetat printr-o cavitate de accelerare. În rezonator, acesta primește o astfel de creștere a energiei, încât perioada sa de revoluție se modifică cu o valoare egală cu sau un multiplu al perioadei tensiunii de accelerare. Mai mult, dacă particula a intrat în rezonanță cu câmpul de accelerare de la bun început, această rezonanță se păstrează în ciuda modificării perioadei orbitale. Microtronul are un mecanism de autofazare, astfel încât particulele apropiate de orbita de echilibru vor fi, de asemenea, accelerate.

Microtron este un accelerator continuu și este capabil să producă curenți de ordinul a 100 mA , energia maximă atinsă este de aproximativ 30 MeV (Rusia, Marea Britanie). Implementarea energiilor înalte este dificilă din cauza cerințelor crescute pentru precizia câmpului magnetic, iar o creștere semnificativă a curentului este limitată de radiația electromagnetică a electronilor accelerați.

Pentru a menține rezonanța pentru o lungă perioadă de timp, câmpul magnetic al microtronului trebuie să fie uniform. Un astfel de câmp nu are proprietăți de focalizare verticală; focalizarea corespunzătoare este realizată de câmpul electric al rezonatorului. Au fost propuse variante de microtroni cu un câmp magnetic variabil în azimut (microtron sector), dar nu au primit încă o dezvoltare semnificativă.

3. Phasotron (sincrociclotron) este un accelerator de rezonanță ciclic al particulelor încărcate grele (de exemplu, protoni, ioni, particule α), în care câmpul magnetic de control este constant, iar frecvența câmpului electric de accelerare variază lent cu perioada. Mișcarea particulelor într-un fazotron, ca și într-un ciclotron, are loc într-o spirală de desfășurare. Particulele din fazotron sunt accelerate la energii aproximativ egale cu 1 GeV (limitările aici sunt determinate de dimensiunea fazotronului, deoarece pe măsură ce viteza particulelor crește, raza orbitei lor crește).

4. Sincrotron – un accelerator de rezonanță ciclică de electroni ultra-relativisti, în care câmpul magnetic de control variază în timp, iar frecvența câmpului electric de accelerare este constantă. Figura 4.3 prezintă schematic un sincrotron: 1 – injector de electroni; 2 – magnet rotativ; 3 – fascicul de electroni; 4 – electromagnet de control; 5 – camera toroidala cu vid; 6 – accelerarea decalajului.

Aspectul sincrotronului Tomsk la 1,5 GeV este prezentat în Figura 4.4. Electronii din diferiți sincrotroni sunt accelerați la energii de 5 – 10 GeV.

Orez. 4.3 Fig. 4.4

5. Sincrofazotron – un accelerator rezonant ciclic de particule grele încărcate (protoni, ioni), care combină proprietățile unui fazotron și ale unui sincrotron. Aici, câmpul magnetic de control și frecvența câmpului electric de accelerare se modifică simultan în timp, astfel încât raza orbitei de echilibru a particulelor rămâne constantă. În fig. 4.5 prezintă sincrofazotronul Serpuhov U-70 cu o energie de 70 GeV.

Să luăm în considerare acțiunea forței Lorentz și să calculăm energia unui accelerator de protoni, care este un magnet inel cu diametrul de 2 km. Între polii acestui magnet se află o cameră toroidală în vid în care este injectat un fascicul de protoni. Dacă priviți acceleratorul de sus (Fig. 4.6), atunci fasciculul de protoni se mișcă în sensul acelor de ceasornic cu o viteză υ apropiată de viteza luminii.

Protonul este acționat de o forță centripetă îndreptată spre centru. Dacă câmpul este direcționat din planul de desen, atunci forța Lorentz este întotdeauna îndreptată spre centru.

Orez. 4.5 Fig. 4.6

Forța centripetă este egală cu:

Unde Domnul– masa relativistă a protonilor. Deoarece această forță se datorează acțiunii câmpului magnetic, ea este egală cu (). Apoi

Deoarece , putem scrie - așa putem calcula energia relativistă totală a protonilor:

Rețineți că câmpul magnetic nu crește viteza sau energia particulelor. Accelerația protonilor se realizează cu fiecare rotație a inelului datorită câmpului electrostatic, care acționează pe o secțiune scurtă a inelului.

Este planificată construirea unui sincrofazotron de protoni în Serpukhov cu o energie de aproximativ 3.000 GeV (diametrul instalației este de aproximativ 6.000 m).

În fazotroni, microtroni, sincrotroni și sincrofazotroni, particulele sunt accelerate la viteze relativiste.

Masa particulelor m depinde de viteza lui:

,

unde este masa în repaus a particulei; – raportul dintre viteza particulelor și viteza luminii în vid.

Energia cinetică a particulelor K: , unde este energia totală a particulei; – energia de repaus a particulei.

Momentul unei particule relativiste

.

Perioada orbitală a unei particule relativiste

.

Raza cercului traiectoriei unei particule relativiste

.

6. Betatron – singurul accelerator ciclic (de electroni) de tip nerezonant, în care accelerația este efectuată de un câmp electric vortex.

Forța electromotoare de inducție creată de un câmp magnetic alternativ poate exista în absența conductorilor. Energie K, transmisă de câmpul electric vortex către o unitate de sarcină pozitivă, este egală cu integrala de contur de-a lungul unui traseu închis L:

Conform legii lui Faraday, această integrală este egală cu modificarea fluxului magnetic printr-o buclă închisă L. Astfel, un câmp electric vortex poate acționa asupra unui grup de electroni care se mișcă într-un câmp magnetic în schimbare și îi poate accelera. În anumite condiții, mișcarea electronilor are loc într-un câmp magnetic alternativ pe o orbită de rază constantă și este stabilă, iar energia electronilor crește datorită câmpului electric vortex creat de fluxul magnetic în schimbare care pătrunde pe orbita particulelor ( Fig. 4.7). Un accelerator de electroni de inducție ciclică de acest tip se numește betatron.

După cum se arată în Figura 4.7, fluxul magnetic central variabil ÎN cp creează o FEM de inducție vortex în betatron, accelerând electronii. În conformitate cu expresia (3.4.5)

cu fiecare ocolire a circuitului, energia electronilor crește cu o cantitate .

Electronii sunt ținuți pe o orbită circulară staționară printr-un câmp magnetic de control, într-un anumit fel care se schimbă în timp.

A b V

Betatron (Fig. 4.8, A) constă dintr-o cameră toroidală cu vid

(Fig. 4.8 V), plasat între polii unui electromagnet de formă specială (Fig. 4.8 b). Înfășurarea electromagnetului este alimentată de curent alternativ cu o frecvență de .

Un câmp magnetic alternant îndeplinește două funcții: în primul rând, creează un câmp electric vortex care accelerează electronii în interiorul toroidului; în al doilea rând, menține electronii pe orbită (liniile de câmp sunt poziționate astfel încât fasciculul de electroni să fie într-o stare de echilibru stabil în centrul torusului).

În timpul ordinului de mărime, electronii reușesc să se rotească și să dobândească o energie de până la 500 MeV (sute de MeV în diferite acceleratoare). La această energie, viteza electronilor este apropiată de viteza luminii ().

În plus, fasciculul de electroni în sine servește în acest caz ca înfășurare secundară a transformatorului.

La sfârșitul ciclului de accelerare, este pornit un câmp magnetic suplimentar, care deviază electronii de pe o orbită staționară și îi direcționează către o țintă specială situată în interiorul camerei. Atunci când electronii lovesc o țintă, aceștia sunt decelerati și emit raze γ dure sau raze X, care sunt utilizate în cercetarea nucleară pentru metode de testare nedistructivă, în medicină etc.

Ideea betatronului a fost brevetată în 1922 de J. Slepian. În 1928, R. Wideroe a formulat condiția existenței unei orbite de echilibru - o orbită cu rază constantă „condiția 2:1”. Primul betatron operațional a fost creat în 1940 de D. Kerst.

În URSS, primii betatroni au fost dezvoltați și creați de oamenii de știință de la Institutul Politehnic din Tomsk (acum o universitate): profesorii A.A. Vorobyov, L.M. Ananyev, V.I. Gorbunov, V.A. Moskalev, B.N. Rodimov. În anii următori, la Institutul de Introscopie (NIIN la TPU) sub conducerea profesorului V.L. Chakhlov, betatroni portabili de dimensiuni mici utilizate în medicină, detectarea defectelor și alte cercetări aplicate și științifice sunt dezvoltate și fabricate cu succes.

Datorită simplității lor de proiectare, costului scăzut și ușurinței de utilizare, betatronii au găsit o aplicație deosebit de largă în scopuri aplicate în intervalul de energie 20 ¸ 50 MeV. Fasciculul de electroni în sine sau radiația bremsstrahlung γ este utilizat direct, a cărui energie poate varia fără probleme.

7. Ciocnitorul mare de hadroni(REZERVOR).

În 2000, fizicienii de la CERN (Centrul European de Cercetare Nucleară), care lucrează la inelul de 27 de kilometri LEP (Large Electron Positron Collider), au publicat fotografii cu transformări ale particulelor elementare, care păreau să indice realitatea bosonului Higgs, dar ulterioare. experimentele au dovedit prematuritatea acestei concluzii. La acel moment, se credea că masa acestei particule nu depășea 96 GeV, ceea ce era în limitele capacităților civizorului Cern. În același timp, calculele teoretice arată că chiar și o mică creștere a masei t-quarcul ar trebui să crească semnificativ masa bosonului Higgs. Deoarece acest quark a devenit acum „mai greu” de la 175 la 178 GeV, masa calculată teoretic a bosonului Higgs se dovedește a fi nu mai puțin de 117 GeV, dar ar putea fi chiar și 251 GeV. Aceasta înseamnă că bosonul Higgs nu poate fi obținut la niciun accelerator care funcționează în prezent, așa că concluziile fizicienilor europeni trebuie într-adevăr să fie considerate eronate. Cu toate acestea, să nu ne supărăm - acum CERN construiește un accelerator mai puternic, LHC (Large Hadron Collider) - Large Hadron Collider (Fig. 4.9, Fig. 4.10). Energia sa ar trebui să fie suficientă pentru capturarea mult așteptată a bosonului Higgs - desigur, dacă masa lui nu sare din nou. Noul super accelerator al CERN va fi lansat în 2007, așa că așteptarea nu va fi lungă.

În funcție de traiectoria mișcării particulelor în camera de accelerare, acceleratorii sunt împărțiți în liniar (traiectorie – linie dreaptă) și ciclic (traiectoria este aproape de cerc sau spirală).

Pe baza naturii câmpului de accelerare, ele disting nerezonant și rezonant acceleratoare. La rândul lor, cele nerezonante sunt împărțite în inducție și înaltă tensiune.

