Прискорювачі заряджених частинок

Для вивчення структури атомного ядра і природи ядерних сил, здійснення штучних ядерних перетворень потрібно мати частинки (електрони, протони, дейтрони, іони) досить великих енергій, які могли б бути «снарядами» для бомбардування ядер. Тому з розвитком ядерної фізики виникла необхідність у створенні спеціальних уста­новок, що називаються прискорювачами заряджених частинок.

В усіх прискорювачах енергія заряджених частинок зростає внаслідок дії на них електричного поля.

За формою траєкторії руху прискорюваних частинок прискорювачі поділяють на дві основні групи: лінійні і циклічні. За способом розгону частинок прискорювачі можуть бути нерезонансними або резонансними. Розглянемо фізичні принципи, на яких ґрунтується дія прискорювачів.

1. Лінійний прискорювач. У цій установці заряджені частинки приводяться у прискорений прямолінійний рух під дією високої електричної напруги, прикладеної на кінцях або окремих ділянках вакуумної трубки (рис. 3.11. а). На одному кінці трубки міститься джерело заряджених частинок, а на другому – мішень.

Проміжні електроди у вигляді пустотних циліндрів відіграють подвійну роль: забезпечують більш рівномірне падіння потенціалу вздовж трубки і запобігають виникненню розрядів на її кінцях; щілини між електродами фокусують іони ближче до осі трубки (ліву половину щілини, яка фокусує іони проходять довший час, ніж праву – дефокусуючу, рис. 3.11. б). У приско­рювачі такого типу за­ряджені частинки про­ходять електричне поле однократно. Тому поле мусить бути дуже силь­ним. Для цього викори­стовують високовольт­ні генератори.

а) У нерезонанс­ному лінійному прис­корювачі використову­ється електростатич­ний генератор Ван де Граафа (рис. 3.12). Ге­нератор складається з двох сферичних елект­родів, діаметром до 10 м, укріплених на високих ізоляційних (текстолітових) коло­нах. Колони кріпляться на візочках, що дає змогу змінювати відс­тань між електродами. Заряди до електродів переносяться двома нескінченними шовковими або гумовими стрічками і передаються їм через колектори К. Стрічки заряджаються через випрямляч від генератора (до 10 - 20 кВ). Завдяки введенню додаткового колектора К₁ стрічка не тільки приносить певну величину позитивного заряду, а й забирає з електрода такий самий негативний заряд; тому заряд електрода зростає швидше.

За допомогою електростатичних генераторів дістають напругу близько В; обмеження напруги зумовлюється пробивним потенціалом навколишнього газу. Для поліпшення ізоляції електродів і зменшення їх розмірів іноді ці електроди розміщують у камері, наповненій азотом, фреоном або елагазом – SF₆ під тиском до Па.

У циліндричній вакуумній трубці розміщені трубчасті електроди 1, 2, 3,... різної довжини. На них за допомогою шин В₁ і В₂ подається змінна напруга U. Довжини і розміщення електродів підбирають так, щоб напрям електричного поля в щілинах збігався з напрямом руху частинки. Протилежний напрям поля у щілинах має припадати на той час, коли частинка рухається всередині трубчастих електродів. Там поля немає і частинка рухається за інерцією.

Якщо заряд частинки q, то в щілині між електродами вона дістане енергію , а на всіх п щілинах – енергію . Отже, при порівняно невеликій напрузі частинка може дістати значну енергію.

Довжину трубчастих електродів визначають з таких міркувань. Довжина трубки повинна дорівнювати шляху, який частинка проходить за час, що дорівнює півперіоду змінної напруги:

.

З формули кінетичної енергії частинки знаходимо:

; ; ;

довжини електродів мають перебувати у відношенні

З 1965 р. у Харкові діє один з найпотужніших у світі лінійний прискорювач електронів на 2 ГеВ.

Хоча лінійні прискорювачі не можуть надавати частинкам таких великих енергій, які тепер використовуються в атомній фізиці, все ж вони залишаються цінними допоміжними установками в ядерних дослідженнях. У лінійних прискорювачах дістають прискорені частинки строго контрольованої енергії.

2. Циклічні прискорювачі. У циклічних прискорювачах використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів. Електричне поле прискорює частинки, а магнітне поле утримує їх на певній траєкторії і багато разів повертає у поле, яке прискорює. Траєкторією частинки є спіраль або майже замкнена крива. Циклічні прискорювачі дають змогу отримати частинки дуже великих енергій без застосування надвисоких напруг. Розглянемо принцип дії нерезонансних і резонансних циклічних прискорювачів.

а) Бетатрон – нерезонансний циклічний прискорювач. Викори­стовується для прискорення b- частинок (електронів). Теорію бетатрона розробив російський фізик Я.П.Терлецький.

