Ускорители элементарных частиц

     По  характеру траектории частиц 

     Все ускорители элементарных частиц можно  разделить по характеру траектории частиц на две большие группы: линейные и циклические.

     Линейные  ускорители – ускорители заряженных частиц, в которых частица движется по прямолинейной траектории. Линейные ускорители можно разбить на две категории – ускорители прямого действия, линейные индукционные и линейные резонансные ускорители.

     Ускорители  прямого действия - это ускорители заряженных частиц, в которых частицы разгоняются в постоянном электрическом поле, пролетая расстояние между электродами. Пусть U — разность потенциалов между двумя электродами. Пролетев расстояние, разделяющее эти электроды, частица с зарядом е приобретает энергию eU. В данном случае не удается достичь энергий выше примерно 10 МэВ, поскольку при дальнейшем повышении напряжения между электродами возникает электрический пробой. Для достижения более высоких энергий идут по иному пути: на ускоряемую частицу воздействуют не слишком сильными электрическими полями, но зато воздействуют многократно.

     Наиболее  известный  ускоритель этого класса – генератор Ван де Граафа. Принцип действия генератора основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт.

     Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты ,вращающейся на двух роликах, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу.

     Два электрода  в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём один электрод соединён с внутренней поверхностью сферы, а на другой, нижний, подаётся электрический потенциал порядка нескольких киловольт (для определённости, положительный относительно земли).

     Вблизи  нижнего электрода воздух ионизируется, образующиеся положительные ионы под  действием силы Кулона движутся к  заземлённому ролику и оседают на ленте, благодаря чему часть ленты, движущаяся вверх, заряжается. 

     Лента доставляет заряд внутрь сферы , где он снимается щёткой благодаря тому, что все заряды выталкиваются на поверхность сферы и потенциал ёе внутренней поверхности всегда равен 0.

     Таким образом, на внешней поверхности  сферы накапливается электрический  заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха  вокруг сферы.

     В линейных индукционных ускорителях ускорение происходит вихревым электрическим полем, которое создает ферромагнитная индукционная система. Она выполнена в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков прикреплены электроды одинарной формирующей линии. На противоположном конце электроды соединены с магнитным импульсным генератором, предназначенным для заряда электродов формирующей линии. Один из электродов формирующей линии заземлен и разомкнут. В месте разрыва установлен магнитный коммутатор в виде одновиткового дросселя насыщения. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность контуров, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. С целью увеличения максимальной мощности на нагрузке предлагается выполнять формирующую линию емкостью в 1,3-1,8 раза меньше емкости конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора. Техническим результатом является увеличение зарядного напряжения одинарной формирующей линии.

     Линейные  резонансные ускорители. Принцип действия линейного резонансного ускорителя заключается в следующем. Электроны, предварительно ускоренные в инжекторе (например, в электронной пушке), вводятся в ускоряющую систему - цилиндрический диафрагмированный волновод, в котором возбуждается бегущая электромагнитная волна типа E01 с фазовой скоростью νф (линейный ускоритель с бегущей волной). Электроны, попавшие в ускоряющую полуволну, ускоряются вдоль оси волновода под действием продольной составляющей электрического поля. При этом энергия электронов непрерывно увеличивается, если фазовая скорость волны равна скорости электронов νэ в процессе всего цикла ускорения.

     Фазовая скорость электромагнитных колебаний, распространяющихся в волноводе, зависит  от типа, длины волны и конструкции  волновода. В гладком цилиндрическом волноводе она больше скорости света, и ускорение невозможно. В линейных ускорителях обычно применяют металлический  гладкий цилиндрический волновод, в  котором для замедления скорости электромагнитной волны устанавливают  системы круглых проводящих диафрагм. Ячейки диафрагмированного волновода  можно рассматривать как совокупность связанных через центральные  отверстия объемных резонаторов.

     Назначением первой части волновода, иногда называемой группирующей секцией, является индуцирование электронов и группировка их в импульсы короткой длительности. В этой секции электроны, вводимые в волновод на ранней стадии процесса ускорения, замедляются, а на поздней - несколько ускоряются относительно несущей волны. Вторая часть волновода называется ускоряющей секцией. Для питания волновода используют мощные генераторы колебаний СВЧ - импульсные магнетроны и клистроны, работающие в диапазоне длины волн 10-25 см. Волны длиной 3 см используют лишь в некоторых установках. Плотность потока энергии излучения линейных ускорителей во много раз выше, чем бетатронов с той же энергией электронов. Так, мощность дозы тормозного излучения линейных ускорителей с энергией электронов 12 МэВ и размером фокусного пятна 1 мм составляет 6000 Р/мин на расстоянии 1 м от мишени, а у бетатрона с той же энергией электронов - только 80 Р/мин.

     Циклические ускорители – ускорители, в которых частицы в процессе ускорения двигаются либо по одной и той же замкнутой (близкой к окружности) траектории, либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки.

         В циклических ускорителях частицы  увеличивают свою энергию за  счет многократного прохождения  одних и тех же ускоряющих  промежутков с высокочастотным  электрическим полем (исключение  составляет бетатрон, где частицы  ускоряются вихревым электрическим  полем вдоль всей траектории). Магнитное поле может быть  постоянным (циклотроны, фазотроны)  и тогда частицы двигаются  по траектории, похожей на раскручивающуюся  спираль, либо переменным (синхротроны,  бетатроны). В этом последнем случае частицы двигаются по траектории близкой к окружности и темп их ускорения электрическим полем синхронизован с темпом роста магнитного поля. В настоящее время все циклические ускорители на высокие энергии – это ускорители синхротронного типа.

     Рассмотрим  конкретнее виды циклических ускорителей:

     Бетатрон - циклический ускоритель электронов, в котором электроны ускоряются вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем.

     Бетатрон  состоит из сильного электромагнита, в зазоре между полюсами которого находится вакуумная кольцевая камера.

     Бетатроны применяются в промышленности для просвечивания материалов, в лучевой терапии, для научных исследований.

     Синхротрон  - циклический ускоритель электронов, в котором частота ускоряющего электрического поля неизменна, а индукция магнитного поля по мере ускорения частиц возрастает. Синхротрон ускоряет электроны до энергии заряда 10 ГэВ.

     Синхрофазотрон - циклический резонансный ускоритель протонов с орбитой постоянного радиуса, в котором эффект ускорения заряженных частиц до больших энергий достигается синхронным изменением частоты напряжения ускоряющего электрического поля и растущей во времени индукцией управляющего магнитного поля.

     Фазотрон - циклический ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором ускорение частиц обеспечивается высокочастотным электрическим полем изменяющейся частоты, а пространственная устойчивость частиц в процессе ускорения - стационарным магнитным полем.

     В фазотроне частота ускоряющего  электрического поля уменьшается по мере ускорения сгустка частиц.

     Циклон  - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором частота ускоряющего поля и управляющее магнитное поле постоянны по времени.

     В циклотроне ускоряющее переменное электрическое  поле создается между двумя полыми электродами (дуантами), помещенными в замкнутую камеру, расположенную между полюсами сильного магнита.

     Движение  заряженных частиц внутри дуантов происходит по круговой орбите, а ускорение частицы приобретают в промежутке между дуантами.

     Циклотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором частота ускоряющего поля и управляющее магнитное поле постоянны во времени. В циклотроне ускоряющее переменное электрическое поле создается между двумя полями электродами (дуантами). Дуанты помещены в замкнутую камеру, расположенную между полюсами сильного магнита.

     Циклотроны  применяют для ускорения протонов и ионов до энергий порядка  нескольких десятков МэВ. 

     По  назначению

     Ускорители  элементарных частиц можно разделить  на две группы по назначению: лазеры на свободных электронах и коллайдеры.

     Лазеры  на свободных электронах

     Лазер на свободных электронах - лазер, в  котором колеблющиеся электроны  перемещаются с релятивистской скоростью  в направлении распространения  волны.

     Первый  лазер на свободных электронах был  реализован в 1976 г. С этого времени  данному типу лазеров уделяется  все возрастающее внимание.

     В качестве активной среды у лазеров  на свободных электронов выступает  электронный пучок высокой энергии. Реализация такого вида лазера требует  также дополнительных условий:

• наличие статических, периодически изменяющихся в пространстве магнитных полей (ондуляторов), которые модулируют траектории электронов и обусловливают таким образом излучение фотонов (магнитное тормозное изучение); большинство реализованных до сих пор подобных лазеров основаны именно на этом принципе действия;
• наличие полей при распространении электронов в среде (эффект Черепкова);
• наличие полей распространения в волноводе с решеткой (эффект Смита-Парселла).

     Принцип действия лазера на свободных электронах основан на магнитном тормозном  излучении. Длина волны лазера может  быть последовательно настроена  путем вариации скорости электронов, периода ондулятора или его поля. В качестве источников электронов применяются  линейные ускорители, накопительные  кольца, микротроны (наиболее просто реализуемые).

     Преимущественные  диапазоны длин волн излучения этого  вида лазеров: субмиллиметровый, инфракрасный, ультрафиолетовый и рентгеновский. Самая короткая длина волны рентгеновского лазера около 4 нм.

     В результате воздействия интенсивных  жестко сфокусированных ультракоротких импульсов лазера ускорение движущихся вдоль оси луча электронов определяется продольной электромагнитной и продольной составляющей электрического поля лазерной волны.

     Современные лазеры с предельными на сегодняшний  день параметрами дают возможность  разогнать электроны до уровня энергии  пoрядка 1 ГэВ. Это сопоставимо с величинами энергий, получаемых в настоящее время на самых "больших" ускорителях. 

     Коллайдеры

Коллайдер – это ускорительная установка на встречных пучках.  Огромное энергетическое преимущество таких ускорителей перед ускорителями с неподвижной мишенью сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров (рис. 1). Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов (рис. 1б). В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков (рис. 1а).  
    Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 10¹⁵ в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы и даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения. 
    Важной характеристикой коллайдеров является светимость, обозначаемая буквой L (от англ. Luminosity).