Cel mai simplu tensiune înaltă, în care energia câmpului este transferată la particule direct ca rezultat al accelerației într-un câmp electric constant cu o anumită diferență de potențial. Timpul de acțiune al câmpului de accelerare depășește semnificativ timpul de zbor al intervalului de accelerare. Astfel de acceleratoare fac posibilă obținerea de energii ale particulelor de până la 1 MeV, iar traiectoria mișcării lor este rectilinie.

În inducțieÎn acceleratoare, accelerația este efectuată de un câmp electric vortex și pot fi liniare sau ciclice.

Se poate obține mult mai multă energie rezonant acceleratoare. În ele, particulele primesc energie dintr-un câmp de înaltă frecvență atunci când trec în mod repetat prin intervalul de accelerare. În acest caz, este necesar ca atunci când trece prin golul de accelerare, câmpul să fie direcționat în direcția mișcării particulelor, iar accelerația lor să aibă loc în rezonanță cu modificarea câmpului de accelerare. În acest caz, tensiunea de accelerare este relativ mică. În acceleratoarele liniare moderne de tip rezonant, electronii sunt accelerați până la o energie de până la 20 GeV, protonii - până la 800 MeV, ionii - până la 15 MeV. Particulele obțin o energie mai mare în acceleratorii rezonanți ciclici.

Pentru a accelera ionii, se pot folosi așa-numitele acceleratoare colective, în care ionii dobândesc energie în câmpul unui fascicul de electroni, care, la rândul său, este accelerat de un câmp electric extern.

În acceleratoarele liniare, frecvența câmpului de accelerare este constantă. În acest caz, acceleratoarele liniare rezonante sunt împărțite în acceleratoare cu o undă de călătorie și o undă staționară.

Toate acceleratoarele ciclice, cu excepția betatronului, sunt rezonante. Acceleratoare de electroni - betatron, microtron, sincrotron, acceleratoare de particule grele - ciclotron, fazotron, sincrofazotron.

Betatron – electronii se deplasează pe orbite circulare și sunt accelerați de un câmp electric vortex. Energie 100 - 300 MeV.

Microtron (ciclotron electronic) este un accelerator ciclic rezonant continuu în care atât câmpul magnetic de control, cât și frecvența câmpului electric de accelerare sunt constante în timp. Energia electronilor este de aproximativ 30 MeV. Este adesea folosit ca sursă de electroni în sincrotroni.

Sincrotoron – un accelerator în care câmpul magnetic de control se modifică în timp, iar frecvența câmpului electric de accelerare este constantă. Electronii se mișcă pe orbite circulare cu o energie de 6-12 GeV.

Ciclotron – accelerator de protoni și alte particule grele. În ele, câmpul magnetic de control și frecvența câmpului electric de accelerare sunt constante în timp. Particulele se mișcă într-o spirală plată, care se desfășoară. Ele funcționează în mod continuu. Energia particulelor 0,5 – 1 GeV.

Phasotron (sincrociclotron) - câmpul magnetic este constant în timp, iar frecvența câmpului electric este în continuă scădere. Particulele grele se deplasează în spirală de la centrul camerei cu vid, unde se află sursa, la periferie. Energia particulelor este de aproximativ 1 GeV.

Sincrofazotron – câmpul magnetic și frecvența câmpului electric se modifică simultan (sincron). Sunt folosite pentru a accelera particulele la energii de 10 – 3000 GeV.

Fizica modernă are un mijloc dovedit de a pătrunde în secretele nucleului atomic - bombardarea cu particule sau iradierea lui și vedea ce se întâmplă cu el. Pentru primele studii ale atomului și nucleului său, energia radiației generată în timpul dezintegrarii naturale a elementelor radioactive a fost suficientă. Dar în curând această energie s-a dovedit a fi insuficientă și, pentru a „privi” și mai adânc în nucleu, fizicienii au trebuit să se gândească la cum să creeze artificial un flux de particule de înaltă energie.

Se știe că, ajungând între electrozi cu sarcini diferite, o particulă încărcată, de exemplu, un electron sau un proton, își accelerează mișcarea sub influența forțelor electrice. Acest fenomen a dat naștere ideii de a crea un așa-numit accelerator liniar în anii 1930.

Prin proiectare, un accelerator liniar este o cameră lungă și dreaptă, în interiorul căreia se menține un vid. Un număr mare de tuburi cu electrozi metalici sunt plasate pe toată lungimea camerei. O tensiune electrică alternativă este furnizată electrozilor de la un generator special de înaltă frecvență - astfel încât atunci când primul electrod este încărcat, să spunem pozitiv, al doilea electrod va fi încărcat negativ. Apoi, din nou, există un electrod pozitiv, urmat de unul negativ.

Un fascicul de electroni este tras de la un „tun” de electroni în cameră și, sub influența potențialului primului electrod pozitiv, începe să accelereze, sărind mai departe prin el. În același moment, faza tensiunii de alimentare se schimbă, iar electrodul, care tocmai a fost încărcat pozitiv, devine negativ. Acum împinge electronii departe de el însuși, ca și cum i-ar împinge din spate. Iar al doilea electrod, care a devenit pozitiv în acest timp, atrage electronii către sine, accelerându-i și mai mult. Apoi, când electronii zboară prin el, acesta va deveni negativ din nou și îi va împinge spre al treilea electrod.

Deci, pe măsură ce se deplasează înainte, electronii accelerează treptat, atingând viteza aproape a luminii spre sfârșitul camerei și dobândind energie de sute de milioane de electroni volți. Printr-o fereastră instalată la capătul tubului, impenetrabilă aerului, o porțiune de electroni accelerați cade asupra obiectelor microlumii studiate - atomii și nucleele acestora.

Nu este greu de înțeles că, cu cât este mai mare energia pe care dorim să o transmitem particulelor, cu atât tubul accelerator liniar trebuie să fie mai lung - zeci sau chiar sute de metri. Dar acest lucru nu este întotdeauna posibil. Acum, dacă ați putea rula țeava într-o spirală compactă. Atunci un astfel de accelerator ar putea fi ușor plasat într-un laborator.

Un alt fenomen fizic a contribuit la aducerea acestei idei la viață. O particulă încărcată, odată aflată într-un câmp magnetic, începe să se miște nu în linie dreaptă, ci „se încurcă” în jurul liniilor câmpului magnetic. Așa a apărut un alt tip de accelerator - ciclotronul. Primul ciclotron a fost construit în 1930 de E. Lawrence în SUA.

Partea principală a ciclotronului este un electromagnet puternic, între polii căruia este plasată o cameră cilindrică plată. Este format din două cutii metalice semicirculare separate printr-un mic gol. Aceste cutii - dees - servesc ca electrozi și sunt conectate la polii generatorului de tensiune alternativă. În centrul camerei există o sursă de particule încărcate - ceva ca un „pistol” de electroni.

După ce a părăsit sursa, particula (presupunând că este acum un proton încărcat pozitiv) este imediat atrasă de electrod, care este în prezent încărcat negativ. Nu există câmp electric în interiorul electrodului, astfel încât particulele zboară în el prin inerție. Sub influența unui câmp magnetic, ale cărui linii de forță sunt perpendiculare pe planul traiectoriei, particula descrie un semicerc și zboară până la golul dintre electrozi. În acest timp, primul electrod devine pozitiv și acum împinge particula afară, în timp ce celălalt o atrage înăuntru. Astfel, trecând de la un dee la altul, particula câștigă viteză și descrie o spirală de desfășurare. Particulele sunt îndepărtate din cameră folosind magneți speciali pe ținta experimentatorilor.

Cu cât viteza particulelor dintr-un ciclotron se apropie mai mult de viteza luminii, cu atât acestea devin mai grele și încep să rămână treptat în urma tensiunii electrice de pe dee, care își schimbă semnul. Nu mai țin pasul cu forțele electrice și nu mai accelerează. Energia maximă care poate fi transmisă particulelor dintr-un ciclotron este de 25-30 MeV.

Pentru a depăși această barieră, frecvența tensiunii electrice, furnizată alternativ deeurilor, este redusă treptat, ajustând-o în timp cu particulele „mai grele”. Acest tip de accelerator se numește sincrociclotron.

Unul dintre cele mai mari sincrociclotrone de la Institutul Comun de Cercetări Nucleare din Dubna (lângă Moscova) produce protoni cu o energie de 680 MeV și deutroni (nuclei grei de hidrogen - deuteriu) cu o energie de 380 MeV. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să se construiască o cameră de vid cu un diametru de 3 metri și un electromagnet care cântărește 7000 de tone!

Pe măsură ce fizicienii pătrundeau mai adânc în structura nucleului, au fost necesare particule de energie din ce în ce mai mare. Era nevoie de a construi acceleratoare și mai puternice - sincrotroni și sincrofazotroni, în care particulele se mișcă nu în spirală, ci într-un cerc închis într-o cameră inelară. În 1944, independent unul de celălalt, fizicianul sovietic V.I. Wexler și fizicianul american E.M. Macmillan a descoperit principiul autofazării. Esența metodei este următoarea: dacă selectați câmpurile într-un anumit mod, particulele vor cădea întotdeauna automat în fază cu tensiunea de accelerare. În 1952, oamenii de știință americani E. Courant, M. Livingston și H. Snyder au propus așa-numita focalizare dură, care presează particulele pe axa de mișcare. Cu ajutorul acestor descoperiri, a fost posibil să se creeze sincrofazotroni cu energii arbitrar ridicate.

Există un alt sistem de clasificare a acceleratoarelor - în funcție de tipul câmpului electric de accelerare. Acceleratoarele de înaltă tensiune funcționează datorită diferenței mari de potențial dintre electrozii spațiului de accelerare, care funcționează atâta timp cât particulele zboară între electrozi. În acceleratoarele de inducție, un câmp electric vortex „funcționează”, indus (excitat) în locul în care se află în prezent particulele. Și, în sfârșit, în acceleratoarele rezonante folosesc un câmp electric de accelerare care variază în timp și mărime, sincron cu care, „în rezonanță”, întregul „mult” de particule este accelerat. Când oamenii vorbesc despre acceleratorii moderni de particule de înaltă energie, ei se referă în principal la acceleratorii rezonanți inel.

Într-un alt tip de accelerator - proton - la energii foarte mari, până la sfârșitul perioadei de accelerație viteza particulelor se apropie de viteza luminii. Ele se rotesc pe o orbită circulară cu o frecvență constantă. Acceleratoarele pentru protoni de înaltă energie se numesc sincrotroni de protoni. Cele trei cele mai mari sunt situate în SUA, Elveția și Rusia.

