Прискорювачі елементарних частинок

Размещено на http://allbest.ru

Прискорювачі елементарних частинок

1.Фізичні основи побудови прискорювачів елементарних частинок

У сучасних ядерних дослідженнях основними джерелами частинок високих енергій є прискорювачі, в яких дістають пучки електронів, протонів, б-частинок і важких іонів, а також зустрічні пучки електронів та позитронів і зустрічні пучки протонів та антипротонів. При бомбардуванні мішені частинками цих пучків внаслідок ядерних перетворень утворюються інші частинки. Якщо таких частинок достатньо і вони піддаються керуванню, то з них формують вторинні пучки нових частинок (піонів, каонів та ін.). Збільшення енергії заряджених частинок у прискорювачах відбувається внаслідок дії на них електричного поля. За способом розгону частинок прискорювачі можуть бути нерезонансними або резонансними. За формою траєкторії руху прискорюваних частинок прискорювачі поділяють на лінійні і циклічні.

Прискорювачі - це досить складні установки. За обладнанням і принципом дії вони відносяться до фізичної електротехніки і радіотехніки надвисоких частот. Роль прискорювачів у ядерній фізиці і особливо у фізиці елементарних частинок вирішальна. Крім застосування у фізиці, прискорювачі широко використовуються в хімії, біофізиці, геофізиці, медицині та в багатьох інших галузях науки і техніки.

Розглянемо фізичні основи, на яких грунтується дія прискорювачів.

Перш за все слід відмітити що прискорювачі елементарних частинок поділяються за принципом дії на:

· високовольтні прискорювачі (прискорення в постійному, електричному полі);

· індукційні прискорювачі (прискорення у вихрових електричних полях, виникаючих при зміні магнітної індукції);

· резонансні прискорювачі, в яких для прискорення використовуються високочастотні електромагнітні поля.

Сучасні прискорювачі поділяються на два великих класи: лінійні прискорювачі та циклічні прискорювачі.

Лінійні резонансні прискорювачі

У найпростішому лінійному прискорювачі заряджені частинки приводяться в прискорений прямолінійний рух під дією високої електричної напруги, прикладеної на кінцях або окремих ділянках вакуумної трубки (рис.1). У прискорювачах такого типу заряджені частинки проходять електричне поле однократно. Тому електричне поле має бути досить сильним. Для його створення використовують високовольтні генератори (електростатичний генератор Ван-де-Граафа, імпульсний генератор, каскадний генератор сталості напруги). Такі лінійні прискорювачі є нерезонансними.

Рис. 1.

Рис. 2.

У лінійних резонансних прискорювачах використовується високочастотна змінна напруга, а рух частинки синхронізується із змінами напруги. У циліндричній вакуумній трубці розташовано трубчасті електроди 1,2,3 ... (рис. 2). Ці електроди з'єднані через один між собою, і на них подається змінна напруга. Лінійні резонансні прискорювачі протонів застосовуються в основному як перший ступінь прискорення (інжектори) у циклічних прискорювачах.

Лінійні резонансні прискорювачі електронів істотно відрізняються від протонних. Для прискорення електронів застосовують так звані «прискорювачі з біжучою хвилею». У них електрон весь час перебуває біля гребеня такої хвилі і безперервно прискорюється. Незважаючи на те що лінійні прискорювачі не можуть надавати частинкам таких великих енергій, які тепер використовуються в атомній фізиці, вони поки що залишаються важливими. установками в ядерних дослідженнях.

Циклічні прискорювачі

У циклічних прискорювачах використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів. В них частинки рухаються по колових або спіральних траєкторіях. Електричне поле прискорює частинки, а магнітне утримує їх на траєкторії і багато разів повертає у прискорююче поле. Циклічні прискорювачі, як і лінійні, поділяються на нерезонансні і резонансні.

До нерезонансних циклічних прискорювачів належить бетатрон, який використовується для прискорення в-частинок (електронів).

Залежно від характеру прискорюючого поля і керуючого магнітного поля циклічні резонансні прискорювачі поділяють на циклотрони, фазотрони, синхротрони та синхрофазотрони.

У 1944-1945 рр. радянський вчений В. І. Векслер і незалежно від нього американський вчений Е. Макміллан відкрили досить важливе фізичне явище, яке було названо механізмом автофазування. Він діє у резонансних прискорювачах і дає змогу досягнути також і релятивістських енергій.



Рис. 3.

Механізм автофазування полягає в тому, що при досить повільній зміні з часом частоти прискорюючого поля щ₂ (t) і середнього значення індукції магнітного поля (t) енергія частинки автоматично набирає значення, близьке до резонансного. Для з'ясування принципу автофазування, як приклад, розглянемо прискорювач з однорідним магнітним полем, прискорююча напруга якого змінюється за законом косинуса. Нехай ц_{0 -} «рівноважна фаза», тобто фаза частинки, що перебуває в резонансі з прискорюючим полем. Якщо частинка випадково потрапляє у фазу ц₁>ц₀, то вона дістає енергію меншу, ніж при ц=ц₀ (рис.3), період ЇЇ обертання відповідно до (*) зменшиться, частинка відставатиме по фазі, тобто ЇЇ фаза наближатиметься до рівноважної фази ц₀. Навпаки, частинка, яка відстала (ц₂ < ц₀), дістає більшу енергію, ніж при ц= ц₀, її період збільшується, вона прийде до щілини між прискорюючими електродами пізніше і, отже, наблизиться до рівноважної частинки. Відкриття принципу автофазування привело до створення нових типів циклічних резонансних прискорювачів.

Як зазначалось, при зростанні енергії прискорюваної частинки рівняння синхронізації порушується і наступне прискорення частинки припиняється. Відповідно для збільшення енергії частинки у прискорювачі при збереженні синхронізації необхідно нарощувати магнітне поле. Прискорювач, в якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається синхротроном. У таких прискорювачах частота прискорюючого поля щ₂ стала. Синхротрон використовується для прискорення електронів.

Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження синхронізації повільно змінюють частоту прискорюючого електричного поля щ₂ відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Такий прискорювач називають фазотроном. Він працює в імпульсному режимі і використовується для прискорення протонів та іонів. Прискорювач, в якому поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона, називають синхрофазотроном.

Максимальна енергія протонів, досягнута на синхрофазотроні (США) ,- 500 ГеВ, в ЦЕРН (Швейцарія) - 450 ГеВ. У СРСР біля Серпухова працює синхрофазотрон з енергією протонів 76 ГеВ.

Всі нейтральні частинки, у тому числі і нейтрони, неможливо прискорювати і фокусувати електромагнітними полями. Такі частинки утворюються тільки під час ядерних реакцій. Джерела нейтронів поділяють на три групи: джерела, в яких нейтрони виникають внаслідок радіоактивних випромінювань, джерела, в яких нейтрони створюються частинками, що вилітають з прискорювачів; ядерні реактори.

Для дослідження взаємодії одних частинок з іншими перші направляють у вигляді пучка частинок певних енергій на інші, які знаходяться в спеціальних пристроях, їх називають мішенями. Дослідженню підлягають частинки, які вилітають з мішені. Мішені можуть бути розміщені як всередині камери прискорювача, так і за її межами. Часто мішенню є робоча речовина самого детектора.

2.Генератор Кокрофта-Уолтона та Ван-де-Граафа

Оскільки прискорення в прискорювачах елементарних частинок досягається за допомогою електричного поля, то для їх роботи необхідні генератори електричного поля. Найвідомішими з генераторів такого типу є генератори Кокрофта-Уолтона та Ван-де-Граафа.

1). Генератор Кокрофта-Уолтона, або каскадний помножувач являє собою електричну схему, що генерує високу постійну напругу з низької змінної або імпульсної напруги.

Генератор названий на честь двох фізиків -- Джона Дугласа Кокрофта і Ернеста Томаса Синтона Уолтона, які у 1932 році використали цю схему для живлення прискорювача частинок, за допомогою якого було проведено перший в історії штучний розпад атомного ядра. Вони використовували цей каскадний помножувач напруги в дослідженнях, за які у 1951 році отримали Нобелівську премію з фізики за «Трансмутацію атомних ядер штучно прискореними атомними частинками».

Генератори такого типу і досі використовуються у прискорювачах частинок, а також знайшли нове застосування у багатьох повсякденних електронних пристроях, які вимагають високої напруги, такими є рентгенівські апарати, телевізори і копіювальні апарати.

Рис. 4. Схема простого двокаскадного помножувача

Схема генератора складається з увімкнених у вигляді драбини конденсаторів і діодів для генерації високої напруги. На відміну від трансформаторів, такий перетворювач не вимагає важкого осердя і надійної ізоляції, оскільки напруги на всіх ступенях рівні. Використовуючи лише конденсатори і діоди, генератори такого типу можуть перетворювати відносно низькі напруги до надзвичайно високих значень, будучи в той же час набагато легшими і дешевшими за трансформатори. Найбільшою перевагою таких схем є можливість зняття напруги на будь-якій стадії схеми, подібно до багатовідвідного трансформатора. Промисловість випускає дуже широкий асортимент модульних «помножувачів напруги» з наперед заданими параметрами, без яких не обходяться більшість пристроїв з ЕПТ. Розрахунок характеристик такого каскадного помножувача проводиться за формулами:

На практиці помножувач Кокрофта-Уолтона має ряд недоліків. При збільшенні кількості секцій, напруга на останніх секціях буде нижча очікуваної, в першу чергу через електричний опір конденсаторів у нижніх секціях. Також, живлення помножувача безпосередньо напругою промислової частоти є практично неможливим, так як в цьому випадку необхідні конденсатори великої ємності для згладжування пульсацій, що сильно погіршує габаритні показники пристрою. Зазвичай на вхід подається напруга з виходу високочастотного трансформатора або інвертора, і підвищується до потрібної величини генератором Кокрофта-Уолтона. Існують помножувачі Кокрофта-Уолтона на напруги від декількох вольт до декількох мегавольт.

2). Електростатичний генератор Ван де Граафа -- прискорювач заряджених частинок, генератор високої напруги, в якому для створення високої постійної напруги використовуються електризація тертям. Таким методом можна досягнути напруги до кількох мегавольт. Значення напруги обмежене виникненням коронного розряду між сферичними електродами. Відповідно, енергія прискорених частинок обмежена кількома МеВ на одиницю заряду.

Електростатичний генератор був винайдений в 1929 році в Прінстонському університеті американським фізиком Робертом ван де Граафом. Спочатку він інтенсивно використовувався в ядерній фізиці для вивчення ядерних реакцій, але доволі швидко інтерес фізиків змістився в бік вищих енергій, і генератор ван де Граафа втратив своє значення для переднього фронту ядерної фізики, хоча знайшов широке прикладне використання у фізиці твердого тіла, як прилад, що дозволяє вивчати приповерхневі шари речовини, проводити йонну імплантацію тощо.

Простий генератор Ван де Граафа складається з діелектричної (шовкової або гумової) стрічки (4 і 5 на малюнку 5), що обертається на роликах 3 і 6, причому верхній ролик діелектричний, а нижній металевий і з'єднаний з землею. Один з кінців стрічки укладений у металеву сферу 1. Два електроди 2 і 7 у формі щіток знаходяться на невеликій відстані від стрічки зверху і знизу, причому електрод 2 з'єднаний з внутрішньою поверхнею сфери 1. Поблизу нижнього електрода повітря іонізується, утворюються позитивні іони під дією сили Кулона рухаються до заземленого 6 ролика й осідають на стрічці, завдяки чому частина стрічки, що рухається вгору, заряджається. Стрічка доставляє заряд всередину сфери 1, де він знімається щіткою 2 завдяки тому, що всі заряди виштовхуються на поверхню сфери і поле всередині сфери створюється тільки додатковим зарядом на стрічці. Таким чином на зовнішній поверхні сфери накопичується електричний заряд. Можливість отримання високої напруги обмежена коронним розрядом, що виникають при іонізації повітря навколо сфери. Основний принцип роботи генератора випливає з законів розподілення заряду в провідниках. Заряд концентрується на зовнішній поверхні сфери. В середині сфери заряд відсутній. Саме це допомагає стікати заряду з електризованої стрічки і накопичувати його на сфері. Тому генератор може працювати і без заземлення та додаткових джерел енергії. Стрічка може електризуватись від тертя, потім віддавати заряд сфері. Звідси і різниця потенціалів на стрічці, яка піднімається до сфери і опускається від неї, та на відповідних електродах.