Дія бетатрона ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Як відомо, змінне магнітне поле в будь-якій області простору створює вихрове електричне поле:

,

лінії напруженості якого є замкнені криві, що охоплюють лінії магнітної індукції В (рис. 3.14). Таке вихрове електричне поле використо­вується для прискорення електронів у вакуумній тороїдальній трубці бетат­рона. Звичайно, тороїдальна трубка розміщується між полюсами електромагніту спеціальної форми (рис. 3.15), чим забезпечується стійка колова траєкторія електронів. Електромагніт живиться змінним струмом. Коли магнітне поле починає підсилюватись, у трубку вводять елект­рони; їх підхоплює вихрове електричне поле і розганяє до високих енергій. За один оберт електрон набуває енергію в кілька десятків електрон-вольт. Через чверть періоду магнітне поле досягає максимуму, і прискорення електронів припиняється. За цей час електрони встигають зробити мільйон обертів, проходять шлях в 300 - 400 км і набувають енергію до 300 МеВ. Прискорені електрони спрямовуються на мішень, яка розміщується у трубці.

Максимальна енергія електронів, прискорюваних у бетатроні, може досягти 500 МеВ. Обмеження енергії електронів зумовлюється швидкими витратами енергії на електромагнітне випромінювання. Теорію цього явища розробили російські вчені Л.А.Арцимович та І.Я.Померанчук.

Бетатрон використовується в основному для одержання жорсткого рентгенівського випромінювання. Він не придатний для прискорення важких частинок, бо внаслідок великої маси цих час­тинок прискорення та число обертів їх за час наростання магнітного поля малі.

б) Циклотрон. Для отримання важких частинок великих енергій доводиться прискорювати їх в електричному полі триваліший час. Цього досягають завдяки магнітному полю, яке періодично вводить заряджені частинки у прискорююче електричне поле. Цей процес має резонансний характер. До таких резонансних прискорювачів належать циклотрон, фазотрон, синхротрон і синхрофазотрон.

Циклотрон складається з потужного електромагніту, діаметр полюсів якого досягає кількох метрів. Між полюсами розміщена вакуумна камера, в якій скомпоновано електроди -дуанти 1, 2 у вигляді половин порожнистої металевої коробки (рис. 3.16). Дуанти підключено до генератора Р змінної елект­ричної напруги, між ними в центрі вмонтовано вертикальну трубку, через яку вводяться позитивно заряджені іони.

Розглянемо процес прискорення в циклотроні позитивного іона за схемою, що на рис. 3.16. Нехай магнітне поле, перпендикулярне до площини рисунка, напрямлене до нас, а електричне поле в щілині у момент введення іона спрямоване до дуанта 1. Під дією електричного поля іон набуде прискореного руху і через певний проміжок часу ввійде в дуант 1. На цьому дія електричного поля припиняється. Всередині дуанта під дією магнітного поля іон перейде на колову орбіту в напрямі за рухом годинникової стрілки. Радіус орбіти знайдемо за умови, що тут сила Лоренца відіграє роль доцентрової сили:

. (3.5)

Якщо за час, протягом якого іон в дуанті 1 опише півколо і підійде до щілини, напрям електричного поля зміниться на протилежний, то поле знову буде прискорювати іон. У цьому разі він пройде щілину і ввійде в дуант 2; там опише півколо вже більшого радіуса, бо в щілині його швидкість зросла. Якщо при виході іона з дуанта 2 електричне поле у щілині знову змінить напрям і збігатиметься зі швидкістю іона, останній ще раз прискорюватиметь­ся і т.д.

Щоб забезпечити таку синхронізацію необхідно, щоб період Т₀ змінного електричного поля збігався з періодом Т колового руху іона в дуантах. Визначивши останній з рівняння (3.5), дістанемо умову синхронізації:

. (3.6)

Така суть резонансного циклічного прискорення заряджених частинок. Прискорені частинки за допомогою електрода 3 виводяться з дуантів на мішень 4.

При розмірах полюсів електромагніту і дуантів понад 1,5 м циклотрон дає змогу прискорювати протони, дейтрони, іони гелію до енергії 10 - 20 МеВ.

Можливості циклотрона все ж обмежені, бо при значному збільшенні швидкості частинки її маса за теорією відносності помітно збільшується і рівняння синхронізації (3.6) порушується.

У 1944 р. російський вчений В.І.Векслер і незалежно від нього американський вчений Мак-Міллан відкрили принцип автофазування. Його суть така. З рівняння (3.6) видно, що зростання маси можна компенсувати відповідним збільшенням індукції магнітного поля В. Прискорювач, в якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається синхротроном. У ньому період прискорюючого поля залишається незмінним.

Синхротрон використовується для прискорення електронів при сталому радіусі траєкторії. У ньому електромагніт утворює кільцеву доріжку з проміжками-резонаторами, в яких у потрібний момент спрацьовує сильне електричне поле. Електрони переміщуються у вакуумній тороїдальній камері, розміщеній між полюсами електромагніту.

Спочатку електрони розганяються вихровим електричним полем так само, як у бетатроні. Коли їхня енергія досягає 2 - 3 МеВ, включається високочастотне електричне поле – електрони прискорюються в режимі синхротрона. Електрони можуть подаватися на синхротрон від лінійного прискорювача.

З 1967 р. в Єреванському фізичному інституті працює один з найпотужніших електронних синхротронів, в яких частинки прискорюються до енергії 6 ГеВ. Діаметр його кільцевого електромагніту близько 70 м.