Energia acceleratoarelor care funcționează în prezent atinge zeci și sute de gigaelectronvolți (1 GeV = 1000 MeV). Unul dintre cele mai mari din lume este sincrofazotronul de protoni U-70 de la Institutul de Fizică a Energiei Înalte din orașul Protvino, lângă Moscova, care a intrat în funcțiune în 1967. Diametrul inelului de accelerație este de un kilometru și jumătate, masa totală a 120 de secțiuni magnetice ajunge la 20.000 de tone. La fiecare două secunde, acceleratorul trage în ținte cu o salvă de 10 la al doisprezecelea protoni cu o energie de 76 GeV (a patra cea mai mare din lume). Pentru a obține o astfel de energie, particulele trebuie să facă 400.000 de rotații, acoperind o distanță de 60.000 de kilometri! Aici a fost construit și un tunel circular subteran lung de douăzeci și unu de kilometri pentru noul accelerator.

Este interesant că lansările de acceleratoare în Dubna sau Protvino în perioada sovietică au fost efectuate numai noaptea, deoarece acestea furnizau aproape toată energia electrică nu numai de la Moscova, ci și din regiunile învecinate!

În 1973, fizicienii americani au activat un accelerator în orașul Batavia, în care particulele au putut să transmită o energie de 400 GeV, apoi au adus-o la 500 GeV. Astăzi, cel mai puternic accelerator se află în SUA. Se numește „Tevatron” deoarece în inelul său, lung de peste șase kilometri, cu ajutorul magneților supraconductori, protonii dobândesc o energie de aproximativ 1 teraelectronvolt (1 TeV este egal cu 1000 GeV).

Pentru a obține o energie și mai mare de interacțiune între un fascicul de particule accelerate și materialul obiectului fizic studiat, este necesar să se accelereze „ținta” spre „proiectil”. Pentru a face acest lucru, ei organizează ciocnirea fasciculelor de particule care zboară unele spre altele în acceleratoare speciale - ciocnitoare. Desigur, densitatea particulelor din fasciculele care se ciocnesc nu este la fel de mare ca în materialul unei „ținte” staționare, așa-numitele acumulatoare sunt folosite pentru a o crește. Acestea sunt camere de vid inelare în care particulele de la accelerator sunt aruncate „în porțiuni”. Dispozitivele de stocare sunt echipate cu sisteme de accelerare care compensează particulele pentru pierderea de energie. Oamenii de știință asociază dezvoltarea ulterioară a acceleratoarelor cu colisionare. Doar câteva dintre ele au fost construite până acum și sunt situate în cele mai dezvoltate țări ale lumii - în SUA, Japonia, Germania, precum și în Centrul European de Cercetare Nucleară, cu sediul în Elveția.

Un accelerator modern este o „fabrică” pentru producerea de fascicule intense de particule - electroni sau protoni de 2000 de ori mai grei. Un fascicul de particule de la accelerator este direcționat către o „țintă” selectată pe baza obiectivelor experimentului. La ciocnirea cu acesta, apar o varietate de particule secundare. Nașterea de noi particule este scopul experimentelor.

Cu ajutorul unor dispozitive speciale - detectoare - aceste particule sau urmele lor sunt înregistrate, se restabilește traiectoria de mișcare, se determină masa particulelor, sarcina electrică, viteza și alte caracteristici. Apoi, prin intermediul unei prelucrări matematice complexe a informațiilor primite de la detectoare, se reconstituie pe computer întreaga „istorie” a interacțiunii și, prin compararea rezultatelor măsurătorilor cu modelul teoretic, se trag concluzii: dacă procesele reale coincid cu modelul construit. sau nu. Astfel se obțin noi cunoștințe despre proprietățile particulelor intranucleare.

Cu cât este mai mare energia pe care o dobândește o particulă în accelerator, cu atât este mai puternic efectul său asupra atomului „țintă” sau asupra contraparticulei din ciocnizor, cu atât „fragmentele” vor fi mai mici.

Cu ajutorul unui colisionator în Statele Unite, de exemplu, se fac experimente pentru a recrea în condiții de laborator Big Bang-ul, de la care se presupune că ar fi început Universul nostru. La acest experiment îndrăzneț au luat parte fizicieni din douăzeci de țări, inclusiv reprezentanți ai Rusiei. În vara anului 2000, un grup rus a participat direct la experiment, a fost de serviciu la accelerator și a preluat date.

Iată ce spune unul dintre oamenii de știință ruși care au participat la acest experiment, candidat la științe fizice și matematice, profesor asociat la MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov: „La 60 de mile de New York, pe Long Island, a fost construit acceleratorul RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - ciocnitor pe ioni relativisti grei. „Gre” - pentru că deja anul acesta a început să lucreze cu fascicule de nuclee de atomi de aur. „Relativistul” este de asemenea de înțeles, vorbim despre viteze la care efectele teoriei speciale a relativității se manifestă în toată gloria. Și se numește „colider” (de la ciocnire - pentru a ciocni), deoarece în inelul său are loc o coliziune a fasciculelor de nuclee care se apropie. Apropo, la noi nu există acceleratoare de acest tip. Energia per nucleon este de 100 GeV. Este mult – aproape dublu față de ceea ce sa realizat anterior. Prima confruntare fizică a fost înregistrată pe 25 iunie 2000.” Sarcina oamenilor de știință a fost să încerce să înregistreze o nouă stare a materiei nucleare - plasma cuarc-gluon.

„Problema este foarte complexă”, continuă Emelyanov, „și din punct de vedere matematic este în general incorectă: aceeași distribuție fixă ​​a particulelor secundare în impulsuri și viteze poate avea motive complet diferite. Și numai cu un experiment detaliat, care implică o masă de detectoare, calorimetre, senzori de multiplicitate de particule încărcate, contoare care înregistrează radiația de tranziție etc., există vreo speranță de a înregistra cele mai subtile diferențe inerente în mod specific plasmei cuarc-gluoni. Mecanismul de interacțiune a nucleelor ​​la energii atât de mari este interesant în sine, dar este mult mai important ca pentru prima dată în condiții de laborator să putem studia originea Universului nostru.”

ACCELERATOARE DE PARTICILE ÎNCĂRCATE- instalatii folosite pentru a accelera incarcarea. particule până la energii mari. În uzul obișnuit, sunt numite acceleratoare (U.). instalații concepute pentru a accelera particulele la energii care depășesc \ MeV. O energie de 940 GeV a fost atinsă la recordul de protoni de înaltă tensiune Tevatron (Fermilab, SUA). Cel mai mare accelerator de electroni LEP (CERN, Elveția) accelerează fasciculele de electroni și pozitroni care se ciocnesc până la o energie de 45 GeV (după instalarea unor dispozitive suplimentare de accelerare, energia poate fi dublată). Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în știință (generarea de particule elementare, studiul proprietăților și structurii lor interne, producerea de nuclizi care nu se găsesc în natură, studiul reacțiilor nucleare, radiobiologie, cercetare chimică, lucrări în domeniul fizicii stării solide etc.) , și în scopuri aplicate (sterilizarea echipamentelor medicale, materialelor etc., detectarea defectelor, producerea de elemente microelectronice, producerea de preparate radiofarmacologice pentru diagnosticare medicală, radioterapie, tehnologia radiațiilor în tehnologia artei, polimerizarea lacurilor, modificarea proprietăților materialelor, de exemplu, cauciuc, producția de țevi termocontractabile etc.).

În toate unitățile de operare, o creștere a energiei de încărcare. particulele apare sub influența longitudinală externă (direcționată de-a lungul vitezei particulelor accelerate) electrice. câmpuri. Este în curs de căutare metode de accelerare folosind câmpuri create de alte particule în mișcare sau magneți electrici. unde, care sunt excitate sau modificate de fasciculul de particule accelerate în sine sau de alte fascicule ( metode de accelerare colectivă).Metodele colective fac teoretic posibilă creșterea bruscă a vitezei de accelerație (energia câștigată pe \ m de cale) și intensitatea grinzilor, dar până acum nu au dus la un succes serios.

Acestea includ următoarele elemente: o sursă de particule accelerate (electroni, protoni, antiparticule); generatoare electrice sau el-magn. câmpuri de accelerare; o cameră cu vid în care particulele se deplasează în timpul procesului de accelerare (într-un mediu gazos dens, accelerarea particulelor încărcate este imposibilă datorită interacțiunii lor cu moleculele de gaz care umple camera); dispozitive utilizate pentru intrarea () și ieșirea (ejectarea) fasciculului din U.; dispozitive de focalizare care asigură deplasarea pe termen lung a particulelor fără a lovi pereții camerei de vid; magneți care îndoaie traiectoriile particulelor accelerate; aparate pentru studierea şi corectarea poziţiei şi configuraţiei fasciculelor accelerate. În funcție de caracteristicile U., unul sau mai multe dintre elementele enumerate pot lipsi.

În scopuri de radiații U. securitate sunt înconjurate de pereţi şi tavane de protecţie (protecţie biologică). Grosimea și alegerea materialului de protecție depind de energia și intensitatea fasciculelor accelerate. Acceleratoare cu energii peste mai multe. GeV este de obicei situat în subteran din motive de siguranță.

Pe principiul dispozitivului se distinge U. cu acţiune directă sau acceleratoare de înaltă tensiune(accelerație la post, câmp electric), acceleratoare de inducție(accelerația în câmpurile electrice vortex care apar atunci când inducția magnetică se modifică) și undele rezonante, în care câmpurile magnetice electrice de înaltă frecvență sunt utilizate în timpul accelerației. câmpuri. Toată energia care acționează la energii extrem de mari aparține acestui din urmă tip.

Ustensilele moderne sunt împărțite în două clase mari: acceleratoare liniareȘi acceleratori ciclici. În undele liniare, traiectoriile particulelor accelerate sunt apropiate de linii drepte. Stațiile de accelerare sunt amplasate pe toată lungimea unui astfel de U. Cel mai mare U. liniar de funcționare (U. electronic la Stanford) are o lungime de o milă (3,05 km). Undele liniare fac posibilă obținerea unor fluxuri puternice de particule, dar la energii mari sunt prea scumpe. În ciclic U. „conducător” mag. câmpul îndoaie traiectoriile particulelor accelerate, pliându-le în cercuri ( acceleratoare inelare sau sincrotroni) sau spirale ( ciclotroni, fazotroni, betatroniȘi microtroni) Astfel de dispozitive conțin unul sau mai multe dispozitive de accelerare, la care particulele revin de multe ori în timpul ciclului de accelerare.

Trebuie remarcată diferența dintre energia particulelor de lumină (electroni și pozitroni), care sunt de obicei numite. energia electronilor și energia particulelor grele (protoni și ioni).