Рис. 5. Схема генератора.

Сучасні генератори Ван де Граафа замість стрічок використовують ланцюги, що складаються з металевих і пластикових ланок, що чергуються між собою.

Промислові електростатичні генератори дають струм до 100 мкА. Пучки іонів добре колімовані, енергія на виході може бути стабілізована з точністю до 10 кеВ.

Для підвищення енергії прискорених частинок удвічі використовуються танденмні генератори. В них зараджений позитивно сферичний електрод (кондуктор) розташований посередині резервура з високим тиском. Використовується джерело від'ємно заряджених іонів. Ці іони прискорюються, рухаючись із далекого кінця резервуара до додатньо зарядженого кондуктора. На кондукторі вони обдираються, втрачаючи електрони й перетворюючись на додатньо зарадяжені йони. Для обдирання негативних іонів їх пропускають через металічну фольгу або через канал з високою густиною газу. Утворені позитивні йони прискорюються ще раз, рухаючись до негативно зарядженого електрода.

3.Циклотрон

Яскравим прикладом циклічних прискорювачів є Циклотрон. Перша конструкція циклотрона була запропонована Е. Лоуренсом в 1932 році, і тоді ж йому вдалося отримати потік дейтронів з енергією 6 МеВ і силою струму до 25 мкА.

Циклотрон - циклічний резонансний прискорювач важких частинок (протонів, іонів), що працює при постійному в часі магнітному полі та при постійній частоті прискорюючого високочастотного електричного поля. Слід розрізняти звичайні циклотрони, у яких індукція магнітного поля не залежить від азимута, і циклотрони з азимутальною варіацією магнітного поля, які називаються ізохронними циклотронами.

Конструкційна схема циклотрона зображена на рис. 6: а - вертикальний і б-горизонтальний розрізи. Магнітне поле в зазорі між полюсами 2 збуджується котушками 3, через які пропускається постійний електричний струм. В цьому зазорі розташовується високовакуумна камера 4. Рухаючись в цій камері, частинки переходять з одного дуанта (електрода, збуджуваного ВЧ-напругою) в інший, а потім знову в перший і т. д. Прискорююче електричне поле діє на частинки лише в той час, коли вони переходять з дуанта в дуант. У цей момент поле повинно мати потрібний напрямок і достатню величину (резонансне прискорення).

Рис. 6. Схема циклотрона: а - вид збоку; б-вид зверху; 1-ярмо електромагніту; 2-полюса електромагніта; 3-котушки, що збуджують магнітне поле; 4-вакуумна камера; 5 - прискорюючі електроди (дуанти).

Розглянемо рух частинок у вакуумній камері циклотрона у відсутності прискорюючої напруги. Траєкторії частинок, що рухаються по азимуту, в постійному вертикальному магнітному полі мають вигляд, близький до горизонтально розташованих кіл. Необхідне для такого руху доцентрове прискорення створює сила Лоренца. Для частинки, що рухається в циклотроні, справедливі наступні співвідношення:

(3.1, 3.2)

де В-індукція магн. поля, с - швидкість світла, Ze - заряд частинки, r - радіус її траєкторії, m₀ - маса спокою частинки, р - імпульс, щ - частота її повернення в циклотрон, г - її релятивістський фактор.

Формули (3.1) і (3.2) показують, що при постійній індукції В частота повернення нерелятивістських частинок в циклотрон не залежить від їх енергії, а радіус траєкторії пропорційний імпульсу. Тому траєкторії прискорюваних частинок являють собою не кола, а спіралі, які розкручуються. Частота прискорюючого поля постійна і дорівнює (або кратна) частоті обертання частинок у вакуумній камері.

Незмінність магнітного поля і частоти прискорюючої напруги роблять можливим безперервний режим прискорення, в той час як одні частинки рухаються по зовнішніх витках спіралі, інші знаходяться на середині шляху, а треті тільки починають рух (частки інжектуються у вакуумну камеру циклотрона біля її центру); радіус інжекції залежить від імпульсу, який набувають частинки в йонному джерелі або на шляху від джерела до дуанту.

Прискорювані частинки заповнюють спіральну траєкторію не суцільно. Зайнятими виявляються лише ті її ділянки, які відповідають частинкам, що приходять в зазор при прискорюючому напрямку електричного ВЧ-поля. Тому пучок прискорюваних частинок розпадається на ланцюжок слідуючих одна за одною груп частинок.

При значному прискоренні частинок, коли відбувається релятивістське збільшення маси (g>1). частота обертання частинок починає падати, і вони виходять із синхронізму з прискорюючим полем. В такому випадку режим прискорення частинок змінюється їх гальмуванням, і їх подальше прискорення стає неможливим. Цього ефекту можна уникнути, якщо із збільшенням енергії (маси) частинки, тобто зі збільшенням радіуса її орбіти, збільшувати індукцію поля В. Але для циклотрона з азимутально-симетричним полем це веде до появи нестійкості вертикального руху прискорюваних частинок.

При стійкому русі всяке відхилення параметрів руху частинок від рівноважних значень повинно супроводжуватися виникненням ефектів, які прагнуть повернути ці параметри до рівноважних, так що частинки виконують коливання близько рівноважних значень. Прийнято розрізняти стійкість поперечних коливань (коливань по висоті і по радіусу) і стійкість поздовжнього руху (радіально-фазові коливання).