Максимальна енергія електронів у синхротроні обмежується розміром кільцевої доріжки і граничною величиною індукції В магнітного поля.

Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження синхронізації повільно змінюють частоту v_o електричного поля відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Зміна частоти приводить до зміни фази наростання напруженості електричного поля. Прискорювачі, в яких використовується цей метод, називають фазотронами. Фазотрони працюють в імпульсному режимі.

З 1967 р. у Гатчині під Петроградом працює один з найпотужніших фазотронів у світі, що прискорює протони до енергії 750 МеВ. Бомбардування протонами великої енергії будь-якого хімічного елемента дає змогу одержувати нові радіоактивні ізотопи та формувати пучки p- або m- мезонів.

У прискорювачі вперше застосовано варіатори частоти нової конструкції. Протони, досягаючи дедалі більшої енергії завдяки багаторазовому проходженню крізь пристрій, який прискорює, стають важчими і час обертання їх по розгорнутій спіралі зростає. Варіатори безперервно змінюють частоту електричного поля, синхронізуючи її зі швидкістю і масою протонів.

Досконалим прискорювачем є також синхрофазотрон, в якому поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона. Фазотрони, синхротрони і синхрофазотрони – це технічно складні і дорогоцінні установки, потужності їх весь час зростають. У сучасних прискорювачах з окремих магнітних блоків монтується магнітна доріжка значних розмірів. Вздовж доріжки є щілини, в яких синхронно спрацьовує прискорююче електричне поле.

З 1957 р. в Дубні працює синхрофазотрон, який прискорює про­тони і дейтрони до енергії 11 ГеВ. Схему розміщення основних його вузлів показано на рис. 3.17. На ній позначено: 1 – попередній лі­нійний прискорювач протонів, 2 – система введення протонів у синхрофазотрон, 3 – магнітні блоки, 4 – вакуумний насос, 5 – вакуумна камера, 6 – траєкторія прискорюваних частинок, 7 – пристрій для виведення протонів. У прискорювачі застосовано дві прискорюючи системи в двох протилежних прямо­лінійних проміжках між квадрантами електромагні­ту. Це дало змогу знизити частоту коливання потужно­сті генератора вдвоє. У двох інших проміжках розміщені пристрої для введення і ви­ведення протонів. Трива­лість циклу прискорення в синхрофазотроні 3,3 с. За цей час протони здійснюють близько 4,5 мільйонів обертів, проходячи шлях до 900 000 км. Маса електромагніту 36 000 т, максимальна сила струму в обмотках 13 000 А. Це перший у світі прискорювач, який розганяє атомні ядра до релятивістських енергій (швидкість, близька до швидкості світла).

Зауважимо, що частинки з більшим зарядом прискорюються у синхрофазотроні до більших енергій: a- частинки – до 22 ГеВ, а ядра кальцію – до 200 ГеВ.

З 1967 р. поблизу Серпухова працює один з найпотужніших у світі кільцевий синхротрон, який прискорює енергію протонів до 70 ГеВ. У ньому встановлено 120 магнітних блоків, кожний масою близько 240 т; протони рухаються в кільцевій вакуумній камері 1500 м завдовжки. Розгін протонів здійснюють 54 прискорюючи станції, розміщені рівномірно по колу між блоками електромагнітів.

У пошуках підвищення ефективності досліджень, виникла ідея реалізувати зіткнення елементарних частинок методом зустрічних пучків. У такий спосіб можна всі частинки високих енергій витрачати на зіткнення. При цьому енергія зіткнення збільшується в чотири рази порівняно з актом нерухомої мішені. Підкреслимо; в чотири рази, а не в два; при швидкостях, близьких до світлових, ефект зустрічного руху в багато разів більший.

З 1965 р. у Новосибірську і Стенфорді (США) проводяться експерименти з розсіювання електронів на електронах в установках, що дають зустрічні пучки. Установка ніби компонує два циклічних прискорювачі з протилежними напрямками рухів частинок (вісімка). Одночасно сибірські вчені ввели в дію першу в світі електрон-позитронну установку на зустрічних пучках. Її максимальна енергія 700 МеВ; вона здатна утворювати пари навіть таких важких частинок, як К- мезони.

Принципово нову ідею прискорення позитивно заряджених іонів висунув В.І.Векслер у 1956 р. Основним елементом процесу прискорення, за цим методом, є згусток електронів, в який вводиться деяка кількість позитивних іонів. Під час прискорення такого комбінованого згустку іони, як більш масивні частинки, повинні бу­ли б відставати від електронного згустку. Проте згусток завдяки силам притягання втягуватиме за собою іони. При достатній кількості електронів у згустку сила притягання між електронами і іонами може стати достатньою для подолання інертності і надання іонам прискорення та швидкості, однакової зі швидкістю електронів.

За таких умов при однакових швидкостях іонів і електронів енергія, набута іонами, буде у стільки разів більша від енергії електронів, у скільки разів вони важчі від електронів. Це означає, що під час прискорення згустку частинок у зовнішньому електричному полі на іон, що перебуває всередині електронного згустку, діє поле у стільки ж разів сильніше від зовнішнього.

Поиск по сайту: