Классификация современных ускорителей

Заряженные частицы, обладающие высокой кинетической энергией, используются в различных областях естествознания. Такие частицы получают в специальных устройствах, которые называются ускорителями.

Началом использования заряженных частиц высокой энергии для изучения строения ядра можно считать 1919 г., когда Э. Резерфорд с помощью потока быстрых a-частиц (ядер атомов гелия) превратил один химический элемент в другой. Стало ясно, что частицы большой энергии могут служить ценным инструментом при изучении строения атомного ядра. До начала
30-х гг. источником быстрых частиц являлись естественные радиоактивные препараты. Однако низкая интенсивность потока частиц радиоактивного препарата и их сравнительно небольшая энергия оказались недостаточными для дальнейших исследований.

Современные ускорители больших энергий для исследований в области физики элементарных частиц являются сложнейшими сооружениями. Небольшие линейные ускорители, бетатроны и циклотроны, выпускаются серийно. Ускорители заряженных частиц представляют собой мощные источники проникающих излучений. Поэтому важной проблемой при разработке любого ускорителя является обеспечение падежной радиационной защиты обслуживающего персонала. Увеличение энергии частиц в ускорителе происходит в результате воздействия на них сил электрического поля, поэтому ускоряться могут лишь заряженные частицы. Большую кинетическую энергию они могут получить в результате:

а) однократного прохождения высокой разности потенциалов, приложенной к ускоряющему зазору;

б) движения в вихревом электрическом поле;

в) многократного прохождения ускоряющего зазора, к которому приложено сравнительно небольшое напряжение. возврат частиц в область ускоряющего зазора при этом осуществляется поперечным магнитным полем.

Обычно в качестве объекта ускорения используют электроны, протоны (ядра атомов легкого водорода), дейтроны (ядра атомов тяжелого водорода), a-частицы и ионы тяжелых атомов. При бомбардировке этими частицами специальных мишеней могут быть получены различные элементарные частицы. Для измерения энергии частиц в ускорительной технике пользуются внесистемной единицей – электрон-вольтом [эВ]. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает частица с зарядом, равным заряду электрона, при прохождении разности потенциалов 1 В (1 эВ = 1,602 × 10–19 Дж).

Среди основных областей применения укорителей можно отметить следующие: облучение полимерных соединений с целью придания им новых свойств, радиационная вулканизация каучуков, крекинг углеводородов, ускорение процессов синтеза веществ, в качестве рабочего инструмента при обработке (сверление, фрезерование, резка) и сварке металлов, для получения некоторых видов изотопов. Жесткое рентгеновское излучение электронных ускорителей широко используют для нужд промышленной дефектоскопии, а облучение фотонами рентгеновского излучения семян и клубней сельскохозяйственных растений позволяет регулировать их развитие.

Ускорители классифицируют по форме траектории частиц в ускорителе и по принципу ускорения. По форме траектории заряженных частиц ускорители делятся на линейные, в которых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические, в которых частицы под действием магнитного поля (постоянного или изменяющегося) движутся по орбитам, близким к круговым. По принципу ускорения (характеру ускоряющего электрического поля) ускорители подразделяются на высоковольтные, индукционные и резонансные.

Таблица 7.1

Классификация ускорителей