Ускорители с дрейфовыми трубками

Индукционные ускорители

У всех ранее рассмотренных высоковольтных ускорителей есть принципиальное ограничение сверху на энергию, до которой можно ускорить частицы, связанное с развитием электрического

пробоя. Обойти это ограничение и увеличить максимально достигаемые энергии по сравнению с высоковольтными ускорителями можно, используя не градиентные электрические поля Е = -grad U, а квазистатическое вихревое электрическое поле, связанное с изменением во времени магнитного поля, описываемого уравнением Максвелла…

Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется возрастающим во времени вихревым электрическим полем.

Линейный индукционный ускоритель (ЛИУ) – ускоритель, в котором, как и в бетатроне, используется индукционный принцип ускорения. Последовательность тороидальных ферримагнитных сердечников, из которых состоит индукционный ускоритель, может последовательно располагаться вдоль траектории любой формы. Обычно они располагаются вдоль прямой линии

(рис. 3.2.6). Ускорение осуществляется действующим вдоль траектории частицы квазистационарным электрическим полем.

Основные характеристики индукционных ускорителей:

● используются для ускорения электронов;

● максимальная энергия пучка частиц обычно составляет от 20

до 50 МэВ;

● режим ускорения импульсный с частотой промышленной се-

ти напряжения или кратная ей;

● ток пучка бетатронов составляет от 10-3 мкА до единиц мкА, а

в линейных сильноточных ускорителях до 102–104 А в импульсе.

Циклотрон – резонансный ускоритель тяжелых заряженных

частиц (протонов, ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени. В циклотроне ускорение пучка частиц происходит путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по спиральной траектории и много раз проходить один и тот же ускоряющий промежуток.

Поскольку ограничение энергии оказалось связанным с релятивистским изменением частоты обращения, можно сразу же указать на две возможные физические модификации циклотронной

схемы ускорения:

а) использовать магнитное поле, возрастающее с радиусом, чтобы поддержать частоту обращения постоянной, так как радиус орбиты растет с энергией;

б) менять частоту ускоряющего поля во времени, пропорционально изменению энергии частиц и искусственно поддерживая равенство частот ускоряющего электромагнитного поля и цикло-

тронной частоты.

Основные характеристики пучка частиц циклотронов:

· используется для ускорения протонов и ионов;

· энергия пучка частиц нерелятивистская, а ее максимальное значение лежит в пределах 10–60 МэВ;

· заряженные частицы данного типа ускоряются до фиксированной энергии;

· нергетическое разрешение выведенного пучка составляет1%;

· пучок имеет временную структуру, состоит из сгустков, частота следования которых кратна частоте ускоряющего электрического поля ~ 20–25 МГц;

· средний ток выведенного наружу пучка составляет ~100 мкА, внутреннего ~500 мкА.

Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель релятивистских заряженных частиц с постоянным во времени магнитным полем и переменной частотой электрического поля на ускоряющих промежутках.

Идея фазотрона была предложена В.И. Векслером после открытия им принципа автофазировки. Создание фазотрона позволило перейти от энергий 15–20 МэВ, достигаемых в классических

циклотронах, к энергиям 800–1000 МэВ. Фазотрон отличается от циклотрона тем, что ускорение осуществляется электрическим полем, частота которого изменяется в процессе ускорения. С ростом энергии, как видно из соотношениямасса частицы растет и частота обращения частицы уменьшается. Чтобы сохранить значение равновесной фазы, в которой заряженная частица проходит через ускоряющие промежутки между дуантами, должно выполняться равенствоω = ω.

Модификациями фазотрона являются:

· секторный фазотрон, в котором магнитная система состоит из секторов с различной напряженностью магнитного поля;

· кольцевой фазотрон – секторный фазотрон с положительным радиальным градиентом среднего по орбите магнитного поля, обеспечивающего удержание частиц в узкой кольцевой области;

· симметричный кольцевой фазотрон – кольцевой радиально-секторный фазотрон, приспособленный для одновременного встречного ускорения одинаковых частиц.

Фазотрон мало отличается от циклотрона. Магнитное поле постоянно во времени и обладает азимутальной симметрией, протоны и ионы начинают ускорение с нулевой энергии и движутся

по спиральной траектории, так же как в циклотроне, для ускорения используется система дуантов.

