устройство, предназначенное для получения пучков заряженных частиц высоких энергий; в медицинской радиологии используется для лучевой терапии и производства определенных радиоактивных нуклидов.

устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У. з. ч. следует отличать от плазменных ускорителей (См. Плазменные ускорители), в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы (См. Плазма)).

У. з. ч. - один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц (См. Элементарные частицы), в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение У. з. ч. различных диапазонов энергий в металлургии - для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности - для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности - для стерилизации продуктов, в медицине - для лучевой терапии (См. Лучевая терапия), для "бескровной хирургии" и в ряде др. отраслей.

1. История развития ускорителей Толчком к развитию У. з. ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале естественные источники заряженных частиц - радиоактивные элементы - были ограничены как по интенсивности, так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока α-частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.

В начальный период (1919-32) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредственного ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали Каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, - расщепление ядра лития протонами.

Период 1931-44 - время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при котором ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклические ускорители - циклотроны (Э. О. Лоуренс) - вскоре обогнали в своём развитии электростатические ускорители. К концу периода на циклотронах была достигнута энергия протонов порядка 10-20 Мэв. Резонансное ускорение возможно и в линейных ускорителях Однако линейные резонансные ускорители не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик Д. У. Керст реализовал циклический индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идея которого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928).

Разработка ускорителей современного типа началась с 1944, когда сов. физик В. И. Векслер и независимо от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки (См. Автофазировка), действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных ускорителей - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц.

В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных У. з. ч. В 1956 Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.

Последующие два десятилетия можно назвать годами реализации этих идей и технического усовершенствования У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные резонансные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен самый крупный для того времени синхрофазотрон - на энергию 10 Гэв. Через несколько лет в Швейцарии и США вступили в строй синхрофазотроны с сильной фокусировкой на 25-30 Гэв, а в 1967 в СССР под Серпуховом - синхрофазотрон на 76 Гэв, который в течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 в США был создан синхрофазотрон на 200-400 Гэв. В СССР и США разрабатываются проекты ускорителей на 1 000-5 000 Гэв.

Современное развитие ускорителей идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиционные методы: исследуются возможности применения сверхпроводящих материалов (и соответствующей им техники низких температур) в магнитах и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетические расходы; расширяется область применения методов автоматического управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия во встречных пучках (см. Ускорители на встречных пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.

II. Классификация ускорителей

У. з. ч. можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов.

По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в которых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности (или спирали).

По характеру ускоряющего поля У. з. ч. делят на резонансные ускорители, в которых ускорение производится переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в которых направление поля за время ускорения не изменяется. Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в которых электрическое ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в которых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.

По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в которых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в которых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к некоторым типам циклических ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо терминов "однородная" и "знакопеременная" фокусировка пользуются терминами "слабая" и "сильная" ("жёсткая") фокусировка.

Резонансные циклические ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего - "ведущего" - магнитного поля и ускоряющего электрического поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация (табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.

Табл. 1. - Классификация ускорителей заряженных частиц

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Тип | Характер | Магнитное | Частота | Фокусировка | Название | Ускоряемые |

| траектории | ускоряющего поля | поле | ускоряющего | | | частицы |

| | | | поля | | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Окружность | Циклические ускорители |

| или |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| спираль | Нерезонансный, | Переменное | - | Однородная | Бетатрон | Электроны |

| | индукционный | | | | | |

| |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Резонансный | Постоянное | Постоянная | " | Циклотрон | Протоны |

| | | | | | Микротрон | (или ионы) |

| | | | | | | Электроны |

| | |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | | " | " | Знакопеременная | Изохронный | Протоны |

| | | | | | циклотрон | Электроны |

| | | | | | Секторный микротрон | |

| | |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | | " | Переменная | Однородная | Фазотрон | Протоны |

| | | | | Знакопеременная | Секторный фазотрон | |

| | |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | | Переменное | Постоянная | Однородная | Синхротрон | Электроны |

| | | | | Знакопеременная | слабофокусирующий | |

| | | | | | Синхротрон | |

| | | | | | сильнофокусирующий | |

| | |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | | " | Переменная | Однородная | Синхрофазотрон | Протоны |

| | | | | Знакопеременная | слабофокусирующий | |

| | | | | | Синхрофазотрон | |

| | | | | | сильнофокусирующий | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Прямая | Линейные ускорители |

