Ускорители заряженных частиц. Ускоритель заряженных частиц Промышленные ускорители заряженных частиц

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.

Для исследования структуры атомных ядер их бомбардируют частицами, имеющими большую энергию, то есть летящими с очень большой скоростью. Для их получения в лабораторных условиях используют различного рода ускорители, одним из которых и является циклический ускоритель (циклотрон).

В циклотроне заряженная частица, размещенная между полюсами электромагнита, многократно проходит через электрическое поле. В каждый проход она наращивает свою энергию от нескольких сотен до нескольких тысяч электрон – вольт. Для периодического возвращения и управления движением заряженной частицы применяют поперечное магнитное поле.

На совершающую движение в постоянном магнитном поле частицу будет действовать , результатом чего станет движение заряженного элемента по окружности постоянного радиуса в случае если масса и скорость его останутся неизменными:

Сила Лоренца F Л, которая направлена по радиусу к центру окружности, вызовет центростремительное ускорение и согласно 2-му закону Ньютона будет равна:

Где: R – радиус орбиты, m – масса заряженной частицы, V – ее скорость. Из этого можно сделать вывод, что F Ц = F Л, или:

Где: q – величина заряда, В – индукция магнитного поля (векторы В и V взаимно перпендикулярны, то есть sin α = 1). Из этой формулы получаем выражение для угловой скорости частицы:

Если B, q и m – величины постоянные, то скорость угловая, а следовательно и количество оборотов частицы в секунду тоже являют собой величину постоянную, не зависящими от ее энергии. Однако радиус орбиты все же зависит от скорости движения, так как это следует из равенства (1):

С ростом энергии заряженного элемента и увеличением его скорости радиус орбиты увеличивается, именно поэтому элемент в ускорителе (например, циклотроне), будет двигаться по спирали.

Схема устройства циклотрона показана на рисунке ниже:

На два металлических электрода 3, помещенные между полюсами электромагнита, который в свою очередь состоит из обмоток 2 и магнита 1, подается высокое напряжение от высокочастотного генератора (рисунок а)). Очень часто электроды называют дуантами из-за их похожести на заглавную латинскую букву D. В промежутке между дуантами вблизи центра магнита расположен источник 4 заряженных элементов (ионов). Вся система из ионного источника и электродов помещается в вакуумную камеру 5, разрежение в которой достигает 10 -5 мм рт. ст. Положительный ион будет вылетать из источника в то время, когда электрод 1 имеет отрицательный потенциал. Он приобретет некоторую скорость и в полости дуанта I опишет полуокружность постоянного радиуса, так как внутри дуанта электрическое поле отсутствует (рисунок б)). К моменту выхода иона из дуанта I высокочастотный генератор изменит направление электрического поля на обратное: дуант II получит отрицательный потенциал, а дуант I положительный. Это приведет к ускорению иона и внутри дуанта II он опишет полуокружность уже большего радиуса. Двигаясь в с высокочастотным полем, ионы будут по спирали приближаться к краю полюса магнита. Их энергия будет возрастать после каждого прохождения частицей ускоряющей цепи между дуантами. Пучок ускоренных положительных ионов выводится из циклотрона благодаря отклоняющему электроду 6 (рисунок б)), на который подают отрицательный потенциал. Проходя мимо него, пучок ионов изменяет свою траекторию и через окошко, закрытое тонкой фольгой выходит из камеры.

Циклотрон используют в качестве ускорителя тяжелых частиц – положительных многозарядных ионов и протонов. В циклотроне присутствуют причины, которые ограничивают возможности значительного увеличения энергии ионов. Кинетическая энергия любой частицы равна E = mV 2 /2. Поэтому для получения частиц с очень большим запасом энергии их нужно разгонять до очень большой скорости, практически равной скорости света. Из теории относительности известно, что масса заряженной частицы зависит от ее движения и скорости:

Где: m 0 – масса частицы в покое, V – ее скорость, с – скорость света. В условиях, когда и V« c, массу тела можно считать строго постоянной. Однако в ускорителях, где частица разгоняется до скорости близкой к скорости света, с этой массой пригодиться считаться. Из формулы (2) можно получить выражение периода вращения заряженной частицы в циклотроне:

То есть период обращения прямо пропорционален массе элемента. Поэтому по мере ускорения частиц растет период обращения, а период высокочастотного поля остается неизменным. В результате при каждом последующем попадании в ускоряющую щель элементы будут опаздывать, приобретая меньшую энергию, пока не начнут попадать в тормозящее поле.