Можна показати, що в азимутально-симетричному полі вертикальний рух виявляється стійким лише в тому випадку, якщо індукція магнітного поля не зростає, а зменшується з радіусом. Зазвичай таке поле і створюється. Складаючись з релятивістським збільшенням маси, цей ефект накладає додаткове обмеження на максимальної енергії прискорюваних частинок. У циклотронах, що використовуються для прискорення протонів, максимально досяжна енергія лежить в межах 30 МеВ.

Збільшити енергію, яку можуть досягти частинки, що прискорюються в циклотроні можливо двома способами. Можна відмовитися від сталості частоти прискорюючої напруги, знижуючи її, по мірі того як падає частота обертання частинок. Такі прискорювачі називаються фазотронами . При змінній в часі частоті стає неможливим описаний вище режим прискорення, коли в прискорювачі співіснують частинки, що знаходяться на різних стадіях процесу прискорення. Частота прискорюючого поля при цьому відповідає прискоренню одного або групи близько розташованих банчів (згустків частинок, що рухються з визначеним інтервалом(частотою)). Tаким чином, збільшення максимально досяжної енергії частинок в фазотроні відбувається за рахунок істотного зниження інтенсивності.

Інший шлях досягнення максимальної енергії полягає у відмові від азимутальної симетрії магнітного поля. У таких прискорювачах частинки позмінно перетинають області, в яких поле зі збільшенням радіуса зростає і зменшується. При правильному виборі параметрів у результаті такого руху з'являється вертикальна стійкість навіть при збільшенні з радіусом середньої індукції магнітного поля. Прискорювачі, побудовані за цим принципом, називаються ізохронними циклотронами . Ізохронні циклотрони працюють при постійній частоті прискорюючого поля і тому здатні видавати великі струми прискорених частинок. Азимутальна зміна магнітного поля, поєднана з радіальним, вимагає магнітних полюсів складної форми. Полюси ізохронних циклотронів зазвичай складаються з декількох секторів або забезпечуються спіралеподібними гребенями.

Зовнішній вигляд одного з сучасних циклотронів, працює в Інституті ядерних досліджень, представлений на рис. 7. Він може прискорювати як протони, так і іони (до неону включно). На зовнішньому витку спіралі енергія протонів становить 35 МеВ. Середній струм прискорених протонів 30 мкА. Потужність прискореного пучка складає ~ 1 кВт. Магнітне ярмо циклотрона важить 300 т, вага котушок збудження ~ 70 т, діаметр магнітних полюсів 150 см, споживана від мережі потужність ~ 180 кВт. Габаритні розміри циклотрона 813 м² в плані і 4,5м по висоті.

Рис. 7. Зовнішній вигляд циклотрона в Інституті ядерних досліджень на 35 МеВ по протонах.

4.Бетатрон. Лінійні прискорювачі

прискорювач циклотрон генератор

У 1922 Дж. Слепян запатентував прискорювач, який використовує вихрове магнітне поле -- бетатрон. У 1928 P. Відерое сформулював умови існування рівноважної орбіти, тобто орбіти постійного радіуса (т. зв. умова Відерое). Однак перший діючий бетатрон був створений лише в 1940 Д. Керстом на основі розробленої ним (спільно з P. Сербером) теорії руху електронів у бетатроні і ретельного відпрацювання конструкції прискорювача.

Бетатроном називається циклічний індукційний прискорювач електронів, у якому енергія частинок збільшується за рахунок вихрового електричного поля, створюваного змінним магнітним потоком, пронизуючим орбіту частинок.

Змінний центральний магнітний потік створює в бетатроні вихрову ЕРС індукції, що прискорює електрони. Утримання прискорюваних електронів на рівноважній круговій орбіті здійснюється ведучим (керуючим) магнітним полем, належним чином мінливим у часі, Радіус r миттєвої орбіти, по якій повертається в момент часу t електрон з імпульсом р в азимутально-симетричному магнітному полі, дорівнює:

(4.1)

де В(r, t) - магнітна індукція поля, е - величина заряду електрона. Для рівноважної орбіти (r=R=const) потрібно, щоб імпульс р змінювався в часі пропорційно утримуючому полю: . Tак як швидкість зміни імпульсу визначається напруженістю прискорюючого електричного поля E на орбіті, рівного за законом електромагнітної індукції E=(Ф - потік магнітної індукції через орбіту, -середнє значення магнітного поля всередині орбіти радіуса r), то для рівноважної орбіти виконується співвідношення:

(4.2)

Його інтегрування дає нам:

(4.3)

Зокрема, при синхронній зміні В_ср (t) і B(t), що найбільш просто реалізується практично, умова сталості радіуса орбіти приймає вигляд:

В_ср(t) = 2В(t) (4.4)

Ця умова називається бетатронною умовою, умовою Відерое або "умовою 2 : 1". Частинка, інжектована в прискорювач на рівноважному радіусі з імпульсом, що визначається співвідношенням (4.1) (т. зв. рівноважна частинка), у процесі прискорення буде безперервно повертатися по орбіті постійного радіуса. Для частинки, інжектованої з іншим початковим імпульсом, миттєва орбіта буде іншою, однак в процесі прискорення вона стане повільно наближатися до рівноважної. Можна показати, що її відстань від рівноважної буде зменшуватися обернено пропорційно В.

Для стійкості рівноважної орбіти необхідно, щоб магнітне поле бетатрона, що утримує електрони на орбіті, злегка спадало по радіусу: коефіцієнт спадання п магнітного поля по радіусу, обумовлений співвідношенням

(4.6)

повинен знаходитися в межах: 0 < р < 1.

Насправді, щоб уникнути резонансного розгойдування частинок гармоніками магнітного поля та інших резонансних явищ, він повинен бути зафіксований у ще більш жорстких межах; n~0,6-0,7. Необхідний спад магнітного поля і його однорідність по азимуту досягаються за допомогою спеціального профілювання магнітних полюсів, які формують керуюче магнітне поле, і додаткових компенсуючих обмоток, що регулюють азимутальну варіацію поля.