| |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Hepeзонансный, | - | - | - | Электростатический | Протоны, |

| | электростатический | | | | ускоритель, | электрон ны |

| | | | | | каскадный ускоритель | |

| |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Нерезонансный, | - | - | - | Линейный | Электроны |

| | индукционный | | | | индукционный | |

| | | | | | ускоритель | |

| |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Резонансный | - | Постоянная | - | Линейный | Протоны, |

| | | | | | резонансный | электро-i ны |

| | | | | | ускоритель | |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

III. Принцип действия резонансных ускорителей

В резонансном ускорителе непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды частица всё время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрическое поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная, частица всё время попадает в одну и ту же фазу - равновесную фазу.

В циклическом ускорителе период обращения Т частицы по орбите связан со средним радиусом орбиты соотношением:

(1)

(υ - скорость частицы). Средний радиус орбиты равен

(2)

где Е = mc² - полная релятивистская энергия частицы массы m, равная сумме энергии покоя частицы E₀ = m₀с² и её кинетической энергии W (m₀ - масса покоя частицы, с - скорость света), е - заряд частицы, <В> - среднее значение индукции магнитного поля; поэтому период обращения связан с энергией частицы соотношением:

(3)

Для равновесной частицы период обращения равен или кратен периоду Т_у ускоряющего поля. Фиксированным значениям периода обращения и индукции магнитного поля соответствуют вполне определённые равновесная энергия частицы и равновесный радиус её орбиты. Равновесная частица набирает за оборот энергию eV₀cos φ₀, где φ₀ - равновесная фаза, т. е. фаза поля, действующего на равновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a V₀ - амплитуда напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетической энергии W_макс частица должна совершить N = W_макс /eV₀cosφ₀ оборотов. В циклических ускорителях длина пути, проходимого частицей, достигает десятков и сотен тысяч км. При столь большой длине пути для успешной работы ускорителя необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения: небольшие отклонения частицы по фазе, по энергии, по радиусу и по вертикали, а также небольшие начальные скорости в направлениях, перпендикулярных орбите, не должны приводить к сильному отклонению частицы от равновесной орбиты - частица должна совершать колебательное движение около равновесной частицы. Обеспечение устойчивости движения частицы в направлениях, перпендикулярных орбите (по радиусу и по вертикали), называется фокусировкой, а в направлении орбиты - фазировкой.

В линейном ускорителе протонов (с ускоряющими зазорами) для равновесной частицы время пролёта Т = L/υ между соседними ускоряющими зазорами (L - расстояние между центрами зазоров, υ - скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Т_у = λ/с, где λ - длина волны электромагнитного поля. Энергия W_макс набирается при прохождении N = W_макс /eV₀cos φ₀ ускоряющих зазоров, что определяет требуемую длину ускорителя. Длины современных линейных ускорителей для протонов достигают сотен м. Поэтому и здесь вопрос устойчивости движения, т. е. обеспечения фокусировки и фазировки, является актуальным.

Для того чтобы рассеяние на ядрах атомов газа не приводило к сильному уходу частиц от равновесной траектории и их выпаданию из процесса ускорения, область вокруг равновесной траектории охватывается вакуумной камерой, в которой специальными насосами создаётся достаточно сильное разрежение.

Фазировка в резонансных ускорителях обеспечивается механизмом автофазировки, обусловленным зависимостью промежутка времени между последующими ускорениями от энергии. В циклических ускорителях с однородной фокусировкой период обращения растет с увеличением энергии, т.к. в соотношении (1) средний радиус орбиты растет с возрастанием энергии быстрее, чем скорость частицы. В ускорителях со знакопеременной фокусировкой зависимость среднего радиуса орбиты от энергии значительно слабее; поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с ростом энергии (υ растёт быстрее, чем ), а при больших энергиях - увеличивается с ростом энергии ( растет быстрее, чем υ, которая ограничена скоростью света). При периоде, растущем с энергией, устойчива правая фаза на рис. 1: если частица случайно попадёт в фазу φ₁ > φ₀, она приобретёт энергию меньше равновесной, поэтому её период обращения станет меньше равновесного, частица отстанет по фазе и, следовательно; её фаза приблизится к равновесной фазе φ₀. Если же период уменьшается с ростом энергии, то фаза φ₀ становится неустойчивой, а устойчивой будет симметричная ей фаза - φ₀. Как бы то ни было, если eV₀ достаточно велико, всегда существуют устойчивая равновесная фаза и область близких к ней фаз (область захвата), в пределах которой частицы колеблются около равновесной. Прирост энергии равновесной частицы eV₀cos φ₀ определяется условием резонанса: T = qT_y, где q - целое число, называется кратностью частоты, или кратностью ускорения. Так, для циклического ускорителя энергия равновесной частицы