Основные характеристики пучка частиц фазотрона:

· используется для ускорения протонов и ионов;

· максимальная энергия пучка частиц физических ограничений не имеет, а только экономические, поскольку стоимость магнита растет пропорционально кубу его радиуса, ее максимальное значение не превышает 1 ГэВ;

· энергетическое разрешение выведенного пучка составляет 1%

· пучок имеет временную структуру – состоит из сгустков, частота следования которых равна частоте модуляции ускоряющего электрического поля;

· средний ток выведенного наружу пучка составляет ~ 0.1 мкА.

Изохронный циклотрон – ускоритель с азимутальной вариацией возрастающего с радиусом среднего по орбите магнитного поля и постоянной частотой обращения частиц. Изохронный циклотрон с энергетическим разбросом пучка частиц порядка 10–4 и обычной для циклотронов интенсивностью называется моноэнергетическим циклотроном. Основным преимуществом этого ускорителя является возможность увеличения энергии выше обычного циклотрона при сохранении большой интенсивности ускоряемого пучка частиц.

Основные характеристики пучка частиц изохронного цикло-

трона:

· используется для ускорения, протонов и ионов;

· максимальная энергия пучка частиц не имеет физических пределов, а только экономические ограничения, поскольку стоимость магнита растет пропорционально кубу его радиуса, ее максимальное значение не превышает 1 ГэВ;

· энергетическое разрешение выведенного пучка 1%;

· пучок имеет временную структуру, состоит из сгустков, частота следования которых равна частоте ускоряющего электрического поля;

· средний ток выведенного наружу пучка 0.1–1.0 мА.

Микротрон – циклический резонансный ускоритель электронов, в котором ускорение происходит с переменной кратностью. Создание микротрона было вызвано тем, что в циклотронах невозможно ускорять электроны, поскольку в них уже при небольших энергиях (порядка сотен килоэлектрон-вольт) имеет место релятивистский эффект. Масса электронов в процессе ускорения быстро становится релятивистской. Физическая идея микротрона заключается в использовании не

двух, как в циклотроне, а одного «ускоряющего промежутка» – ускоряющей структуры, расположенной внутри вакуумной камеры. Необходимость такого решения заключается в том, что период вращения релятивистского электрона уменьшается, и поэтому для того, чтобы электрон попал в ускоряющую структуру в той же фазе, но сдвинутой на 2π, важно, чтобы за период его обращения высокочастотное электромагнитное поле успело сделать целое число колебаний. В этом случае достигается резонанс между частотой ускоряющего электрического поля и частотой вращения электрона. Поэтому микротрон часто называют электронным циклотроном.

Основные характеристики пучка частиц микротрона:

· используется для ускорения электронов;

· максимальная энергия пучка частиц ограничивается потерями на синхротронное излучение и не превышает 30 МэВ;

· максимальная энергия разрезного микротрона может достигать сотен МэВ, вплоть до 1000 МэВ;

· энергетическое разрешение выведенного пучка составляет (0.2 -0.3)%;

· работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме;

· средний ток пучка 10–100 мкА, а ток в импульсе 10–100 мА;

· имеет высокий прирост энергии электронов за один оборот.

Линейным ускорителем называется ускоритель, в котором частица движется по траектории, близкой к прямой линии. Условно к линейным ускорителям, определяющимся по виду траектории, можно отнести все виды высоковольтных ускорителей, линейные индукционные ускорители, линейные резонансные ускорители.

Линейные резонансные ускорители – наиболее распространенный тип линейных ускорителей, особенно больших энергий. Они отличаются от высоковольтных ускорителей тем, что конечная энергия частицы много больше приложенного напряжения, умноженного на заряд. В линейных резонансных ускорителях частица многократно проходит ускоряющий промежуток, как в циклических резонансных ускорителях. Однако все эти промежутки разные.

Ускорители с дрейфовыми трубками

Ускоритель Видероэ. В линейном ускорителе Видероэ трубки присоединены попеременно к полюсам высокочастотного генератора. Для синхронизации движения частиц и поля нужно, чтобы в момент прохождения частиц через ускоряющий зазор поле принимало положительное значение. За время движения частицы внутри дрейфовой трубки электрическое поле в ускоряющем промежутке меняет знак на противоположный.

Ускоритель Альвареца. Линейный ускоритель Альвареца (рис. 3.7.1, б) представляет собой длинную вакуумную трубу – цилиндрический резонатор, – в которой расположен ряд дрейфовых трубок и возбуждаются высокочастотные электромагнитные колебания. Частицы входят в него и движутся вдоль оси резонатора. Для обеспечения непрерывного процесса ускорения в переменном

электрическом поле пучок частиц, как и в ускорителе Видероэ, экранируется дрейфовыми трубками в промежутки времени, когда электрическое поле имеет отрицательное направление в ускоряющих промежутках.

Ускоритель на бегущей волне. Движение электромагнитного излучения в ускорителе на бегущей волне описывается уравнением (3.7.2). Для того чтобы происходило ускорение на бегущей

волне, частица должна находиться с ней в одной фазе. Кроме того, волна не должна отражаться от другого края ускорителя. Для этого ускоритель должен быть нагружен таким образом, чтобы вся энергия волны поглощалась на выходе из ускорителя и выделялась в виде тепла на сопротивлении.

Линейные ускорители протонов и электронов. При малых энергиях частиц удобнее применять ускорители Видероэ, а не Альвареца. При малых скоростях и не слишком малых длинах

пролетных трубок длины волн велики и размеры резонаторов оказались бы совершенно колоссальными, в то время как ускорители Видероэ имеют вполне приемлемые габариты. При больших энергиях используются ускорители на бегущей волне. Ускорению протонов бегущей волной препятствует необходимость сильного изменения фазовой скорости путем использования диафрагм. Они на начальном участке ускорения располагались бы столь часто, что большая часть мощности расходовалась бы на разогрев волновода. В протонных линейных ускорителях дрейфовые трубки используются, когда энергия пучка увеличивается от нескольких до ~100 МэВ. В первых электронных линейных ускорителях, аналогичных ускорителю на 1 ГэВ, сооруженному в Стэнфордском университете, тоже использовались дрейфовые трубки постоянной

длины, поскольку пучок инжектировался при энергии порядка 1 МэВ. В современных линейных ускорителях электронов используется принцип бегущей волны.

Линотрон. Схема линотрона была предложена учеником В.И. Векслера А.А. Коломенским. Смысл схемы заключается в следующем. Можно ускорять частицы, двигающиеся в обоих направлениях как поочередно в бегущей волне, так и одновременно, для чего должна возбуждаться стоячая волна, представляющая собой сумму волн, бегущих в противоположных направлениях. Указан-

ные свойства позволяют создать новую эффективную систему, в которой на данном линейном ускорителе можно получать энергию, в несколько (в принципе во много) раз большую той, на которую он номинально рассчитан. Для краткости мы назвали эту систему линотроном. Для ее реализации на концах линейного ускорителя должны располагаться магнитные отражатели – поворотно-фокусирующие каналы с постоянным во времени магнитным полем. После очередного прохождения линейного ускорителя сгусток частиц совершает оборот в очередном магнитном канале, снова входит в линейный ускоритель в противоположном направлении. Процесс ускорения в линотроне представляет собой резонансный режим с переменной кратностью. аналогичный тому, который применяется в разрезном микротроне.

Синхротрон

Проблема повышения энергии ускоренных частиц созданием изохронных циклотронов и фазотронов решена была лишь частично – до энергии порядка 1 ГэВ. Поскольку траектория частицы представляет собой раскручивающуюся спираль или более сложную по форме траекторию, для того чтобы вся траектория располагалась в магнитном поле, магнит ускорителя должен быть сплошным. Это приводит к увеличению веса магнита, а следовательно, и стоимости установки. Для дальнейшего увеличения энергии ускоренных частиц вместо сплошного магнита лучше использовать кольцевую «магнитную дорожку». В этом случае с ростом энергии частиц растет длина магнитной дорожки, а следо вательно, и вес магнита пропорционально радиусу орбиты ускорителя, а не пропорционально квадрату радиуса ускорителя, как это имеет место в фазотронах и циклотронах. Такая форма магнита позволяет размещать ускоритель в узком кольцевом туннеле.

Электронный синхротрон. Основные характеристики синхротрона, ускоряющего электроны, можно выразить так:

R = const, B (t)↑, В ∼ p, ωэм(t) = const.

В электронном синхротроне уже на начальном этапе ускорения скорость электронов практически равна скорости света, поэтому они движутся по орбите постоянного радиуса

Протонный синхротрон. Этот тип синхротронов часто называют синхрофазотроном. Такое название протонные синхротроны получили потому, что для ускорения протонов в них скорость частиц в процессе ускорения даже при высоких энергиях остается меньше скорости света. Для их ускорения диапазон изменения магнитного поля должен быть существенно шире, чем в электронном синхротроне. Основным различием между электронным и протонным синхротроном считается наличие радиационных потерь у первого из них и их отсутствие у второго. Поэтому в протонном синхротроне условие резонанса, в отличие, например, от изохронного циклотрона, достигается не только возрастанием магнитного поля с радиусом, но и одновременным уменьшением частоты ускоряющего электрического поля ωэм(t). Уменьшение частоты ускоряющего электрического поля в процессе ускорение является общей чертой протонных синхротронов и фазотронов, что и стало причиной их другого названия – синхрофазотроны.

Основные характеристики пучка частиц синхротрона:

· используется для ускорения электронов, протонов и ионов;

· максимальная энергия пучка частиц протонного синхротрона физических ограничений не имеет, а только экономические ограничения по стоимости ускорителя, причем максимальное значение энергии в настоящее время достигнуто в рамках проекта LHC 7.7 ТэВ;

· работает в импульсном режиме с частотой следования импульсов порядка 10 в минуту;

· средний ток примерно в 102 ниже, чем фазотроне, и в 105 раз ниже, чем в циклотроне (~ 0.001 мкА);

· максимальная энергия пучка частиц электронного синхротрона ограничивается потерями энергии на синхротронное излучение и в рамках проекта LEP для пучков е +– е – составляет 60×60 ГэВ.

· ускорение пучка электронов сопровождается испусканием синхротронного излучения в узком телесном угле ~ 1´.

Ускорители на встречных пучках – установки, в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренных электрическим

полем до высоких энергий. Идея использования встречных пучков была впервые высказана американским физиком Д.У. Керстом в 1956 г. Она реализована в 1961 г. в Италии при создании накопительного кольца ADA для пучков электронов е –– е – с энергией 2×250 МэВ и в Стэнфорде для встречных пучков электронов 2×500 МэВ. В 1963 г. накопительное кольцо создано и в нашей стране советским физиком Г.А. Будкером в Новосибирском институте ядерной физики (ВЭПП 1 на пучках электронов е –– е – с энергией 2×160 МэВ). Первые эксперименты на встречных пучках электронов были проведены в 1965–1967 гг. в Новосибирске и Стэнфорде. На таких установках исследуются взаимодействия частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных условиях эффективных энергиях столкновения. Под эффективной энергией понимают разницу между кинетическими энергиями налетающих друг на друга частиц и кинетической энергией их центра масс. Эффективная, или «полезная», доля энергии столкновения (или, другими словами, энергия взаимодействия частиц в системе их центра инерции) – это энергия, которая может идти, например, на рождение новых частиц. Большая часть энергии уходит на движение частиц после их столкновения или, как часто говорят, на движение центра масс системы частиц.

Стохастическое охлаждение. Стохастический метод заключается во введении обратной связи по пучку. В некотором месте орбиты ставится диагностическое устройство, измеряющее отклонение частицы от центра (пикап). Вдоль орбиты на расстоянии, равном полуцелому числу длин волн бетатронных колебаний, ставится устройство, в котором создается импульс электромагнитного поля в направлении, перпендикулярном пучку (кикер), который гасит поперечную составляющую скорости.

Электронное охлаждение. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966 г. советским физиком Г.А. Будкером для протонов и антипротонов.

Лазерное охлаждение. Суть метода заключается в следующем: ионы в метастабильном состоянии имеют некоторое распределение электронов по оболочкам, если ион поглотит фотон, то он

перейдет в возбужденное состояние. При этом ион получит импульс отдачи. Обратный переход из возбужденного состояния осуществляется с изотропным испусканием фотона.