В процесі прискорення, амплітуди коливань частинок близько миттєвої орбіти (тобто бетатронних коливань) зменшуються обернено пропорційно (тобто для бетатрона обернено пропорційно ), так що прискорюваний потік електронів зосереджується поблизу рівноважної орбіти. Типова схема бетатрона показана на рис. 8. Електромагніт змінного струму створює змінний магнітний потік між осердями 1 і керуюче магнітне поле в зазорі між профільованими полюсними наконечниками 2.

Рис. 8. Схематичний розріз бетатрона: 1 - центральне осердя; 2 - полюсні наконечники; 3 - кільцевий переріз вакуумної камери; 4 - ярмо магніту; 5 - обмотки електромагніту.

Осердя електромагніта виконане з тонкого листового ("трансформаторного") заліза для зменшення в ньому вихрових струмів. Інжектором служить електронна гармата, що розташовується поблизу вакуумної камери 3 та періодично випускає електрони приблизно по дотичній до рівноважної орбіти в той момент, коли значення керуючого магнітного поля відповідає імпульсу електронів які інжектуються.

Магнітне поле змінюється періодично (рис. 9, а), прискорення проводиться на ділянці (t_н, t_к) зростання керуючого магнітного поля. В кінці циклу прискорення за допомогою спеціальної обмотки "зміщення" порушують співвідношення, що забезпечує сталість радіуса орбіти. Пучок відхиляється від рівноважної орбіти і може бути виведений з прискорюючої камери, або спрямований на мішень, розташовану всередині камери далеко від рівноважної орбіти.

У більшості бетатронів керуюче поле та індукуючий потік змінюються синхронно (рис. 9, а). При цьому магнітне поле на орбіті не може перевищувати половини максимального поля В_макс, обумовленого насиченням заліза. Щоб уникнути цього обмеження, в деяких установках застосовано так зване підмагнічування: згідно з співвідношенням (4.3) в керуюче поле за допомогою додаткової обмотки вводиться постійна складова В₀ (рис. 9, б), що дозволяє майже подвоїти його максимальне значення.

Бетатронний режим прискорення застосовується також на невеликих синхротронах для попереднього прискорення частинок до релятивістських енергій.

Завдяки простоті конструкції, дешевизні і зручності користування бетатрони отримали особливо широке застосування в прикладних цілях в діапазоні енергій 20 - 50 МеВ. Використовується або безпосередньо пучок прискорених електронів, або викликане ним при попаданні на мішень гальмівне випромінювання .

Рис. 9. Зміна магнітного поля в бетатроні без підмагнічування (а) і з підмагнічуванням (б). В - керуючий магнітне коло; В_ср - середнє поле всередині орбіти; В₀-постійна складова керуючого поля; t_н і t_к - початковий і кінцевий моменти часу циклу прискорення.

Перевагою бетатрона перед іншими джерелами g-випромінювання є простота поводження з ним, можливість плавного регулювання енергії, дуже малі розміри джерела випромінювання. У промисловості бетатрони використовуються головним чином для радіаційної дефектоскопії матеріалів і виробів та швидкісній рентгенографії (при дослідженні швидко протікаючих процесів всередині закритих об'ємів), в медицині - для радіаційної терапії.

Розроблені різні модифікації бетатронів: двокамерні (стереобетатрони), що дають два промені, що перетинаються в заданому місці поза бетатроном; з постійним у часі магнітним полем (типу магнітного поля в секторних фазотронах і циклотронах ),перевагою яких є істотне збільшення часу захоплення в режим прискорення. Для підвищення інтенсивності прискореного пучка в бетатронах пропонувалися також більш ефективні методи фокусування (жорсткого фокусування, фокусування поздовжнім магнітним полем, газове фокусування та ін).

ЛІНІЙНІ ПРИСКОРЮВАЧІ

Лінійні прискорювачі представляють собою прискорювачі заряджених частинок, в яких траєкторії частинок близькі до прямих ліній. Вони утворюють чотири відокремлені групи:

· високовольтні прискорювачі,

· лінійні індукційні прискорювачі,

· лінійні резонансні прискорювачі,

· колективні прискорювачі.

Широкий розвиток лінійних прискорювачів пов'язано з рядом їх переваг перед циклічними прискорювачами: можливостями отримання пучків прискорених частинок підвищеної інтенсивності та високої щільності, простотою виведення пучка, практично відсутністю гальмівного випромінювання частинок.

Незважаючи на розбіжності у схемах побудови у всіх лінійних прискорювачів у зв'язку з одноразовим проходженням заряджених частинок через прискорюючі зазори застосовують сильні прискорюючі поля. Це призводить до необхідності використання потужних генераторів для створення прискорюючих полів, тим самим обмежуючи застосування лінійних прискорювачів для прискорення важких частинок (протонів і іонів) в області високих енергій (>1-2 ГеВ), де більш вигідно застосовувати циклічні прискорювачі. В останньому випадку лінійні прискорювачі важких частинок використовуються як інжектори-передприскорювачі.

Лінійні прискорювачі використовуються як для фундаментальних фізичних досліджень, так і в прикладних цілях (в медицині, у дефектоскопії, матеріалознавстві, для іонної імплантації, при радіаційно-хімічній обробці матеріалів, стерилізації продуктів тощо). Особливо широко поширені лінійні прискорювачі електронів.