Acceleratoare electronice. Caracteristici ale electronicii sunt asociate cu două motive. Viteza electronilor și a pozitronilor chiar și la energii joase (câțiva MeV) diferă puțin de viteza luminii și de obicei poate fi considerată constantă, ceea ce simplifică și reduce semnificativ costul energiei.Dar, pe de altă parte, electronii și pozitronii într-un camp magnetic. câmpurile pierd multă energie din cauza magneților electrici. radiații ( radiație sincrotron). În ciclic Aceste pierderi conduc fie la dimensiuni uriașe ale fasciculului (la raze mari de curbură, pierderile datorate scăderii radiației sincrotronului), fie la necesitatea de a avea stații de accelerare puternice, care cresc foarte mult costul fasciculului.Radiația sincrotronului joacă și va juca un rol: duce la o scădere a dimensiunii fasciculului accelerat, ceea ce face mai ușor de creat unități, permițând efectuarea de experimente pe grinzi care se ciocnesc.

Undele inelare de electroni sunt utilizate ca surse de radiație sincrotron în UV sau în raze X. gamă. Datorită densității mari de radiații și a focalizării sale ascuțite, ciclic. U. sunt surse unice de el-magn. valuri din intervalele indicate. Pierderile mari de electroni prin radiație obligă adesea cineva să acorde preferință electronilor liniari.

Acceleratoare de particule grele(în primul rând protonii) sunt foarte diferiți de cei electronici Pierderile de energie datorate radiației sincrotron în ei la energiile realizate în timpul prezent (~ \ TeV) sunt practic absente, iar menținerea unei rate de accelerație ridicate este de obicei neprofitabilă (deoarece puterea cheltuită pentru alimentarea stațiilor de accelerare este proporțională cu pătratul intensității câmpului electric și crește rapid odată cu creșterea ratei de accelerație). Absența radiației sincrotron vizibile duce la faptul că amplitudinea particulelor transversale în proces se accelerează, ciclul se descompune relativ lent (ca rădăcina pătrată a impulsului particulei) și stabilitatea mișcării în absența unor speciale. măsurile sunt încălcate sub influența unor perturbări chiar relativ slabe. Toate particulele de mare energie ale particulelor grele aparțin tipului ciclic. ^iv

În anii 90 Inele de depozitare și contor, în care pachetele dense de încărcături devin din ce în ce mai importante. particulele circulă mult timp fără a-și schimba energia. Astfel de inele sunt folosite pentru a desfășura reacții între particulele care se deplasează unele spre altele (fasciuri care se prăbușesc), pentru a acumula ioni și particule care nu se găsesc direct în natură (pozitroni și antiprotoni) și, de asemenea, pentru a genera radiații sincrotron. În timpul interacțiunii particulelor care se deplasează unele spre altele, toată energia care le este transmisă în timpul accelerației poate fi realizată, în timp ce în timpul interacțiunii particulelor accelerate cu cele staționare, cea mai mare parte a energiei este asociată cu mișcarea centrului de masă al particulelor. și nu participă la reacții.

Referință istorică. Dezvoltarea U. a început în anii 1920. și avea ca scop scindarea nucleelor ​​atomice. Au fost create înaintea altora generatoare electrostatice[R. Van de Graaf (R. Van de Graaf)] și generatoare în cascadă[J. Cockroft (J. Cockroft) și E. Walton (E. Walton)], aparținând clasei U. acțiune directă, iar apoi prima ciclică. rezonant U.- [E. Lawrence (E. Lawrence), 1921]. În 1940, D. Kerst a construit prima inducție U.. tip - betatron.

În anii 40 au apărut cele teoretice. lucrare în care a fost studiată stabilitatea mișcării particulelor accelerate. În primele lucrări ale acestui ciclu [V. I. Veksler şi Amer. fizicianul E. McMillan] a considerat stabilitatea mișcării longitudinale (de fază), a formulat principiul etofază. Apoi au apărut lucrări privind crearea unei teorii a mișcării transversale a oscilațiilor particule-betatron, care a condus la descoperirea focalizării puternice (alternante) [N. Christophilos (N. Christophilos), 1950; E. Curant, M. Livingston, H. Snyder, 1952], care stă la baza tuturor modernului. U mare.

Dezvoltarea rapidă a tehnologiei radio HF de mare putere. dispozitivele, care au avut loc în timpul celui de-al Doilea Război Mondial (1939–45), au făcut posibilă începerea creării dispozitivelor liniare de înaltă energie. În unitățile liniare electronice se utilizează energie electrică. câmp de unde decimetrice care se deplasează în diafragmă. ghiduri de undă, în ghiduri de undă de protoni - dezvoltate de L. Alvarez din domeniul metrului, încărcate cu tuburi de zbor. La început. părți din astfel de U. sunt din ce în ce mai folosite de U. cu Focalizare cvadrupol de înaltă frecvență(denumire engleză RFQ), în a cărui creare de bază. Rolul a fost jucat de V.V. Vladimirsky, I.M. Kapchinsky și V.A. Teplyakov.

În timpul construcției este ciclic. Magneții supraconductori sunt din ce în ce mai folosiți. sisteme. Magneții supraconductori sunt utilizați în ciclotroni pentru a crea DC. mag. câmpuri și în sincrotroni cu protoni- pentru generarea de magneți care se schimbă lent (peste multe secunde). câmpuri. Așa funcționează cel mai mare sincrotron de protoni existent, Tevatron (SUA).

Până în anii 80 de bază descoperiri în fizica particulelor au fost făcute la sincrotroni de protoni. În zilele noastre, se obțin multe rezultate interesante la acceleratoarele inele electron-pozitron și proton-antiproton cu fascicule de ciocnire (colidere). Avantajele unor astfel de U. faţă de cele obişnuite: 1) creaturi. creșterea energiei de interacțiune (în sistemul de centru de masă); în cazul ultrarelativistic, care apare întotdeauna în fasciculele care se ciocnesc, această energie crește de la când particulele rapide se ciocnesc de nucleele unei ținte staționare până la ciocnitori ( T- masa atomilor care se ciocnesc și a atomilor țintă, -energia totală a particulelor accelerate); 2) o scădere bruscă a fondului de la reacțiile străine. De bază Dezavantajul ciocnitorilor este o reducere semnificativă (cu mai multe ordine de mărime) a numărului de interacțiuni (în același timp). Tehnologia ultrasunetelor inelare cu fascicule electroni-pozitroni care se ciocnesc a fost stăpânită în 1961 (un accelerator cu o energie de 2 x 250 MeV în Frascatti, Italia), iar instalațiile cu fascicule de protoni și antiprotoni care se ciocnesc au apărut abia după ce s-au propus metodele fasciculului de electroni. r o n o g o (A. M. Budker, 1967) şi st o h a s t i c h e despre [S. Van der Meer (S. Van der Meer), 1972] despre răcirea particulelor grele (vezi. Răcirea fasciculului piese încărcate). Se acordă din ce în ce mai multă atenție dezvoltării tehnologiilor netradiționale. metode de accelerare: metode colective, accelerare pe bătăi ale câmpurilor laser, accelerare în câmpuri de trezi, etc. Această lucrare a fost începută de V. I. Veksler, A. M. Budker și Ya. B. Fainberg. Cu toate acestea, sistemele bazate pe aceste idei nu au fost încă create.

Acceleratoare directe. In astfel de U. taxa. particulele cresc energia electrică constantă sau cvasi-constantă (nu se schimbă în timp, timp în care particulele capătă energie întreagă). câmpuri. Energia dobândită de particule este în acest caz egală cu sarcina lor înmulțită cu diferența de potențial trecută. Energia maximă realizabilă a particulelor într-un sistem cu ultrasunete cu acțiune directă este determinată de cea mai mare diferență de potențial (15-18 MB), care poate fi creată fără o defecțiune fizică. instalatii. În toți magneții cu acțiune directă utilizați practic, ultimul electrod al sistemului de accelerare este la potențialul de masă, deoarece numai în acest caz particulele îndepărtate din puls nu pierd energia dobândită în timpul mișcării ulterioare.

U. cu acţiune directă include electrostatic. generatoare, generatoare în cascadă și acceleratoare de reîncărcare(sau tandem U.). Particulele accelerate din astfel de dispozitive se deplasează în interiorul și de-a lungul unei țevi din izolație. material (de obicei porțelan), se creează un vid în interiorul tăieturii, necesar pentru mișcarea nestingherită a particulelor accelerate, iar un amestec de gaz uscat complet, fără oxigen (cel mai adesea azot cu un amestec de hexafluorura de sulf) este pompat în exterior (sub presiune), care împiedică dezvoltarea energiei electrice. avarii. Se creează o diferență de potențial de accelerare între electrozii aflați la capetele tubului (Fig. 1). Electric câmpul îndreptat de-a lungul axei tubului este nivelat de metal. se va împărți. inele conectate la ohmic. divizor de tensiune.

ÎN U. ELECTROSTATIC, tensiunea înaltă este creată folosind o bandă cu mișcare rapidă din material izolator, de ex. cauciuc. În partea de joasă tensiune a instalației, electricitatea este aplicată pe bandă. încărca. Această sarcină curge pe banda metalică. ace încărcate din special. generator până la mai multe zeci de kV. Cureaua în mișcare transferă sarcina către partea de înaltă tensiune a tensiunii, situată în interiorul metalului gol. capac Acolo, încărcătura este îndepărtată de pe bandă folosind aceleași ace și curge de la acestea către suprafața exterioară a capacului. Potențialul capacului (și al tuturor echipamentelor închise în interiorul acestuia, inclusiv sursa de ioni și electrodul de înaltă tensiune al tubului) crește continuu pe măsură ce sunt furnizate sarcini și este limitat doar de defecțiune.

Orez. 1. Schema schematică a tubului accelerator.

În generatoarele în cascadă, circuitele de multiplicare a tensiunii sunt utilizate pentru a crea diferențe mari de potențial.

În undele încărcate înainte, cele negative sunt mai întâi accelerate. ionii (atomi care conțin un electron în plus), iar apoi, după îndepărtarea a doi (sau mai mulți) electroni, cei formați în timpul stripării pun. ionii. Atât sursa, cât și dispozitivele de ieșire ale unor astfel de tensiuni sunt situate la potențialul de masă, iar electrodul de înaltă tensiune echipat cu un dispozitiv de stripare este situat în mijloc. părți ale U. U. reîncărcabile vă permit să obțineți valori de energie duble (și cu stripare mai profundă, mai mari) fără defalcare.

Acceleratoare de inducție. La inducție U. deține betatroni și inductori liniari. U.

Orez. 2. Secțiunea schematică a betatronului: 1 - poli magnetici; 2 - secțiunea transversală a camerei inelare cu vid; 3 -miez; 4 - înfășurări de electromagneți; 5 - jug magnetic.