(3')

где ω_y = 2π/Т_у - частота ускоряющего поля, так что для увеличения равновесной энергии нужно либо увеличивать магнитное поле (синхротрон), либо уменьшать частоту ускоряющего поля (фазотрон), либо изменять и то и другое (синхрофазотрон), либо, наконец, изменять кратность ускорения q (микротрон). Закон изменения магнитного поля, частоты и кратности ускорения и определяет значение фазы φ₀ для равновесной частицы; вследствие автофазировки равновесная частица набирает именно ту энергию, которая определяется соотношением (3'). В соответствии с энергией изменяется радиус равновесной орбиты, определяемый формулой (2).

Для неравновесных частиц, находящихся внутри области захвата, прирост энергии происходит неравномерно, но в среднем они приобретают ту же энергию, что и равновесная частица. Эти частицы "захвачены" в режим ускорения. Частицы, сильно отличающиеся от равновесных по фазе или по энергии, вообще в среднем не будут приобретать энергии, т.к. будут попадать то в ускоряющее, то в замедляющее поле ("скользить по фазе ускоряющего напряжения").

Аналогичный механизм фазировки имеет место и в линейных резонансных ускорителях с той разницей, что там всегда время прохождения расстояний между соседними зазорами уменьшается с ростом энергии, так что устойчивая равновесная фаза всегда равна - φ₀.

Фокусировка частиц в ускорителях. В циклических ускорителях фокусировка достигается главным образом специальным подбором формы магнитного поля. Если бы магнитное поле было строго однородно, то при любом отклонении скорости частицы от плоскости орбиты ускоряемая частица уходила бы с равновесной орбиты в направлении оси магнита (по вертикали z). Но если магнитное поле уменьшается с увеличением радиуса, то оно имеет "бочкообразную" форму (это связано с тем, что в отсутствии токов магнитное поле - безвихревое), благодаря чему сила F, действующая на частицу, имеет составляющую F_z по направлению к плоскости равновесной орбиты (рис. 2).

Изменение поля по радиусу принято характеризовать показателем спада поля . Т. о., для устойчивости движения в вертикальном (аксиальном) направлении необходимо выполнение условия n > 0, т. е. чтобы поле убывало с увеличением радиуса. Движение в радиальном направлении определяется соотношением между силой действия на частицу магнитного поля eBυ/c и центростремительной силой mυ²/R, соответствующей радиусу R. На равновесной орбите обе эти величины равны. Если частица с той же скоростью случайно оказалась на большем радиусе, то для обеспечения устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила действия магнитного поля на этом радиусе eBυ/c была больше, чем mυ²/R, т. е. чтобы магнитное поле уменьшалось медленее, чем 1/R. Тот же вывод получается, если рассмотреть случайное отклонение частицы в сторону меньших радиусов. Т. о., условие устойчивости в радиальном направлении налагает ограничение на скорость убывания магнитного поля: показатель спада поля n должен быть меньше 1 (n < 1). Для одновременной устойчивости в радиальном и вертикальном направлениях должно выполняться условие:

0 < n < 1. (4)

Можно показать, что силы фокусировки, действующие по радиусу и по вертикали, получаются при этом равными:

F_R = - (1-n) m ω²ΔR,

F_Z = - n m․ω²Δz, (5)

где m - масса, ω - угловая скорость обращения частицы, ΔR и Δz - отклонения частицы от равновесной орбиты по радиусу и по вертикали. Под действием этих фокусирующих сил частицы совершают колебания (т. н. бетатронные колебания) вокруг равновесной орбиты с частотами:

, (6)

Эти частоты меньше частоты обращения ω, т. е. за оборот частица совершает меньше одного бетатронного колебания. Фокусирующие силы ограничены предельно допустимыми значениями n. Такая фокусировка называется однородной, или слабой.