Лінійний індукційний прискорювач - прискорювач в якому для прискорення використовується ЕРС індукції, що виникає при зміні в часі магнітного потоку, що охоплює прямолінійні траєкторії частинок. Прискорююче поле в індукційному лінійному прискорювачі за час прольоту частинок істотно не змінюється. Принцип дії прискорювача легко зрозуміти на прикладі спрощеної схеми, показаної на рис. 10. Уздовж осі прискорювача встановлені феромагнітні кільця (індуктори) 1, охоплювані струмовими обмотками 2. На індукторі розміщені також вторинні витки 3 з розривами - прискорюючими зазорами. При подачі на обмотки 2 імпульсу напруги u_ген в індуктор відбувається зміна магнітного потоку, яке за законом електромагнітної індукції створює в прискорюючих зазорах електричну напругу

де S - площа перерізу осердя, dB/dt - швидкість зміни магнітної індукції. Для забезпечення моноенергетичності прискорених частинок в пучку протягом часу прискорення t необхідно підтримувати лінійну в часі зміну індукції. В цьому випадку

де - сумарна зміна потоку індукціії в осерді. Частинка з зарядом q (для електронів і протонів де е - елементарний електричний заряд), що пройшла N прискорюючих зазорів, отримає приріст енергії (в еВ)

Величина являє собою швидкість зміни повного магнітного потоку, зчепленого з траєкторією зарядженої частинки при проходженні нею всього ланцюга індукторів. Вона чисельно дорівнює сумі напруг прискорюючих зазорів. Якщо довжину прискорювача позначити через L_у, то середнє по довжині прискорююче поле, що характеризує темп прискорення частинок, буде дорівнювати

Для створення сильних полів (близько 0,2-1 МВ/м) при збереженні прийнятних габаритів індукторів тривалість циклу прискорення не повинна перевищувати декількох мікросекунд. При тривалості імпульсу менше десятків наносекунд втрати енергії на перемагнічування досягають значень, при яких використання осердя стає малоефективним. В цьому випадку застосовують беззалізні індукційні лінійні прискорювачі. У них, як правило, прискорюються пучки з дуже великими струмами (до декількох МА).

Рис. 10. Спрощена схема лінійного індукційного прискорювача (розріз): 1 - феромагнітні індуктори; 2 - обмотка збудження магнітного потоку; 3 - вторинні витки з прискорюючими зазорами; u_y - прискорююча напруга (ЕРС індукції); АВ - траєкторія прискорюваної частинки; 4 - клеми генератора імпульсної напруги; О - отвори для проходу пучка.

Сучасні індукційні лінійні прискорювачі складаються з кількох секцій, кожна з яких містить декілька індукторів, паралельно з'єднаних з імпульсним генератором. Прискорюючий тракт об'єднаний прискорювальною трубкою, всередині якої підтримується високий вакуум. Секція разом з імпульсним генератором становить модуль, а сам прискорювач являє собою набір модулів, кількість яких визначається заданою енергією частинок. У прискорювачах, індукційна секція яких знаходиться в повітрі, напруженість E₀ лежить в межах від 0,2 МВ/м до 0,75 МВ/м. Подальше підвищення Е₀ обмежене поверхневою електричною стійкістю прискорювальної трубки. У разі розміщення індукційної секції в спеціальному ізолюючому середовищі (наприклад, у фреоні під тиском) значення Е₀ досягають 1 МВ/м. При сучасному стані техніки індукційні лінійні прискорювачі можуть мати великі середні і імпульсні потужності в пучку (10-100 МВт), хоча середня потужність в пучку діючих прискорювачів порівняно невелика (5-200 кВт). При великій потужності пучка важливою характеристикою індукційного лінійного прискорювача є ККД індукційної системи, який підвищується із збільшенням інтенсивності пучка.

Для фокусування потужнострумових електронних пучків використовуються поздовжні магнітні поля, створювані соленоїдами. У деяких випадках при прискоренні (М пучків електронів великої інтенсивності їх об'ємний заряд на початковій ділянці компенсують іонами плазми, що утворюється за рахунок іонізації газу. У цьому випадку прискорювач називається плазмовим індукційним лінійним прискорювачем.

До достоїнств таких прискорювачів відноситься можливість прискорення потужнострумових імпульсних пучків з порівняно високими значеннями ККД і частотами повторення імпульсів, до недоліків - малі тривалості імпульсів і невисокий темп прискорення.

Хоча принцип прискорення не містить обмежень на тип частинок, які можна прискорювати, всі діючі індукційні лінійні прискорювачі є прискорювачами електронів. Вони застосовуються як джерела інтенсивних електронних пучків в установках для колективного прискорення іонів і для досліджень прикладного характеру (в т. ч. для термоядерного синтезу, у радіаційній хімії, тощо).

Лінійний резонансний прискорювач - це лінійний прискорювач, у якому частинки прискорюються високочастотним електричним полем, рухаючись в резонансі із змінами поля. Залежно від способу реалізації принципу резонансного прискорення розрізняють два типи резонансних лінійних прискорювачів: із біжучими і стоячими хвилями.

Рис. 11. Прискорення на біжучій хвилі: 1 - діафрагмований хвилевід; 2 - прискорюваний згусток заряджених частинок. Стрілками показаний розподіл напруженості електричного поля Е, яке біжить вздовж хвилеводу.

Рис. 12. Фазові коливання на біжучій хвилі: 1 - положення рівноважної частинки; 2 і 3 - нерівноважні частинки.

В прискорювачі з біжучою хвилею умова синхронізму виконується, якщо заряджені частинки рухаються на гребені електромагнітної хвилі, яка поширюється вздовж осі прискорювача з фазовою швидкістю досить близькою до швидкості переміщення заряджених частинок Цю умову зазвичай записують для безрозмірних величин у вигляді:

де =v_B/c і Для створення напрямленої електромагнітної біжучої хвилі застосовують хвилеводи, які закінчуються узгодженим навантаженням. Але оскільки фазова швидкість хвилі в хвилеводі з гладкими стінками більша швидкості світла, то його періодично (по довжині) навантажують, встановлюючи, всередині хвилеводу металеві діафрагми з отворами (рис. 11). Зміною геометрії діафрагм вздовж хвилеводу досягають необхідної залежності швидкості хвилі від поздовжньої координати у відповідності з умовою синхронізму (4). При прискоренні частинок в інтервалі енергій, при яких швидкість частинок помітно відрізняється від швидкості світла, для дії механізму автофазування фаза ідеальної (рівноважної) частинки ф_р повинна бути випереджальною у просторі по відношенню до гребеня біжучої хвилі (рис. 12). У цьому випадку рівноважна частинка з зарядом q на довжині прискорювача буде отримувати приріст енергії

де Е₀ - амплітуда прискорюючого поля, усереднена по довжині прискорювача. Інші частинки, які захоплені в прискорення, але прийшли з фазою відмінною від будуть здійснювати коливання біля рівноважної частинки, в середньому набираючи приблизно рівну з нею енергію. В інтервалі енергій, де механізм автофазування перестає діяти, оскільки частинки практично не зміщуються по фазі в процесі прискорення і тому набирають енергію, пропорційну де - фаза, у якій "застигла" частинка.

Рис. 13. Схема прискорювача Відерое з дрейфовими трубками: 1 - дрейфові трубки; 2 - джерело змінної напруги; 3 - область дії електричного поля; 4 - пучок.

Робота прискорювача на стоячій хвилі принципово не відрізняється від розглянутого способу прискорення, оскільки стоячу хвилю можна розкласти на дві хвилі, що біжать в протилежних напрямках, одна з яких, синхронна з рухом частинок, буде передавати їм енергію відповідно з умовою резонансного прискорення, а інша, що рухається в протилежному напрямку, не буде надавати помітного впливу на процес прискорення. Однак технічна реалізація лінійного прискорювача на стоячій хвилі має істотні відмінності. Розглянемо їх на прикладі одного з перших схем такого прискорювача (рис. 13). Прискорювач складається з джерела заряджених частинок та ряду дрейфових трубок, розташованих уздовж осі і приєднаних через одну до однойменних клем ВЧ-генератора. Поле всередині трубок практично відсутнє і зосереджене в зазорах між ними. Частинка, прискорена в одному зазорі, буде прискорюватися і в слідуючих зазорах, якщо до моменту її прильоту до слідуючого зазору напруга на трубках змінить знак, тобто частинка повинна пролітати відстань між двома зазорами l_y (назив. періодом прискорення) за час, рівний півперіоду ВЧ-поля Т/2. Величини l_y, Т і на кожній ділянці прискорення пов'язані співвідношенням:

де = сТ - довжина хвилі прискорюючого поля у вільному просторі. В сучасних прискорювачах аналогічний розподіл прискорюючих полів створюється в багатозазорних резонаторах (рис. 14, а) або в ланцюжку зв'язаних резонаторів (рис. 14, 6)шляхом збудження в них ВЧ - генераторами стоячих хвиль з необхідною конфігурацією поля; для них умова резонансного прискорення записується в більш загальному вигляді:

де n - ціле число, якщо поля Е в сусідніх зазорах у фазі, і напівціле, якщо ці поля в протифазі. Зазвичай Довжини періодів прискорення і довжини трубок дрейфу збільшуються зі збільшенням швидкості частинок. Із-за труднощів створення ритмічного і стабільного розподілу прискорюючого поля вздовж багатозазорного прискорювача довжини резонаторів в резонансному лінійному прискорювачі на стоячих хвилях обмежуються значеннями

Рівноважна частинка з зарядом q при прольоті го періоду прискорення набуває енергію

Тут Е₀ - амплітуда усередненого по періоду електричного поля, - коефіцієнт. пролітного часу, який враховує вплив скінченних розмірів зазору і каналу дрейфової трубки Якщо прискорювач містить N періодів прискорення, то рівноважна частинка отримає загальний приріст енергії Завдяки механізму автофазування рівноважна фаза розташовується на висхідній ділянці кривої зміни (у часі) напруги в зазорі. В цьому випадку величина поля при прольоті частинкою зазору зростає і поле має дефокусуючу дію на пучок. Цей ефект враховується при розрахунку фокусуючої системи, яка є однією з основних в прискорювачі.

Рис. 5. Типи прискорюючих структур на стоячої хвилі: а - резонатор з трубками дрейфу 1 і стабілізуючими стрижнями 2 (3 - штанги трубок дрейфу); б - резонатор хвилевідного типу - прискорююча структура з провідними шайбами 1 і діафрагмами 2 (3 - кріплення штанги шайб).

Хоча в кожному з описаних типів резонансних лінійних прискорювачів принципово можна прискорювати будь-які заряджені частинки, зазвичай на біжучих хвилях прискорюються лише електрони, а для всіх важких частинок, включаючи протони, використовуються, як правило, лінійні прискорювачі на стоячих хвилях. Прискорення протонів та іонів на стоячій хвилі викликано рядом причин, головна з яких пов'язана з малою швидкістю цих частинок (із-за їх великої маси) на початковій ділянці прискорення 0,03-0,4). Реалізація прискорюючої структури, яка забезпечує сильне уповільнення синхронної з частинкою хвилі, рівномірний розподіл прискорюючого поля по перерізу апертури та розміщення фокусуючих лінз, стає можливим лише при використанні резонаторів, які працюють в метровому діапазоні хвиль. Оскільки в процесі прискорення b збільшується, то на наступних ділянках прискорення робочу частоту, як правило, підвищують.

Лінійний прискорювач електронів. В ньому використовується, як правило, резонансне прискорення біжучої електромагнітної хвилі. Істотна перевага лінійного прискорювача електронів порівняно з циклічними прискорювачами - майже повна відсутність випромінювання електронів внаслідок практичної сталості їх швидкості за величиною і напрямом на основні частини прискорювача. Тому саме в них доцільно прискорювати електрони аж до надвисоких енергій. Енергія діючих лінійних прискорювачів електронів лежить в межах від одиниць МеВ до 21,5 ГеВ.