Diagrama dispozitivului betatron este prezentată în Fig. 2. Particulele accelerate (electroni) se deplasează într-o cameră inelară cu vid 2 , situat în golul electromagnetului ( 1 - poli magnetici). Ele sunt accelerate de electricitatea vortexului. câmp, care este excitat atunci când câmpul magnetic se modifică. fluxul care pătrunde pe orbita particulelor accelerate. De bază o parte din acest flux trece prin miez 3 , situat in centru. piese betatron. Înfăşurări 4 alimentat de AC soc electric Configurație magnetică câmpurile din betatron trebuie să respecte două condiții: 1) magnetice. inducție la centru. orbita trebuie să corespundă energiei în schimbare a electronilor; 2) configurație magnetică câmpurile dintr-o cameră de vid trebuie să asigure stabilitatea mișcării transversale a electronilor sau, după cum se spune, stabilitatea acestora oscilații betatron(vezi mai jos). Poziționați deasupra și dedesubtul camerei sunt magneți teșiți în formă de inel. polii creează câmpul necesar pentru o astfel de stabilitate, scăzând spre periferie (Fig. 8, b).

Ideea metodei de accelerare betatron a fost exprimată în 1922 de J. Slepian, bazele teoriei au fost dezvoltate în 1948 de R. Wideroe. Primul betatron a fost construit în 1940. Simplitatea și fiabilitatea betatronilor au asigurat utilizarea lor pe scară largă în tehnologie și medicină (în intervalul de energie de 20-50 MeV).

În acceleratoarele liniare cu inducție, liniile electrice. câmpuri (cu intensitate E) sunt direcționate de-a lungul axei accelerației. Electric câmpul este indus de un câmp magnetic variabil în timp. curgere care trece prin inductori de ferită inel situate unul în spatele celuilalt 1 (Fig. 3). Magn. fluxul este excitat în ele de impulsuri de curent scurte (zeci sau sute de ns) trecute prin înfășurări cu o singură tură 2 , acoperind inductori. Focalizarea este efectuată de un magnet longitudinal. câmp, care este creat de bobine 3 situat în interiorul inductorilor. Curenții liniari de inducție fac posibilă obținerea de curenți record (kiloamperi) într-un impuls; max. cel mai puternic dintre U. de lucru - ATA (SUA) - accelerează electronii la o energie de 43 MeV la un curent de 10 kA. Durata impulsurilor de curent este de 50 ns.

Orez. 3. Diagrama dispozitivului de inducție liniară accelerator: 1 - miez inductor; 2 -captivant serpuit, cotit; 3 -bobina de focalizare.

Acceleratoare rezonante. În U rezonantă pentru a crește energia de încărcare. particulele sunt utilizate electric longitudinal HF. câmpuri. Accelerația în astfel de câmpuri este posibilă dacă este îndeplinită una dintre cele două condiții: fie particulele accelerate trebuie să se miște împreună cu magnetul electric. val, menținându-și poziția față de ea (acceleratorul și cu unda care călătorește), sau trebuie să interacționeze cu ea numai în acele momente de timp în care câmpul are direcția dorită (accelerare) și mărimea dorită (semnale rezonante de fapt). Sunt numite zonele în care particulele interacționează cu câmpul de accelerare goluri de accelerare și sau goluri de accelerare. Pentru restul traseului, particulele nu experimentează acțiunea câmpului RF, fie pentru că pur și simplu nu este acolo, fie pentru că particulele sunt protejate de el prin ecrane.

Ultrasunetele cu undă călătoare sunt utilizate în principal. pentru a accelera particulele de lumină (electroni și pozitroni), a căror viteză, chiar și la energii scăzute, diferă puțin de . Viteza fazei el-magn. undele din ghidurile de undă în vid depășesc întotdeauna viteza luminii; încărcarea ghidajelor de undă cu un sistem de perforare. diafragme, puteți încetini viteza undei, dar nu foarte mult. Prin urmare, undele cu o undă călătoare nu sunt folosite pentru a accelera particulele lente.

.

Orez. 4. Diagrama dispozitivului de accelerare Wideroe: 1 - tuburi de zbor f; generator de oscilații 2-HF; 3 - accelerarea golurilor;

Acceleratoare de rezonanță liniară. Cel mai simplu accelerator rezonant este V i de ro e (Fig. 4). Metalele plasate de-a lungul grinzii. tuburile de zbor sunt conectate (unul câte unul) la polii generatorului RF. În golurile de accelerare (distanțe între tuburile de zbor încărcate opus) se creează un curent electric longitudinal. Câmp HF cu o tensiune de ordinul a sute de kV. Particulele care se apropie de intervalul de accelerare la momentul potrivit sunt accelerate electric. câmp, apoi „ascundeți” în următorul tub de zbor. Lungimea sa și viteza particulei sunt coordonate între ele, astfel încât particulele se apropie de următorul gol în momentul în care câmpul are direcția și magnitudinea corecte, adică aceeași fază ca în intervalul de accelerare anterior. Pentru a face acest lucru, este necesar ca condiția să fie îndeplinită

unde / este lungimea tubului și spațiul de accelerare; - viteza particulelor, exprimată în fracții din viteza luminii c; - lungime de undă el-magn. vibrații (în gol); P- orice număr întreg. Fasciculul accelerat constă, așadar, dintr-un lanț de mănunchiuri de particule (bunchiuri) care au trecut prin golurile de accelerare în condițiile electrice corespunzătoare. câmpuri. Atunci când dezvoltați structura unui accelerator liniar, este important să selectați corect lungimile nu numai a tuburilor de zbor, ci și a golurilor de accelerare. Aceste lungimi trebuie, pe de o parte, să fie suficient de mari pentru a rezista la tensiuni vizibile (sute de kV și uneori megavolți) și, pe de altă parte, suficient de mici încât faza oscilațiilor HF să nu se schimbe prea mult în timpul trecerii. a particulei.

Pe măsură ce viteza particulelor crește, acceleratoarele lui Wideroe devin ineficiente și lasă loc acceleratorilor lui Alyaretz. În ele, tuburile de zbor nu sunt conectate la generator, ci sunt situate unul după altul în interiorul unui lung cilindric. rezonator, în care magneții electrici sunt excitați. fluctuatii. Câmpul RF, care este distribuit departe de tuburile de zbor în același mod ca într-un rezonator convențional, este concentrat în apropierea axei sale în golurile de accelerare. Dispunerea elementelor „decalaj de accelerare - tub de zbor - decalaj de accelerare”, etc. rămâne aceeași ca în acceleratoarele Wideroe, dar condiția (1) ia forma

Amplificatoarele de rezonanță liniară funcționează eficient dacă în ele sunt injectate particule suficient de rapide, pre-accelerate folosind un amplificator cu acțiune directă sau un amplificator cu focalizare alternativă de înaltă frecvență. -v

Ciclotroni- cel mai simplu şi istoric primul U. ciclic. tip (fig. 5). În modern În înțelegere, ciclotronii sunt numiți ciclici rezonanți. U., funcționând cu un magnet conducător care nu se modifică în timp. câmp și la postfrecvența câmpului RF de accelerare. În ciclotronii convenționali, magneticul câmpul este azimutal și aproape independent de rază; traiectoriile particulelor accelerate au forma unor spirale de derulare. Ciclotronii convenționali sunt folosiți pentru a accelera particule grele non-relativiste - protoni și ioni. Camera cu vid a ciclotronilor este limitată extern. perete cilindric matriță și două capace orizontale plate. Polii electromagneților ai ciclotronilor convenționali creează un câmp magnetic aproape uniform (în scădere ușor spre periferie) în cameră. camp. Intervalul de accelerare este format din tăieturi a doi electrozi așezați în cameră și în fața celuilalt, având forma unor semicilindri goli - danți. Dee-urile sunt conectate la polii generatorului de înaltă tensiune prin linii cu sfert de undă.

Orez. 5. Schema circuitului ciclotronului.

O particulă care se mișcă într-un cerc este acționată de o forță centripetă. forța Lorentz egală cu forța centrifugă unde r este raza de curbură a traiectoriei, Ze- sarcina de particule. Acea., Trecând la unități mai convenabile, obținem

Unde rs-produsul impulsului particulei R cu viteza luminii Cu- exprimat în MeV, inducție magnetică. câmpuri ÎN se măsoară în tesla, iar r este în m.

Energia limitatoare realizabilă în ciclotronii convenționali; pentru protoni este de aprox. 20 MeV și frecvența câmpului de accelerare (at B = 2 T) - aprox. 30 MHz. La energii mari, particulele accelerate nu se sincronizează cu tensiunea de accelerare din cauza scăderii necesare stabilității laterale. ÎN de la centru spre periferie şi datorită efectelor relativiste.

Ciclotronii convenționali sunt folosiți pe scară largă pentru a produce izotopi și în toate celelalte cazuri când sunt necesari protoni (sau ioni) cu energii de până la 20 MeV (sau ~20 MeV/nucleon). Dacă sunt necesari protoni cu energie mai mare (până la câteva sute de MeV), atunci se folosesc ciclotroni cu variație magnetică azimutală. câmpuri. Stabilitatea mișcării transversale în astfel de ciclotroni este asigurată prin abandonarea simetriei azimutale a câmpului magnetic. câmpul și alegerea configurației sale, marginile permit menținerea stabilității mișcării chiar și cu creșterea (în medie) a valorilor magnetice spre periferie. inducţie.

Procesul de accelerare în ciclotroni are loc continuu: în același timp, unele particule tocmai părăsesc sursa de ioni, altele se află la mijlocul căii, iar altele termină procesul de accelerare. Curent intern tipic fasciculul în ciclotroni este de aprox. 1 mA, curentul fasciculului de ieșire depinde de eficiența ejecției și de stabilitatea termică a foliilor de ieșire; de obicei se ridică la mai multe. zeci de µA.

Fazotroni. În fazotroni, magnetic câmpul este constant în timp și se păstrează natura sa cilindrică. simetrie. Magn. câmpul scade spre periferie, frecvența de rotație a particulelor scade odată cu creșterea energiei lor, iar frecvența câmpului de accelerare scade în mod corespunzător. În acest caz, restricțiile privind energia particulelor accelerate dispar, dar intensitatea fasciculului accelerat scade brusc (cu câteva ordine de mărime). Modificarea frecvenței câmpului de accelerare duce la faptul că procesul de accelerare este împărțit în cicluri: un nou lot de particule poate fi introdus în fazotron numai după ce accelerarea lotului anterior este finalizată și frecvența este revenită la valoarea sa inițială. . Zona obișnuită de lucru a fazotronilor este din mai mulți. sute până la mii de MeV. Pe măsură ce energia crește în continuare, dimensiunea magneților devine prea mare, iar greutatea și costul acestora cresc excesiv. Recent (anii 90) nu au fost construite noi fazotroni. Pentru energii de până la câteva. se folosesc sute de MeV, ciclotroni cu variație magnetică azimutală. câmpuri, iar sincrotronii sunt utilizați pentru accelerarea la energii mari.

Sincrotroni sunt folosite pentru a accelera particule de toate tipurile: sincrotroni înșiși - pentru electroni și sincrotroni pentru protoni și alți ioni (denumirea veche este sincrofazotroni, vezi. sincrotron cu protoni). Energia la care particulele sunt accelerate în sincrotroni este limitată pentru electroni de puterea radiației sincrotronului, iar pentru protoni și ioni doar de mărimea și costul U.

La sincrotroni, orbita în care se rotesc particulele rămâne constantă în timpul procesului de accelerare. Mag. lider. câmpul este creat doar de-a lungul unei căi înguste care înconjoară camera inelară de vid în care se deplasează particulele. După cum reiese din (3), la post. raza magnetica inducția ar trebui să crească proporțional. impulsul particulelor accelerate. Frecvența orbitală (la o lungime orbitală constantă) este legată de impulsul f-loy

unde este frecvența cu care o particulă care se mișcă cu viteza luminii ar circula într-un sincrotron. Frecvența câmpului de accelerare poate coincide cu frecvența de revoluție a particulelor sau o poate depăși de un număr întreg de ori (se numește multiplicitate). Astfel, în sincrotronii electronici (care au întotdeauna p>>mc) frecvența câmpului de accelerare este constantă, în timp ce inducția magnetică. câmpurile crește. În sincrotronii cu protoni, inducția magnetică crește în timpul ciclului de accelerare. câmpuri și frecvența tensiunii de accelerare.

Microtroni-ciclic U. cu post. mag. câmp și cu o creștere de energie pe rotație egală cu energia de repaus a electronului (0,511 MeV). Dacă întreaga creștere a energiei are loc într-o secțiune scurtă, atunci în timpul postului. mag. câmp, particulele se deplasează de pe o orbită circulară pe alta. Toate aceste orbite se ating reciproc în punctul în care se află dispozitivul de accelerare. Energia electronilor în astfel de electroni ajunge la mai multe. zeci de MeV.

Dimensiunile acceleratorului. Complexe acceleratoare. Lungimea undei liniare este determinată de energia particulelor accelerate și de viteza de accelerație, iar raza de curbură a orbitei acceleratoarelor inelare este determinată de energia particulelor și de max. inducerea magnetului conducător. câmpuri.

În modern în U liniar electronic viteza de accelerare este de 10-20 MeV/m, în protoni - 2,5-5 MeV/m. Creșterea vitezei de accelerație se confruntă cu doi factori principali. dificultăți: o creștere a pierderilor de rezistență în pereții rezonatoarelor și un pericol electric. avarii. Pentru a reduce pierderile de rezistență, se pot folosi rezonatoare supraconductoare (primile astfel de rezonatoare au început deja să funcționeze); Pentru combaterea defecțiunilor, distribuția electrică este atent nivelată. câmpuri în rezonatoare, evitând neomogenitățile locale. Este posibil ca viteza de accelerație a undelor liniare de protoni să poată crește în timp cu un ordin de mărime.

Dimensiunile magneților ciclici sunt legate de inducția magnetului conducător. câmpuri f-loy (3). Odată cu accelerarea particulelor cu încărcare individuală și valoarea medie a inelului Tl (care corespunde cu această funcţie dă (m). În conformitate cu aceasta, o undă de 1 TeV ar trebui să aibă un perimetru de ~20 km. Pentru a proteja împotriva radiațiilor, astfel de dispozitive sunt construite în subteran. Dimensiunea enormă a sistemelor de înaltă energie duce la costuri de capital în valoare de miliarde de dolari.

Estimările date sunt valabile pentru U., mag. blocurile conțin un jug de fier. Crește B max peste 1,8 T se dovedește a fi imposibil din cauza saturației cu fier, totuși acest lucru se poate face prin trecerea la magneziu supraconductor. sisteme. Primul astfel de U. - Tevatron - lucrează deja la Laborator. Fermi în SUA. Magn. câmpul în blocuri înfăşurat cu un cablu cu miezuri NbTi într-o matrice de cupru la o temperatură de 4 K poate fi ridicat la 5-5,5 T, iar când temperatura scade la 1,8 K sau la trecerea la NbSn, până la 8 -10 T . (Aliajul NbSn nu este utilizat la fabricarea acceleratoarelor din cauza fragilității sale.) O scădere suplimentară a temperaturii permite trecerea la un mag și mai mare. domenii, dar neprofitabile din punct de vedere economic; Dimensiunea echipamentului criogenic este în scădere, dar cantitatea de echipamente criogenice scumpe și consumatoare de energie crește.

Valorile minime acceptabile sunt definite mai puțin strict ÎN. In U. cu un jug de fier B min nu trebuie să fie mai mic de (6-10). 10~ 3 T, deoarece la câmpurile inferioare contribuția la câmpul magnetic total este prea mare. inducția începe să introducă magnetism rezidual. câmpuri, a căror distribuție spațială este de obicei nefavorabilă. Atitudine B max/ B min și, prin urmare, raportul dintre impulsurile particulelor ejectate și injectate într-un magnet cu magneți convenționali nu poate depăși, prin urmare, 200-300. În magneții supraconductori sisteme, această gamă se dovedește a fi și mai mică, deoarece pentru câmpuri mici în spațiu. Distribuție magnetică Inducția este puternic afectată de curenții turbionari în conductoarele supraconductoare. Aceste limitări sunt unul dintre motivele care duc la faptul că toate cele majore se vor accelera. complexele conţin mai multe. U. de lucru secvenţial: U. liniar - injector, unul sau mai multe. intermediar U.- amplificatoare, în cele din urmă, U. principal, terminând încărcarea. particule la energia de limitare și, eventual, un inel de stocare. Schema se va accelera. al complexului CERN este prezentat în Fig. 6.

Construcția și exploatarea acestui complex este realizată și finanțată de Commonwealth-ul Europei. Naib. U., care face parte din complex, este un inel de stocare-coliziune electron-pozitron LEP, care accelerează fasciculele de electroni și pozitroni la o energie de 45 GeV. U. se află într-un tunel subteran adânc și are un perimetru de 27 km. În acest tunel în anii '90. Se plănuiește construirea unui mare colisionator de hadroni supraconductor LHC (Large Hadron Collider), conceput pentru a accelera protonii și antiprotonii la o energie de 7 TeV și, ulterior, pentru a accelera ionii.

Orez. 6. Diagrama complexului accelerator CERN (Elveţia).

Pentru injectarea în LHC, se va folosi acceleratorul SPS (Super Proton Synchrotron), la ieșirea căruia protonii au o energie de ~450 GeV. Perimetrul acestui accelerator este de 6,9 ​​km, este situat sub pământ la o adâncime de 40 m. SPS primește particule grele de la sincrotronul de protoni PS, care, la rândul său, primește protoni și ioni de la amplificatorul Isolde, iar electroni și pozitroni - de la amplificatorul EPA.

În Rusia cel mai mult proton (și ion) U. (70 GeV) operează în Protvino (lângă Serpuhov, regiunea Moscova). Sub el a început construcția unui centru de accelerație și stocare (AC) cu un perimetru de 21 km. Este conceput pentru a accelera protonii și antiprotonii până la o energie de 3 TeV. Institutul Comun Internațional de Cercetare Nucleară (JINR, Dubna, regiunea Moscova) operează un sincrotron de protoni care accelerează protonii până la 9 GeV, un fazotron și un nuclotron ultrasonic ionic supraconductor, care accelerează ionii până la o energie de 6 GeV/nucleon.

În Institutul de teoretică și experimentează. Fizica (ITEP, Moscova) sincrotronul de protoni accelerează protonii la o energie de 9 GeV.

Fluctuațiile de fază. După cum sa menționat deja, în undele rezonante, un fascicul de particule accelerate se împarte spontan în mănunchiuri. Centru. Particulele ciorchinilor se apropie din nou de intervalul de accelerare (în control ciclic) sau de următorul interval de accelerare (în control liniar) în acele momente de timp când faza tensiunii RF de accelerare are valoarea dorită. Astfel de particule sunt numite. egale în greutate. Dr. Particulele cheagului, în timpul procesului de accelerare, oscilează în jurul valorii de echilibru, uneori înaintea acesteia, alteori în spatele acesteia. Aceste vibrații sunt numite. fază. Ele sunt însoțite de fluctuații ale energiei și impulsului particulelor accelerate în raport cu energia și impulsul particulei de echilibru.

Să luăm în considerare mișcarea de fază într-un Y liniar. Pentru simplitate, vom presupune că golurile de accelerare sunt atât de scurte încât particulele trec prin ele aproape instantaneu. Lasă o anumită particulă să se apropie de gol mai târziu decât cea de echilibru. Pentru ca acesta să înceapă să-l ajungă din urmă, trebuie să primească mai multă energie atunci când trece prin gol. Dimpotrivă, o particulă care ajunge la decalaj mai devreme decât cea de echilibru ar trebui să primească mai puțină energie.

În fig. 7 curba sinusoidală ilustrează schimbarea tensiunii în timp E accelerarea câmpului HF. Linia întreruptă marchează tensiunea, marginile trebuie să existe în momentul trecerii particulei de echilibru, astfel încât aceasta să se apropie de următorul interval în timp. La fiecare perioadă de schimbare E există două astfel de puncte: CUȘi D. Este ușor, totuși, să vedem că mișcarea este stabilă numai în punctul C. Numai în acest moment intensitatea câmpului crește în momentele ulterioare și scade în momentele anterioare.

Orez. 7. Să discutăm despre principiul autofazării.

O analiză detaliată a mișcării longitudinale a particulelor arată că, cu o amplitudine suficientă a oscilațiilor HF, există întotdeauna o zonă de mișcare de fază stabilă - în acest caz, o zonă situată în jurul punctului C. Această afirmație se numește. principiu autofazare.

Într-o accelerație ciclică, nu numai viteza particulelor depinde de energie, ci și de lungimea căii pe care o parcurg de la intervalul de accelerare anterior la următorul (dacă sunt mai multe), precum și de perimetrul traiectoriei. . Să introducem coeficientul. prelungirea orbitei.