Для того чтобы увеличить фокусирующую силу по вертикали, надо применить сильно спадающее поле (n > 1). Напротив, для получения большой фокусирующей силы по радиусу надо применить поле с большими отрицательными значениями n (т. е. сильно возрастающее по радиусу). Эти требования одновременно несовместимы. Однако оказывается, что при определённых ограничениях их можно реализовать поочерёдно, обеспечив тем самым сильную фокусировку и по радиусу, и по вертикали. На этом основан принцип знакопеременной фокусировки (рис. 3). Вся длина равновесной орбиты разбивается на большое число одинаковых периодов, в которых устанавливаются магниты, сильно фокусирующие попеременно то по радиусу, то по вертикали. При определённом соотношении между значениями показателя спада магнитного поля, длиной магнитов и числом периодов такая система обладает сильным фокусирующим действием по обоим поперечным направлениям. Физически это объясняется тем, что в фокусирующих магнитах частица оказывается дальше от равновесного положения, чем в дефокусирующих (т.к. предшествующий дефокусирующий магнит отклонил её от орбиты), поэтому действие фокусирующих магнитов сильнее действия дефокусирующих. Частота колебаний частиц при такой фокусировке получается существенно выше частоты обращения, так что за один оборот частица совершает несколько колебаний. Увеличение фокусирующей силы приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц под действием различных раскачивающих факторов, что позволяет уменьшить поперечные размеры вакуумной камеры и магнитов, а следовательно, существенно уменьшить вес и стоимость установки. Поэтому во всех крупных циклических ускорителях на большие энергии применяется знакопеременная (сильная) фокусировка. Неприятная особенность сильной фокусировки - наличие многочисленных резонансов, обусловленных большой частотой колебаний частиц: если число колебаний частицы по вертикали или по радиусу за один полный оборот частицы или их сумма или разность оказываются целыми или полуцелыми числами, то происходит резонансная раскачка колебаний. В связи с этим необходимо предъявлять большие требования к точности изготовления магнитов.

Знакопеременная фокусировка магнитным полем применяется и в линейных ускорителях с той разницей, что на равновесной орбите (прямая) магнитное поле равно нулю. Система фокусировки представляет собой в этом случае набор магнитов (магнитных квадрупольных линз), создающих магнитное поле, равное нулю на оси О системы и линейно нарастающее при отклонении от оси (рис. 4). В одной плоскости магниты фокусируют частицы (сила F направлена к оси), в другой - дефокусируют (F направлена от оси). Эти плоскости фокусировки чередуются от магнита к магниту, что и приводит к знакопеременной фокусировке.

При малых энергиях частиц наряду с магнитной фокусировкой применяется (как в циклических, так и в линейных ускорителях) фокусировка электрическим полем, для чего используется ускоряющее электрическое поле установки. Принцип фокусировки пояснён на рис. 5. В обычном ускоряющем зазоре электрическое поле обычно "провисает" внутрь в центре зазора. Поэтому в первой части зазора оно имеет составляющую, направленную к оси зазора (фокусирующую), во второй - от оси зазора (дефокусирующую). Результирующий фокусирующий эффект получается, если фокусирующее действие оказывается больше дефокусирующего. Поскольку частица, проходя зазор, ускоряется, то во второй части зазора она летит быстрее, т. е. находится там меньшее время, чем в первой, поэтому фокусирующее действие преобладает. Этот эффект, основанный на изменении скорости частицы, называется электростатической фокусировкой. Он имеет заметную величину лишь для малых скоростей частиц, так что его применение в ускорителях ограниченно. Разность действия электрического поля в первой и во второй части зазора может быть обусловлена также изменением электрического поля во времени (электродинамическая фокусировка): если за время пролёта электрическое поле уменьшается, то дефокусирующее действие оказывается меньше фокусирующего. Фокусировка такого типа имеет место в циклотроне и фазотроне как дополнит. фактор к магнитной фокусировке. Однако в линейных ускорителях протонов устойчивой является отрицательная фаза φ₀ (см. выше), при которой поле растет со временем. Поэтому в линейных ускорителях электрическое поле дефокусирует и нужны специальные дополнительные меры для фокусировки частиц.

Можно и к электрическому полю применить принцип знакопеременной фокусировки. Например, с помощью электродов сложной формы можно обеспечить изменение знака фокусирующей силы от зазора к зазору или, меняя от зазора к зазору знак равновесной фазы, можно получить систему со знакопеременной фокусировкой и знакопеременной фазировкой. Такие системы были предложены и разработаны, но они имеют весьма ограниченное применение.

При больших интенсивностях ускоряемых пучков начинает сказываться взаимодействие между отдельными частицами пучка; расталкивание по закону Кулона одноимённо заряженных частиц приводит к ослаблению фокусирующих сил. В циклическом У. з. ч. испускаемое частицами электромагнитное излучение (т. н. Синхротронное излучение, см. ниже) также может вызвать неустойчивость движения. В различных ускорителях взаимодействие заряженных частиц сказывается по-разному, но почти всегда именно оно определяет предельно достижимую интенсивность (наряду с ним иногда оказывается определяющей мощность, необходимая для ускорения пучка).

IV. Основные типы современных ускорителей

А. Циклические ускорители

Синхрофазотрон (протонный синхротрон) - циклический резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магнитным полем (5) и изменяющейся частотой ускоряющего электрического поля (ω_у). При этом ω_y и В меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты R оставался постоянным. В синхрофазотроне частота обращения частиц ω = ω_y /q и ср. значение магнитной индукции <В> на орбите связаны соотношением:

. (7)

Это условие вытекает из формул (3) и (2). Из формулы (7) видно, что с ростом магнитного поля частота обращения сначала увеличивается пропорционально полю, а затем меняется всё медленнее, приближаясь к предельному значению , отвечающему движению частицы со скоростью света; соответственно должна изменяться частота ускоряющего поля ω_у = ωq. Постоянство радиуса равновесной орбиты позволяет сделать магнит синхрофазотрона в виде сравнительно узкого кольца, что сильно удешевляет установку. Из всех современных У. з. ч. синхрофазотроны позволяют получать самые высокие энергии частиц. До 1972 самым большим ускорителем в мире являлся Серпуховский синхрофазотрон (СССР), ускоряющий протоны до энергии 76 Гэв. В 1972 в США (Батейвия) запущен синхрофазотрон на 200 Гэв, в 1975 его энергия была увеличена до 400 Гэв, а в 1976 - до 500 Гэв. В 1976 введён в строй ускоритель на 400 Гэв в Европейском центре ядерных исследований (См. Европейский центр ядерных исследований)(ЦЕРН, близ Женевы). Проектируются синхрофазотроны на 1000 Гэв и выше.

Поскольку предельное значение магнитного поля ограничено техническими возможностями, то, как следует из соотношения (2), увеличение энергии неизбежно сопряжено с увеличением радиуса установки. Для максимальных достигнутых энергий радиус ускорителей составляет сотни м, а в проектируемых ускорителях на сверхвысокие энергии - несколько км. Именно размер установки, а следовательно и её стоимость, ограничивает предельную достижимую энергию в ускорителе. Наименьшая энергия, для получения которой применяют синхрофазотроны, составляет примерно 1 Гэв, для получения протонов меньшей энергии целесообразно применять фазотроны (см. ниже).

Протоны вводятся (инжектируются) в синхрофазотрон извне из др. ускорителя меньшей энергии. Таким предварительным ускорителем служит линейный ускоритель, а иногда также вспомогательный (бустерный) кольцевой ускоритель, для которого, в свою очередь, инжектором служит линейный ускоритель. Такая многоступенчатая схема, повышая энергию инжекции, облегчает условия работы основного ускорителя (легче выдержать допуски на точность воспроизведения магнитного поля при инжекции, в меньшем диапазоне нужно изменять частоту ускоряющего поля) и удешевляет его, а также повышает достижимую в ускорителе интенсивность ускоренного пучка.