На схему побудови таких прискорювачів впливають особливості динаміки електронних пучків, пов'язані з близькістю швидкості електронів на основній частині прискорювача до швидкості світла: зміна енергії електрона не призводить до зміни швидкості, а отже, не працює механізм автофазування. Полегшуються вимоги до фокусування пучка, оскільки, з одного боку, поперечне кулонівське розштовхування в пучку майже повністю компенсується магнітним притяганням паралельних струмів, з іншого - випадкові поперечні швидкості електронів у пучку зменшуються із зростанням їх енергії (поперечний імпульс постійний, а маса m зростає). Типова схема лінійного прискорювача електронів включає в себе інжектор, групувач і одну або декілька прискорювальних секцій, збуджуваних від НВЧ-генератора. Робоча довжина хвилі зазвичай 3-30 см. Темп прискорення - від декількох одиниць до 10-15 Мев на 1 м. Максимальна довжина прискорюючої секції залежить від вихідної потужності генератора і інтенсивності пучка. Кількість секцій та каналів їх збудження залежить від необхідної енергії пучка. У малих лінійних прискорювачах електронів, які широко застосовуються для досліджень з ядерної фізики та для прикладних цілей, генераторами служать магнетрони. У прискорювачах електронів, які складаються з декількох секцій, в якості генераторів використовуються підсилюючі клістрони, маючі загальний, стабільний по частоті задаючий генератор. Для стабілізації фази ВЧ-коливань застосовуються системи автоматичного регулювання. Фокусування пучка здійснюється поздовжніми магнітними полями, створюваними соленоїдами. Одне з обмежень, які накладаються на інтенсивність пучка електронів, особливо у лінійних прискорювачах електронів на великі енергії, пов'язане з паразитними хвилями, збудженими пучком в діафрагмованому хвилеводі і розгойдуючими пучок в поперечній площині (т. зв. ефект обриву імпульсу). Для приглушення цього ефекту розроблено ряд інженерних методів. Такі прискорювачі можуть практично без переробок прискорювати також пучки позитронів. Створені прискорювачі електронів на стоячої хвилі (енергія до 20 Мев, імпульсний струм до 0,1 А), які знайшли застосування в медицині і дефектоскопії.

5.ЦЕРН, досягнення та перспективи

Ідея заснування CERN належить французькому фізику Луї де Бройлю. 1949 року на Європейській конференції з культури (Лозанна, Швейцарія) він запропонував створити міжнародну організацію для здійснення наукових досліджень: «Наша увага зосереджується на створенні нової міжнародної організації для проведення науково-дослідницьких робіт, що виходять за межі національних програм. Ця організація могла б узяти на себе виконання таких завдань, обсяг і суть яких не під силу жодному національному інститутові… Окрім того, заснування наукового центру буде символом об'єднання інтелектуальних сил Європи».

Ідею де Бройля підтримали європейські уряди - зруйнована війною Європа не мала іншої можливості зберегти фундаментальну науку, розпочати дуже дорогі ядерні дослідження й особливо дослідження в області фізики елементарних частинок високих енергій. 1952 року Європейську організацію з ядерних досліджень де-факто було створено.

Офіційним днем народження CERN вважається 29 вересня 1954 року, коли 12 країн-учасниць ратифікували угоду про її заснування.

ЦЕРН (Європейський центр ядерних досліджень) - міжнародний дослідницький центр європейської спільноти, найбільша у світі лабораторія фізики високих енергій.

Розташований на захід від Женеви, на кордоні між Францією і Швейцарією, біля підніжжя гірського масиву Юра. Місцеві геологічні та сейсмічні умови дозволяють без побоювань будувати тут прискорювачі елементарних частинок.

Наукові досягнення лабораторії:

Немало важливих відкриттів було зроблено в експериментах, проведених в ЦЕРНі. Найбільш важливі із них:

· 1973: Відкриття нейтральних струмів за допомогою бульбашкової камери Гаргамель.

· 1983: Відкриття W- и Z-бозонів в експериментах UA1 і UA2.

· 1989: Визначення кількості сортів нейтрино в експериментах на прискорювачі LEP.

· 1995: Створення перших атомів антиматерії -- атомів антигідрогену в експерименті PS210.

· 2000: Перші признаки утворення кварк-глюонної плазми.

· 2001: Відкриття прямого прошення СР-симетрії в експерименті NA48.

· 2012: Відкриття нової елементарної частинки бозона Хіггса (ВАК: ATLAS и CMS).

· 2014: : Відкриття нової елементарної частинки тетракварка (ВАК: LHCb).

· 2015: : Відкриття нової елементарної частинки пентакварка (ВАК: LHCb).

В 1984 році Карло Руббіа та Симон ван дер Мер отримали Нобелівську премію в області фізики за праці, які призвели до відкриття W- і Z-бозонів.

В 1992 році Нобелівську премію по фізиці отримав співробітник ЦЕРН Жорж Шарпак «за відкриття і створення детекторів елементарних частинок.

Основні нинішні проекти:

Інженери ЦЕРНу в 2015 році представили мініатюрний лінійний прискорювач довжиною 2 метри, придатний для застосування в медичній візуалізації та рентгенографії.

Великий адронний коллайдер

Основним проектом в даний час є Великий адронний коллайдер (LHC), протон-протонний (також розрахований на прискорення важких іонів) колайдер з максимальною проектною енергією 14 ТеВ. Чотири основних детектора, в тому числі два багатоцільових, розташовані в чотирьох підземних шахтах. Багатоцільовими експериментами є ATLAS і CMS. Спеціалізований детектор для вивчення В-фізики -- LHCb. Детектор для вивчення фізики важких іонів і нового стану речовини (кварк-глюонної плазми) -- ALICE. Два менш масштабних, але також важливих, експерименту -- TOTEM і LHCf.TOTEM призначений для вимірювання повного перерізу пружних і дифракційних процесів на LHC, а LHCf -- для вивчення надблизьких до осі пучка прискорювача частинок і застосування цих відомостей у фізиці космічних променів.

Тестовий запуск Великого адронного коллайдера транслювався в прямому ефірі європейського інформаційного телеканалу Євроньюз. 10 вересня 2008 року перший пучок успішно подолав 27-кілометрове кільце.

4 липня 2012 року колаборації ATLAS і CMS оголосили про виявлення бозона масою близько 125-126 ГеВ, який пізніше був підтверджений як бозон Хіггса.

Розглядаються варіанти майбутньої модернізації прискорювача та детекторів.

CLIC

Ведуться дослідження щодо можливості створення електронного лінійного колайдера, після завершення програми LHC, на енергію близько 3 ТеВ.

Одним з можливих варіантів є Компактний Лінійний Коллайдер (CLIC, Compact LInear Collider), проект якого розробляється в ЦЕРНі в тісній співпраці з науковими установами 36 країн світу.

Размещено на Allbest.ru

...