Unde L- perimetrul orbital, R-impulsul particulelor. Modificarea timpului petrecut de o particulă pentru a circula în univers depinde de impulsul acesteia și este descrisă de f-loy

unde factorul g-Lorentz al particulei, în ecuații liniare, a = 0, iar punctul este stabil CU. Într-un U. ciclic la punctul C este stabil, iar la punct D. Energia la care aceste puncte își schimbă locul corespunde relației

și a sunat Energie critică (în literatura engleză - energie de tranziție). În acest moment, faza tensiunii de accelerare trebuie să fie transferată de la un „punct sincron” la altul. Când se apropie de critic Energiile frecvenței oscilațiilor de fază (în undele ciclice sunt adesea numite fază radială) scad, iar dimensiunile fazelor aglomerărilor scad brusc, iar împrăștierea particulelor în impulsuri (și în energie) crește. În momentul trecerii prin critic. energie, influența descompunerii crește. tip de instabilitate. În funcție de caracteristicile de proiectare ale U. - pe valoarea a - critic. energia poate fi în interiorul sau în afara intervalului de energie de operare.

Problema stabilității laterale. Oscilații betatron. În timpul de accelerare, particulele din circuitele circulare mari parcurg o distanță de sute de mii sau chiar milioane de km. În acumulat sisteme, această cale este încă mai multe. ordine de mărime mai mult, iar în Ucraina mică - cu mai multe. ordine de mărime mai puțin, dar este întotdeauna foarte mare în comparație cu diametrul camerei de vid, dimensiunile transversale ale tăieturii nu depășesc, de obicei, două zeci de cm. Ciocnirea particulelor cu pereții camerei duce la pierderea acestora. Prin urmare, accelerarea este posibilă doar cu un sistem de focalizare atent calculat și executat.

La orice valoare a energiei particulei accelerate (în regiunea de stabilitate a oscilațiilor de fază), există o orbită închisă (stabilă) în oscilațiile inelului. Fiind în camera cu vid a atmosferei, particulele se deplasează în apropierea acestei orbite, făcându-se oscilații betatron Frecvențele acestor oscilații depășesc semnificativ frecvențele oscilațiilor de fază, astfel încât atunci când se studiază oscilațiile betatronilor, energia particulelor accelerate și poziția orbitei închise pot fi considerate constante.

Cu teoretic Când se iau în considerare oscilațiile betatronilor, ei studiază de obicei zonele ocupate de particulele accelerate în „planurile de fază” ( r, r) și (z, p z), unde rȘi z- coordonatele orizontale și verticale ale particulei ( r = R - R 0, unde R- raza particulelor, R 0 - raza traiectoriei de echilibru), a relatii cu publiculȘi p z- componentele corespunzătoare ale impulsului său. Cu mișcare netulburată, aceste zone au forma unei elipse. Conform teorema lui Liouville, valorile zonei nu se modifică în timpul mișcării. În timpul procesului de accelerare, particulele traversează numeroase linii. neomogenitate magnetică si electrice câmpuri. În acest caz, regiunea ocupată de fascicul în spațiul de fază poate dobândi o formă complexă, astfel încât eff. dimensiunea zonei - aria elipsei descrise - crește. Într-un U atent reglat o asemenea creștere nu are loc. Dacă există o legătură între mișcările orizontale și verticale, nu se păstrează fiecare dintre zonele indicate, ci volumul ocupat de fascicul în spațiul cu patru dimensiuni ( r,z, p r , p z).

Practic De interes este de obicei regiunea ocupată de fascicul nu în planurile de fază, ci în planuri ( r, q r), (z, q z) unde q rși q z-unghiuri formate de vitezele particulelor cu tangenta la orbita de echilibru. Aceste zone sunt numite orizontală (sau radială) și verticală (sau axială) m) emisiilor fascicul e rși e z. Trecerea de la impulsuri la unghiuri este dată de formule

Unde R-componenta longitudinala a impulsului, care practic coincide cu impulsul total; R 0 = ts. Din teorema lui Liouville rezultă că integralele mișcării sunt mărimile p e rȘi p e z sau, respectiv, bge rși bge z, care se numesc EMITTANI NORMALIZATI.

Din cele de mai sus este clar că în timpul accelerației emisiile normalizate rămân neschimbate, iar emisiile obișnuite e rși e z scade cu 1/bg. În consecință, dimensiunile transversale ale fasciculului scad.

Cea mai importantă caracteristică a oricărui U. este a x e p t a n s - cele mai multe. emitanta, pe care U. o transmite fara pierderi. O intensitate mare a fasciculului accelerat poate fi atinsă numai într-un UV cu o acceptare suficient de mare.

Pentru dimensiunile date ale camerei de vid, acceptarea V. este proporțională cu max. unghi, care poate fi traiectoriile particulelor cu o orbită de echilibru și, prin urmare, este invers proporțional cu lungimea de undă a oscilațiilor betatronului. Acceptările verticale și orizontale ale acceleratorului sunt proporționale, adică cu numărul de oscilații betatron pe rotație. Q rȘi Q z care este deci de dorit să crească. În toate U. existente. Q rȘi Q z sunt aproape unul de celălalt. Dacă ambele sunt mai mici de 1, focalizarea este numită. slab (moale), iar dacă este mai mare de 1, puternic (dure).

Toate valorile întregi și jumătate întregi Q rȘi Q z sunt interzise. Cu întreg Q particulele revin la magnet. elemente din aceeași fază a oscilațiilor betatronului, influența erorilor de câmp se adună și are loc o acumulare rezonantă a oscilațiilor (rezonanță externă). În jurul valorilor întregi există regiuni de frecvență interzise, ​​în care creșterea oscilațiilor, deși limitată ca magnitudine, se dovedește a fi inacceptabil de mare, de exemplu. depășește dimensiunile camerei de vid.

Valori cu jumătate întregi Q rȘi Q z sunt interzise din cauza apariției rezonanței parametrice - o acumulare rezonantă de oscilații care apare din cauza neregulilor în gradientul magnetic. câmpuri. În unele medii, în special în acumulatoare, ordinele mai mari sunt, de asemenea, evidente.

În ciclic Magneții transversali sunt utilizați pentru a focaliza particulele. câmpuri. Într-un câmp de conducere uniform există doar focalizare orizontală și nicio focalizare verticală ( Q z = 0) Acest rezultat este ușor de înțeles notând că atunci când particulele se mișcă într-un câmp magnetic omogen (vertical). camp ( B r = 0, B z = const) Forțele Lorentz nu au o componentă z și particulele își păstrează valorile inițiale. viteza axiala. Forțele necesare focalizării axiale apar numai în prezența unei componente magnetice radiale. câmpuri.

Configurație magnetică câmpul depinde de forma pieselor polare. În fig. 8 ( A) și 8( b) înfățișează piese polare în formă de figură de rotație (în jurul axei z). În fig. 8 ( A) sunt reprezentați poli plati, creând un câmp vertical uniform; astfel de câmpuri nu creează focalizare axială. În fig. 8 ( b) prezintă o imagine a câmpului care ia naștere între poli, creând un gol care se extinde spre periferie. În acest caz, forța Lorentz capătă o componentă axială de focalizare (întoarcerea în planul central). Totuși, apariția focalizării axiale este însoțită de o slăbire a focalizării radiale: particulele deviate spre periferie revin mai lent la traiectoria de echilibru, deoarece cad într-un câmp mai slab.

Orez. 8. A-forţe magnetice într-un câmp uniform; b-forţe magnetice într-un câmp în scădere spre periferie.

În undele liniare, problema focalizării este de asemenea importantă, deși nu este la fel de critică ca în undele inelare: lungimea drumului particulelor în undele liniare este mică și particulele accelerate nu revin la perturbațiile de câmp care au trecut deja.

În U. ciclic, mag. al cărui sistem are simetrie azimutală, este valabilă următoarea formulă:

Stabilitatea simultană a radialului și axială Oscilațiile betatronului în acest caz sunt posibile numai cu focalizare slabă (vezi. Focalizarea particulelor într-un accelerator).Cu focalizare puternică, zone care se concentrează în z și defocalizează în r, sunt înlocuite cu zone care se concentrează de-a lungul orizontalei și defocalizează de-a lungul coordonatelor verticale. Când este secvenţial amplasarea unor astfel de zone și alegerea corectă a gradienților magnetici. geometria câmpului și a magnetului, sistemul în ansamblu se dovedește a fi focalizat, iar ambele valori rezultate ale frecvențelor betatronului pot depăși semnificativ unitatea.

Magneții cu patru poli sunt utilizați în sistemele cu ultrasunete cu focalizare puternică. sau electrice câmpuri (la energii scăzute ale particulelor accelerate). În fig. 9 ( A) este reprezentat câmpul magnetic cvadrupolar. o lentilă care creează focalizarea în direcția verticală (de-a lungul axei z) și defocalizarea de-a lungul razei r mag. camp. Camera de vid este situată de-a lungul axei lentilei dintre polii săi (nu este prezentat în figură). Particulele încărcate pozitiv „zboară” către cititor. Patru astfel de particule și forțele Lorentz care acționează asupra lor sunt descrise prin puncte și săgeți. La cei care focalizează de-a lungul razei (și defocalizează de-a lungul z) Lentile magnetice stâlpi NȘi S schimba locurile. În magneții inel, ei creează magnetul conducător. câmp, sunt situate între lentile. Ele creează un câmp magnetic omogen îndreptat de-a lungul axei z. camp. La unii magneți se folosesc magneți cu funcții combinate. Maga lor. câmpul conține atât un dipol (câmp conducător) cât și o componentă cvadrupol (Fig. 9, b).

Rx. 9. A-lentila magnetica cvadrupol; b-bloc magnetic cu functii combinate.

Pentru focalizarea transversală în lentile liniare, s-ar putea încerca să folosiți un magnet electric. o undă care accelerează particulele. Cu toate acestea, în valuri normale E-punctele de tip corespunzătoare mișcării de fază stabilă se dovedesc a fi instabile pentru vibrațiile transversale și invers. Pentru a evita această dificultate, puteți utiliza focalizarea în fază alternativă (puncte CUȘi Dîn fig. 7 se înlocuiesc succesiv) sau abandonează simetria azimutală a electricului. câmpuri în rezonator (focalizare cvadrupol HF). Cel mai adesea, totuși, pentru focalizarea transversală sunt folosite câmpurile cvadrupolare create de dispozitive speciale. mag. lentile. Din anii 80 Postarea a început să fie folosită pentru a face astfel de lentile. magneți (aliaj SmCo).