Для разгона электронов используют другой ускоритель – бетатрон, в котором используется вихревое электрическое поле. Однако энергия, получаемая элементами с помощью циклотрона, не удовлетворяла ученых. Для достижения большей энергии частиц используют два приема:

С увеличением периода обращения частицы уменьшается частота высокочастотного генератора. Ускорители, использующие этот принцип, носят название фазотрон;
При неизменной частоте электрического ускоряющего поля увеличивают магнитное поле. Если сохранять отношения m/B неизменным, то есть с ростом массы частицы плавно увеличивать индукцию поля, то период ее обращения также будет постоянным. На этом принципе работают ускорители типа синхрофазотрон и синхротрон.

Представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.

В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца , только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

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

Конструкции ускорителей

Линейные ускорители

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

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

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

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

Линейный индукционный ускоритель

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

Линейный резонансный ускоритель

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

Циклические ускорители

Бетатрон

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

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

Циклотрон

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

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

Микротрон

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

FFAG

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

Фазотрон (синхроциклотрон)

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

Синхрофазотрон

Синхротрон

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

Ускоритель-рекуператор

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

Ускорители по назначению

Лазер на свободных электронах

Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.

Коллайдер

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

Лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

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

Конструкции ускорителей

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Основная статья : Высоковольтный ускоритель

Ускоритель заряженных частиц (электронов) в котором ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В.У. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания установок большой мощности (500кВт и выше) что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Электростатический ускоритель

Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.

Разновидности:

Ускоритель Ван де Граафа. генератором Ван де Граафа , основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения ~20МВ определяют максимальную энергию частиц ~20МэВ.
Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором , который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.

Линейные ускорители электронов небольших энергий часто используются, как часть самых разных электровакуумных приборов (электронно-лучевая трубка , кинескоп , рентгеновская трубка и др.).

Циклотрон

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

Идея циклотрона проста. Между двумя полукруглыми полыми электродами, т. н. дуантами , приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем . Понятно, что с увеличением энергии, на каждом обороте, радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.

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

Бетатрон

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

Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в - гг. в США.

Микротрон

Основная статья : Микротрон

Фазотрон (синхроциклотрон)

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

Синхрофазотрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота обращения практически не меняется, и используются синхротроны.

Синхротрон

Лазер на свободных электронах (ЛСЭ)

Основная статья : Лазер на свободных электронах

Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.

Линейный ускоритель

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

Колла́йдер

Он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых - изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

Применение

Стерилизация (для стерилизации продуктов питания, медицинского инструмента).
Медицина (лечение онкологических заболеваний , радиодиагностика).
Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
Радиационная дефектоскопия.
Радиационное сшивание полимеров.
Радиационная очистка топочных газов и сточных вод.

См. также

Детектор частиц

Ссылки

Коломенский Д.Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.
A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин, Эксперимент (Web-публикация)
История, классификация, принцип действия, основные типы современных ускорителей

Wikimedia Foundation . 2010 .

Условие Гельдера
Ускоритель элементарных частиц

Смотреть что такое "Ускорители заряженных частиц" в других словарях:

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… … Физическая энциклопедия

Ускорители заряженных частиц - устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное… … Большая советская энциклопедия

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - установки для получения направл. пучков электронов, протонов, альфа частиц или ионов с энергией от сотен кэВ до сотен ГэВ. В У. з. ч. ускоряемые заряж. частицы увеличивают свою энергию, двигаясь в электрич. поле (статич., индуктированном или… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ГОСТ 22491-87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения - Терминология ГОСТ 22491 87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения оригинал документа: 14. Бетатрон с подмаг ничиванием 15. Резонансный ускоритель Бетатрон с постоянной составляющей индукции магнитного поля Ускоритель… …

ГОСТ 4.477-87: Система показателей качества продукции. Ускорители заряженных частиц промышленного применения. Номенклатура показателей - Терминология ГОСТ 4.477 87: Система показателей качества продукции. Ускорители заряженных частиц промышленного применения. Номенклатура показателей оригинал документа: 3. Базовый образец Ускоритель, выбранный из группы ускорителей, наиболее… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Ускоритель заряженных частиц - Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо инжектор Ускоритель заряженных частиц класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных … Википедия

ускоритель (заряженных частиц) - Электрофизическое устройство, предназначенное для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Примечание Принято, что в ускорителях энергия частиц увеличивается более чем на 0,1 МэВ. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных… …

группирователь заряженных частиц - Устройство, осуществляющее фазовую группировку заряженных частиц. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных частиц EN charged particle buncher … Справочник технического переводчика