В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магнитная система состоит из нескольких магнитных секторов (рис. 6), разделённых прямолинейными промежутками. В промежутках располагаются системы ввода, ускоряющие устройства, системы наблюдения за пучком, вакуумные насосы и др. Вводное устройство служит для перевода частиц из инжектора в вакуумную камеру основного ускорителя. Обычно ввод производится с помощью импульсного отклоняющего устройства, электрическое или магнитное поле которого "заворачивает" впускаемые частицы, направляя их по орбите. В вакуумной камере, представляющей собой сплошную замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты, создаётся с помощью непрерывно действующих откачивающих насосов достаточно низкое (Ускорители заряженных частиц10^-6 мм рт. ст.) давление, чтобы рассеяние ускоряемых частиц на остаточном газе не приводило к расширению пучка и потере частиц. Закруглённые участки камеры расположены в зазорах между полюсами электромагнитов, создающих внутри камеры магнитное поле, необходимое для управления движением частиц по замкнутой орбите (заворачивания частиц по орбите). Т. к. радиус равновесной орбиты должен оставаться постоянным, необходимо, чтобы магнитное поле росло в процессе ускорения от значения, соответствующего энергии инжекции, до максимального значения, соответствующего конечной энергии. Возрастание магнитного поля осуществляет ся увеличением силы тока, протекающего через обмотки электромагнитов. Форма полюсов магнитов подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание магнитного поля по радиусу в соответствии с условием (4), необходимое для устойчивого движения частиц в поперечном направлении. В одном или нескольких зазорах расположены ускоряющие устройства, создающие переменное электрическое поле. Частота поля изменяется в строгом соответствии с изменением магнитного поля [см. формулу (7)]. Необходимая точность воспроизведения частоты очень велика. Это достигается обычно с помощью системы автоматического слежения за частотой по данным о положении частиц: ошибка в частоте приводит к отходу частиц от равновесного положения, чувствительные датчики регистрируют этот отход, их сигнал усиливается и используется для введения необходимых поправок в частоту.

Под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения q. В процессе ускорения сгустки сокращаются по длине, сжимаясь к равновесной фазе. Одновременно происходит уменьшение поперечных размеров пучка, который в начале ускорения занимает почти всё сечение вакуумной камеры.

Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается прежде всего устройством магнитной системы, состоящей из большого числа магнитов, в которых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магнитного поля по радиусу. Фокусировка частиц в этом случае значительно сильнее, чем в слабофокусирующем ускорителе. Каждый магнит (рис. 7) осуществляет две функции: заворачивает частицы по орбите и фокусирует их (система с совмещёнными функциями). Применяется также магнитная структура с разделёнными функциями, в которой для заворачивания частиц используются магниты с однородным полем, а фокусировка осуществляется с помощью магнитных квадрупольных линз, расположенных в промежутках между магнитами.

Переход к сильнофокусирующим магнитным системам сопряжён с повышением требований к точности изготовления и монтажа магнитов; при длине кольцевого магнита больше 1 км точность монтажа измеряется десятыми и сотыми долями мм. Это обусловлено большой чувствительностью поведения частиц к различным случайным отклонениям магнитного поля, связанной с резонансной раскачкой пучка. Другая особенность ускорителя с сильной фокусировкой - наличие т. н. критической, или переходной, энергии. При энергии частицы меньше критической устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напряжения (фаза - φ₀ на рис. 1), т.к. с увеличением энергии период уменьшается (как в линейном ускорителе). При энергии частицы больше критической увеличение энергии приводит, напротив, к увеличению периода обращения (как в ускорителе со слабой фокусировкой) и равновесной становится фаза + φ₀. Чтобы при прохождении критической энергии не происходили потери пучка, в момент перехода через критическую энергию в систему вводится быстрое смещение фазы колебаний на 2 φ₀, так что ускоряемые частицы, которые до критической энергии были сгруппированы вблизи устойчивой фазы - φ₀, оказываются в окрестности новой устойчивой фазы + φ₀.

Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутреннюю мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в современных синхрофазотронах составляет 5-30 циклов минуту. В каждом цикле ускоряется 10¹¹-10¹² частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространственного заряда.

В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, магнита), рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить магнитные поля по крайней мере в 3-4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автоматического управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).

Синхротрон - циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нём изменяется во времени лишь магнитное поле, а частота ускоряющего электрического поля остаётся неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц (R = υ/ω), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэв скорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому магнит синхротрона (как и магнит синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и называется также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение). Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:

(8)

(E₀ = m₀c² - энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв), т. е. очень быстро растет с увеличением энергии электрона. [В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжёлых частиц (протонов, ядер) E₀ много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.] В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия eV₀ φcos₀ расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой - из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнительную раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энергии. К 1976 в синхротронах достигнуты максимальные энергии порядка 5-10 Гэв (см. табл. 2). Существуют проекты синхротронов на 100-150 Гэв. В синхротронах на меньшие энергии (сотни Мэв) вместо инжекции извне (как в синхрофазотроне) часто применяют бетатронную инжекцию: ускоритель сначала работает как бетатрон (см. ниже), а после достижения электроном релятивистских скоростей (υ ≈ c) включается ускоряющее ВЧ поле и ускоритель переходит на синхротронный режим.