Efecte legate de intensitate. Pe lângă rezonanțele care apar atunci când fasciculul interacționează cu exteriorul câmpuri, la intensități mari ale fasciculului, descompunerea începe să joace un rol. tipuri de instabilitate asociate cu interacțiunile particulelor fasciculului între ele, cu elementele camerei de vid și sistemul de accelerare, și în cazul radiațiilor cu fascicule care se ciocnesc și cu influența fasciculelor unul asupra celuilalt. Naib. Cel mai simplu dintre aceste efecte este schimbarea Coulomb a frecvenței oscilațiilor betatronilor. Electric câmpul fasciculului respinge particulele exterioare la periferie și nu acționează asupra particulei centrale a mănunchiului. Ca urmare, frecvențele oscilațiilor betatron ale particulelor din fascicul încep să difere de frecvența oscilațiilor centrului de greutate al fasciculului. Dacă această diferență depășește distanța dintre cele mai apropiate valori interzise Q, apoi cu orice reglare a fasciculului, o parte din fascicul se pierde inevitabil. Elektrosta-tich. Repulsia particulelor afectează și oscilațiile de fază ale fasciculului (în special, duce la efectul de „masă negativă”).

Un fascicul de particule accelerate interacționează cu forța sa electrostatică. imagine într-o cameră cu vid și cu obiecte amplasate în ea (rezonatoare ale stațiilor de accelerare, senzori ai dispozitivelor de măsurare, părți și intrări ale sistemului de vid etc.). În acest caz, forța care acționează asupra fiecărei particule este proporțională. deplasarea fasciculului în cameră în raport cu traiectoria de echilibru și densitatea sa liniară. Ca rezultat al acestei interacțiuni, apar magneți electrici. câmpuri care acționează asupra particulelor care trec ulterior (efectul „cap - cap”) și asupra particulelor în sine care au cauzat apariția câmpurilor atunci când aceste particule revin în zona excitată. Această interacțiune provoacă o serie de efecte care duc la pierderea stabilității fasciculului. Pe lângă efectul „cap-coadă” deja menționat, non-stabilitatea rezistivă (interacțiunea cu imaginea electrică a fasciculului care rulează de-a lungul camerei, care este întârziată în fază din cauza conductibilității finite a pereților camerei), instabilitatea microundelor ( interacțiunea cu obiecte care pot fi excitate la frecvențe înalte) etc.

Acceleratoare de fascicul de coliziune (colidere). Atunci când noi particule sunt generate în actul de coliziune, trebuie eliberată energie care este egală cu sau depășește energia de repaus a particulelor generate, de exemplu. sute de MeV și uneori multe zeci de GeV. Cu eliberări atât de mari de energie, nu numai substanțele chimice își pierd importanța. conexiunea particulelor care alcătuiesc ținta, dar și legătura nucleonilor din nucleu, astfel încât ciocnirea să se producă cu nucleoni unici sau chiar cu nucleoni unici care alcătuiesc nucleonul. T.n. procese cumulate, care poate fi considerată simultană. ciocnirea unei particule accelerate cu două sau mai multe. nucleonii sunt de interes științific, dar sunt observați extrem de rar la energii mari.

După cum sa menționat mai sus, atunci când particulele se ciocnesc în ciocnitori, toată energia câștigată în timpul accelerației poate fi realizată, în timp ce atunci când un proton rapid se ciocnește cu un nucleon al unei ținte staționare, este utilizată doar o parte din această energie. Deci, pentru a genera J/y-mezon, energia protonului ar trebui să fie de 3,7 ori mai mare decât energia de repaus J/y-mezon și pentru a genera un boson Z 0, este nevoie de un exces de energie de 50 de ori. Prin urmare, generarea de particule grele pe ținte staționare se dovedește a fi catastrofal neprofitabilă și este necesar să trecem la coliziune. La colisionare, particulele se pot deplasa una spre alta fie într-un singur inel (particule și antiparticule), fie în două inele care se intersectează.

Tehnici de lucru cu acumulat inelele, în care se mișcă grinzile contra, este foarte complexă. Numărul de reacții nucleare care apar pe unitatea de timp este de mii de ori mai mic decât în ​​cazul țintelor staționare, din cauza rarefării extreme a fasciculelor. Eficiența ciocnitorilor este de obicei caracterizată de acestea luminozitate,T. adică un număr cu care trebuie să înmulți eff. secțiunea transversală a reacției care se studiază pentru a obține numărul de astfel de reacții pe unitatea de timp. Luminozitate proporțională produsul dintre intensitățile fasciculelor care se ciocnesc și proporția inversă. zonele secțiunii transversale ale grinzilor (dacă sunt egale). Prin urmare, fasciculele de ciocnire trebuie să conțină multe particule și să ocupe volume mici în spațiul fazelor. Răcirea volumului de fază al fasciculelor de electroni și pozitroni din cauza radiației sincrotron a fost discutată mai sus. În același timp, volumul de fază al fasciculelor de protoni scade pe măsură ce accelerează cu doar 1 /R, adică complet insuficientă. Și volumul ocupat de fasciculele de antiprotoni se dovedește a fi foarte mare deja în timpul generării lor și scade puțin mai târziu, deoarece antiprotonii se formează la energie mare (mai mulți GeV). Prin urmare, înainte de coliziuni, fasciculele de antiprotoni trebuie să se acumuleze și să se răcească, adică să se comprima în spațiul de fază.

Există două moduri de a răci fasciculele de particule grele (protoni, antiprotoni, ioni) - electronice și stocastice. RĂCIRE ​​ELECTRONICĂ are loc în timpul interacțiunii fasciculelor răcite cu un fascicul de electroni „reci” care zboară într-o anumită zonă comună împreună cu particulele răcite și având aceeași medie. viteză. (Temperatura unui fascicul este energia medie a particulelor sale, măsurată într-un sistem de coordonate care se mișcă odată cu fasciculul.)

Răcirea stocastică se bazează pe faptul că numărul de particule răcite simultan nu este foarte mare. Dacă în interiorul dispozitivului există o singură particulă care măsoară coordonatele fasciculului, atunci abaterea acestuia poate fi măsurată de senzor și apoi corectată de corector. Dacă o măsoară în interior. dispozitivele vor fi mai multe. particule, apoi senzorul reacţionează la poziţia lor electrică. centrul de greutate și nu are loc corecția, ci amortizarea vibrațiilor (cu N particulele din dispozitiv sunt reglate unul, și nu N parametrii). Stochastic Răcirea are loc treptat și necesită un număr mare de rotații.

Rețineți că răcirea cu electroni se dovedește a fi mai eficientă la energiile fasciculului scăzut, în timp ce răcirea stocastică se dovedește a fi mai eficientă la un număr nu prea mare de particule.

Perspective pentru dezvoltarea acceleratoarelor. Dintre proiectele de acceleratoare mari, aflate în stadiu de dezvoltare, construcție sau care au intrat deja în exploatare, pot fi enumerate următoarele.

În Rusia (Troitsk, regiunea Moscova) se finalizează construcția unei „fabrici de mezon” cu o energie de 600 MeV cu avg. curent 70 µA. În 1993, a produs deja un fascicul cu o energie de 430 MeV. Pentru producerea izotopilor se folosește un fascicul de protoni cu o energie de 160 MeV și cu avg. curent 100 µA. În Pro-tvino, este în derulare construcția unui complex de stocare accelerator (UNC), conceput pentru a accelera protonii la 3 TeV. UNK este situat într-un tunel subteran cu un perimetru de 21 km. Intensitatea particulelor din puls este de așteptat să fie de 5. 10 12 .

În Republica Federală Germania (Hamburg) a intrat în funcțiune Coliding Beam Ultrasound (HERA), menit să studieze interacțiunea protonilor (820 GeV) cu electronii și pozitronii (30 GeV). Luminozitatea designului ~2 . 10 31 cm -2. s -1 . Sincrotronul cu protoni conține magneți supraconductori, iar sincrotronul cu electroni îi conține pe cei obișnuiți (pentru a nu crește pierderile datorate radiației sincrotronului). 37 de institute din diferite țări iau parte la dotarea acestei unități și la lucrul la ea.

În Germania, un proiect de coliziune liniar DESY este, de asemenea, dezvoltat cu o energie a particulelor de 250x250 GeV (prima opțiune) sau 500 x 500 GeV (a doua opțiune). La CERN (Elveția), în tunelul sursei de energie inelului electron-pozitron (LEP), începe construcția colisionarului LHC (Large Hadron Collider) pentru particule grele. Se vor putea studia ciocnirile de protoni (2x7 TeV), protoni și electroni, protoni și ioni (inclusiv plumb, 1148 TeV).

Accelerarea ionilor grei poate fi efectuată la Nuclotron (Dubna, Rusia). Din 1977, descompunerea a fost accelerată la sincrotronul de protoni din Dubna. ionii până la carbon (4,2 GeV/nucleon, iar din 1992 până la 6 GeV/nucleon).

La U. „Saturn” din Saclay (Franţa), ionii sunt acceleraţi până la argon (până la 1,15 GeV/nucleon). Acceleratorul SPS (CERN) permite accelerarea ionilor de oxigen și sulf până la 200 GeV/nucleon.

În SUA a fost dezvoltat un proiect. superconductor mare (SSC) cu o energie de 2 x 20 TeV. Construcția acestui accelerator a fost amânată.

În Int. Comitetul de accelerare are în vedere proiecte și mai mari, a căror implementare va necesita eforturi comune ale țărilor dezvoltate. Proiectul specific al unei astfel de U. nu a fost încă determinat. Toate proiectele în derulare și dezvoltate se bazează pe principii bine-cunoscute, bine dovedite. Noile metode de accelerare, discutate mai sus, pot, dacă au succes, să schimbe complet aceste planuri.

Aplicarea acceleratoarelor. Pe lângă predarea științifică, au și pregătire practică. aplicarea. Astfel, controalele liniare sunt folosite pentru a crea generatoare de neutroni pentru radiații Testarea materialelor, metodele electronucleare pentru generarea de combustibil nuclear și accelerarea ionilor grei cu sarcină scăzută pentru fuziunea termonucleară inerțială controlată sunt discutate în mod activ. În Loma Linda (SUA), construcția unei unități specializate este în curs de finalizare. complex cu un sincrotron de protoni pentru radioterapie. Un proiect similar este luat în considerare în Rusia.

Lit.: Kolomensky A. A., Lebedev A. N., Teoria acceleratorilor ciclici, M., 1962; Waldner O. A., Vlasov A. D., Shalnov A. V., Acceleratoare liniare, M., 1969; Brook G., Acceleratorii ciclici ai particulelor încărcate, trans. din franceză, M., 1970; Komar E. G., Fundamentals of accelerator technology, M., 1975; Acceleratoare liniare de ioni, ed. B. P. Murina, vol. 1-2, M., 1978; Bakhrushin Yu. P., Anatsky A. I., Acceleratoare de inducție liniare, M., 1978; Lebedev A. N., Shalnov A. V., Fundamentele fizicii și tehnologia acceleratoarelor, vol. 3, M., 1981; Moskalev V. A., Betatrons, M., 1981; Kapchinsky I.M., Teoria acceleratorilor rezonanți liniari, M., 1982. L. L. Goldin.