Синхроциклотрон (фазотрон)

Фазотрон, или синхроциклотрон, представляет собой циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц. Их ускорение осуществляется в постоянном магнитном поле переменным электрическим полем модулированной частоты. Ускоритель, по существу, является разновидностью обычного циклотрона.

В циклотроне частота обращения частиц по мере их ускорения уменьшается. Так как частота электрического поля является постоянной, то частицы начинают постепенно выпадать из синхронизма и их дальнейшее ускорение становится невозможным. В фазотроне для обеспечения резонанса частота электрического поля изменяется согласованно с изменением частоты обращения ионов. Благодаря этому здесь может быть получена значительно большая энергия, чем в циклотроне.

Конструкция фазотрона (рис. 8.8) подобна конструкции циклотрона, однако по­люсы его электромагнита имеют больший диаметр. Ускоряющую систему фазотрона обычно делают однодуантной. Вместо второго дуанта устанавливают прямоугольную металлическую рамку 1, которая и заменяет кромку второго дуанта и повторяет ее по местоположению и очертаниям. Промежуток между рамкой (она заземляется) и дуантом 2 образует ускоряющий зазор. Конструктивно такая система проще двухдуантной и, кроме того, позволяет использовать освободившуюся часть вакуумной камеры для установки выводного устройства и некоторых других элементов.

Для модуляции частоты в фазотронах применяют метод изменения емкости конденсатора, включенного в контур высокочастотного генератора. Изменение емкости достигается механически с помощью вращающегося многопластинчатого конденсатора (вариатора). Предельно достижимая энергия частиц в фазотроне ограничивается технико-экономическими соображениями. Для протонов она равна примерно 1 ГэВ.

Микротрон

 

В общих чертах микротрон сходен с циклотроном. В нем так же, как и в циклотроне, частицы ускоряются переменным электрическим полем неизменной частоты в постоянном во времени однородном магнитном поле.

Но обычный циклотрон непригоден для ускорения электронов, так как с ростом энергии их масса быстро увеличивается, что приводит к нарушению условия циклотронного резонанса. В микротроне резонанс обеспечивается благодаря использованию кратного режима ускорения; при каждом пересечении ускоряющего зазора период обращения электронов вследствие увеличения их энергии возрастает на целое число периодов высокочастотного напряжения. Поэтому зазор электроны проходят каждый раз при одной и той же фазе напряжения.

Ускорение электронов в микротроне (рис. 8.9) осуществляется в зазоре объемного резонатора 1. Резонатор возбуждается с помощью клистрона микроволнового (обыч­но 10-сантиметрового) диапазона. Отсюда и произошло название ускорителя – микротрон.

Электроны проходят ускоряющий зазор резонатора и движутся в однородном магнитном поле по круговым орбитам. Время обращения электрона по любой орбите отличается от времени обращения по предыдущей орбите на один период высокочастотного поля.

Как следует из принципа работы микротрона, для достижения резонансного ускорения необходимо выполнение следующих условий:

1. Период обращения электрона по орбите после первого прохождения ускоряющего зазора должен быть равен целому числу периодов высокочастотного поля.

2. Приращение периода обращения электрона после каждого цикла ускорения должно составлять целое число периодов высокочастотного поля.

В первых конструкциях микротронов для ускорения использовались электроны, вырванные из краев тороидального резонатора под действием сильного электрического поля в его зазоре. Основным недостатком описанного способа инжекции является малое значение тока ускоренных частиц. В 1959 г. были предложены новые, более эффективные методы инжекции электронов в микротронную ускорительную камеру. В этих методах используют плоский объемный резонатор и термоэмиссионный источник – термокатод.

Предельная энергия микротрона составляет примерно 50–100 МэВ. Достоинствами микротрона являются относительная простота конструкции, удобство и надежность в эксплуатации.

Бетатрон

 

Название ускорителя свидетельствует о том, что он предназначен для ускорения b-частиц, т. е. электронов. С его помощью электронам удается сообщать энергию от единиц до десятков миллионов электронвольт.

При питании катушки возбуждения синусоидальным током в окружающем ее пространстве образуется переменный магнитный поток (рис. 8.10). Любое изменение во времени магнитного потока приводит, как известно, к появлению индуцированного вихревого электрического поля, силовые линии которого всегда замкнуты. В рассматриваемом случае, характеризуемом осевой симметрией, они имеют вид окружностей. Это вихревое поле и ускоряет электроны. Частицы увеличивают свою энергию, двигаясь в нарастающем во времени магнитном поле по круговой орбите постоянного радиуса r0, совпадающей с одной из силовых линий. Магнитное поле нарастает от нуля до максимального значения за четверть периода, а направление вихревого электрического поля в течение этого промежутка времени не меняется. Поэтому длительность ускорения электронов в бетатроне не превышает четверти периода. За это время электрон успевает сделать огромное (до нескольких миллионов) число оборотов. Хотя энергия, приобретаемая им за одни оборот, невелика, конечное значение энергии оказывается очень большим.