Табл. 2. - Крупнейшие циклические ускорители

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Местонахождение | Максимальная | Диаметр | Сечение | Тип инжектора | Энергия | Год |

| | энергия, Гэв | установки, | камеры, см | | инжекции, | запуска |

| | | м | | | Мэв | |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Синхрофазотроны |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Дубна (СССР) | 10 | 72 | 35×120 | Линейный | 9,4 | 1957 |

| | | | | ускоритель | | |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Аргонн (США) | 12,7 | 55 | 15×82 | то же | 50 | 1963 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Женева (Швейцария) | 28 | 200 | 7×15 | то же | 50 | 1959 |

| | | | | Бустер | 800 | 1972 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Брукхейвен (США) | 33 | 257 | 8×17 | Линейный | 200 | 1960 |

| | | | | ускоритель | | |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Серпухов (СССР) | 76 | 472 | 12×20 | " | 100 | 1967 |

| | | | | (строится бустер) | | |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Батейвия (США) | 500 (на 1976) | 2000 | 5×13 | Бустер | 8000 | 1972 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Синхротроны |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Дарсбери | 5,2 | 70 | (4-6) ´(11- | Линейный | 43 | 1966 |

| (Великобритания) | | | 15) | ускоритель | | |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ереван (СССР) | 6,1 | 69 | 3×10 | то же | 50 | 1967 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Гамбург (ФРГ) | 7,5 | 101 | (4-7) ´(10- | " | 300-500 | 1964 |

| | | | 12) | | | |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Корнелл (США) | 12,2 | 250 | 2,5×5,5 | " | 150 | 1967 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Фазотроны |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Женева (Швейцария) | 0,60 | 5,0 | - | " | - | 1957 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Дубна (СССР) | 0,68 | 6,0 | - | " | - | 1953 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ленинград (СССР) | 1,00 | 6,85 | - | " | - | 1968 |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты) - третий основной тип резонансных циклических ускорителей, работающих на принципе автофазировки. В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется. Из соотношения (3') видно, что для увеличения равновесной энергии частоту следует уменьшать. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, α-частиц). Крупнейшие современные фазотроны дают протоны с кинетической энергией до 1000 Мэв. В фазотроне частицы движутся по спиральным траекториям от центра, где расположен ионный источник (газовый разряд), к периферии вакуумной камеры (рис. 8). Энергию они приобретают за счёт многократного прохождения ускоряющего зазора. Ускоренные частицы либо используются внутри камеры, либо выводятся наружу с помощью отклоняющих систем. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора - конденсатора переменной ёмкости, включенного в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.

В фазотронах с однородным по азимуту магнитным полем фокусировка по вертикали очень слабая, т.к. n < 1. Для её увеличения иногда применяют дополнительные модуляции магнитного поля по азимуту, т. е. используют знакопеременную фокусировку.

Описанные 3 типа резонансных ускорителей, основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: определённая группа захваченных в синхротронный режим частиц повышает свою энергию по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магнитного поля. После достижения максимальной энергии эта группа частиц либо используется внутри камеры, либо выводится из ускорителя; параметры ускорителя возвращаются к исходным значениям, и начинается новый цикл ускорения. Длительность импульса ускорения в синхротронах и фазотронах порядка сотых долей сек, в синхрофазотронах - несколько сек.