Электроны ускоряются в вакуумной камере, в которой находятся инжектор электронов 2 и мишень 3. В течение короткого промежутка времени в начале цикла ускорения частицы из инжектора направляются на орбиту и по окончании цикла смещаются с нее при помощи специальных устройств и попадают па мишень. При торможении электронов в мишени возбуждается жесткое рентгеновское излучение. Электроны также могут быть выведены из камеры наружу. Как видно, бетатрон по принципу работы похож на обычный трансформатор. Катушка, называемая обмоткой возбуждения, соответствует первичной обмотке трансформатора, а роль вторичной обмотки выполняет пучок электронов. Таким образом, в бетатроне электроны ускоряются вихревым электрическим полем в нарастающем во времени магнитном поле.

Ускорение электронов осуществляется в вакуумной камере тороидальной формы (рис. 8.11). Ее изготовляют из стекла или фарфора. Она может быть выполнена отпаянной или работающей в режиме непрерывной откачки.

При движении в вакуумной камере электроны за один цикл ускорения проходят огромные расстояния. В результате часть электронов рассеивается на частицах газа и теряется, оседая на стенках камеры. Для нормальной работы ускорителя давление остаточного газа в вакуумной камере не должно быть выше 10–6 мм рт. ст. (~ 1Па). Повышение давления приводит к резкому сокращению числа частиц, достигших конца цикла. Максимальные энергии, на которые рассчитаны современные бетатроны, составляют более 500 МэВ.

Синхротрон

Синхротрон представляет собой циклический резонансный ускоритель электронов, основанный на принципе автофазировки. Частицы в синхротроне ускоряются высокочастотным электрическим полем постоянной частоты в нарастающем во времени магнитном поле. Так как в процессе повышения энергии частиц индукция магнитного поля на орбите ускорителя также увеличивается, радиус орбиты электронов остается постоянным.

В настоящее время существует несколько разновидностей синхротронов:

1) синхротрон со слабой фокусировкой и бетатронным запуском;

2) синхротрон со слабой фокусировкой и внешним инжектором;

3) синхротрон с сильной фокусировкой и внешним инжектором.

Для ознакомления с принципом синхротронного ускорения рассмотрим конструкцию слабофокусирующего синхротрона с бетатронным запуском. На первой стадии ускоритель работает как обычный бетатрон. В течение короткого интервала времени в начале цикла нарастания индукции магнитного поля происходит инжекция электронов в вакуумную камеру. Вовлеченные в процесс ускорения частицы разгоняются вихревым электрическим полем до энергии около 3 МэВ. Для обеспечения бетатронного условия служит специальный центральный сердечник (рис. 8.12).

При энергии около 3 МэВ электроны имеют скорость, практически равную скорости света. Поэтому при дальнейшем увеличении энергии их скорость, а следовательно, и частота обращения по орбите не меняются. К этому времени центральный сердечник насыщается и до начала нового цикла ускорения не влияет на движение частиц. Незадолго до момента насыщения сердечника включается генератор высокочастотных колебаний. На второй стадии электроны ускоряются высокочастотным электрическим полем, возбужденным в зазоре объемного резонатора. Для осуществления синхронного ускорения частоту; электрического поля выбирают равной частоте обращения электронов. На этой стадии происходит группирование электронов в сгустки. Фокусировка частиц достигается благодаря спаду индукции в зазоре электромагнита по радиусу

При экспериментах с первыми синхротронами был получен новый вид излучения, названный впоследствии синхротронным. Синхротронное излучение свойственно всем циклическим ускорителям. Так как по круговой орбите частицы движутся с центростремительным ускорением, при этом они должны излучать часть энергии. Это излучение и называется синхротронным. Уникальность свойств синхротронного излучения – высокая интенсивность, поляризация, мощность, непрерывный спектр – обусловливают его широкое использование в промышленности, однако оно вызывает значитель­ные затруднения при проектировании ускорителей, связанные с тем, что частица на его образование тратит до 70 % энергии, передаваемой ей в цикле ускорения.

Синхрофазотрон

Синхрофазотрон представляет собой синхротрон для ускорения протонов. Это ускоритель кольцевого типа, работающий на принципе автофазировки и имеющий практически постоянную орбиту. Протоны в синхрофазотроне ускоряются высокочастотным электрическим полем в нарастающем во времени магнитном поле.

Частота электрического поля в синхрофазотроне, в отличие от синхротрона, не постоянна: она увеличивается по мере ускорения частиц. Эта разница в принципе работы ускорителей обусловлена различием в массах ускоряемых частиц. В синхротроне ускоряются легкие частицы – электроны. Частота их обращения по орбите в течение почти всего времени ускорения постоянна, поэтому частота электрического поля в синхротроне также неизменна. Протоны являются тяжелыми частицами. Частота их обращения по мере ускорения непрерывно возрастает, и синхронно с ней должна увеличиваться частота ускоряющего напряжения. В синхрофазотронах, рассчитанных на очень большие энергии, протоны к концу периода ускорения движутся с практически постоянной скоростью и, следовательно, имеют постоянную частоту обращения. Такой синхрофазотрон на конечной стадии ускорительного цикла работает как синхротрон, поэтому его называют протонным синхротроном.