Циклотрон - циклический резонансный ускоритель протонов (или ионов), в котором и магнитное поле, и частота ускоряющего электрического поля постоянны. В отличие от ранее описанных ускорителей, циклотрон - ускоритель непрерывного действия. Конструктивно он весьма схож с фазотроном. Частицы из ионного источника непрерывно поступают в вакуумную камеру и ускоряются электродами, двигаясь по спирали. Однако поскольку в циклотроне с однородной фокусировкой ω_y и В постоянны во времени, а энергия частиц растет, то условие резонанса (3') нарушается: резонансное ускорение может происходить лишь до тех пор, пока приобретённая кинетическая энергия W много меньше энергии покоя m₀с², т. е. пока не сказывается эффект релятивистского возрастания массы частицы. Это и определяет предел достижимых энергий в циклотроне (для протонов примерно 10-20 Мэв), причём предельная энергия достигается при очень больших значениях напряжения на ускоряющих электродах. Зато циклотрон вследствие работы в непрерывном режиме обладает преимуществом по интенсивности. Магнитное поле в циклотроне очень слабо спадает по радиусу (сильное спадание поля ещё больше усилило бы отклонение от точного резонанса). Поэтому фокусировка магнитным полем в вертикальном направлении очень слабая (n ≈ 0), особенно в центре магнита. Однако в центральной области скорости частиц ещё малы и существенное влияние оказывает фокусировка электрическим полем.

Соблюдение точного резонанса между частицей и ускоряющим полем постоянной частоты можно обеспечить и в циклотроне, если магнитное поле будет расти по радиусу. В ускорителе с однородной фокусировкой это недопустимо из-за неустойчивости движения в вертикальном направлении. Если же использовать знакопеременную фокусировку, то можно реализовать устойчивое ускорение до значительно больших энергий, чем в обычных циклотронах. Такого типа установки (секторные, или изохронные, циклотроны), обладая преимуществом большой интенсивности, свойственным циклотронам, способны давать интенсивные пучки протонов при энергиях до 1000 Мэв. Изохронный циклотрон SIN (Швейцария) даёт протонный ток 12 мка (максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне - 590 Мэв).

Микротрон (электронный циклотрон) - циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q. Частица обращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. При этом, если частица с самого начала обращалась в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. Например, первый оборот частица проходит за один период ускоряющего поля (т. е. q = 1), второй за два (q = 2), третий - за три (q = 3) и т.д. Ясно, что частица попадает при этом в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. Микротрон - ускоритель непрерывного действия и способен давать токи порядка 100 ма, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (СССР, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.

Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили.

Бетатрон - единственный циклический ускоритель (электронов) нерезонансного типа. Ускорение электронов в бетатроне производится вихревым электрическим полем индукции, создаваемым переменным магнитным потоком, проходящим через сердечник (центральную часть) магнита. Кольцевая вакуумная камера расположена в магнитном зазоре, где с помощью полюсных наконечников сформировано спадающее магнитное поле, обеспечивающее обращение частиц по окружности и фокусировку частиц около среднего равновесного радиуса (см. рис. 9). Для того чтобы радиус орбиты оставался постоянным, между скоростью прироста энергии, определяемой изменением поля в центральной части, и скоростью увеличения заворачивающего магнитного поля должно существовать определённое соотношение (бетатронное условие). Оно сводится к условию:

(9)

и означает, что поле на орбите (В_орб) должно быть в 2 раза меньше среднего поля (B_cp) внутри орбиты. При выполнении этого условия и условия фокусировки (4) будет происходить устойчивое ускорение частиц на орбите постоянного радиуса. Бетатрон - ускоритель импульсного действия и может служить источником электронов до энергии порядка 100-300 Мэв. Однако для энергий выше 100-200 Мэв более удобен синхротрон, не имеющий громоздкого центрального сердечника. Особенно распространены бетатроны на средние энергии - 20-50 Мэв, используемые для различных целей и выпускаемые серийно. Как уже отмечалось, бетатронным режимом ускорения часто пользуются в синхротронах для предварительного ускорения. Т. к. это ускорение производится до небольшой энергии, необходимый для бетатронного ускорения сердечник невелик и существенно не усложняет конструкции синхротрона.

Б. Линейные ускорители

Линейный электростатический ускоритель - см. Ускоритель высоковольтный.

Линейный индукционный ускоритель. В этом У. з. ч. для ускорения используется эдс индукции, возникающая при изменении кольцеобразного магнитного поля. Вдоль оси ускорителя устанавливаются ферромагнитные кольца, охватываемые токовыми обмотками. При резком изменении тока в обмотках происходит быстрое изменение магнитного поля, которое согласно закону электромагнитной индукции создаёт на оси ускорителя электрическое поле Е. Заряженная частица, пролетающая за время существования этого поля вдоль оси, приобретает энергию eEL, где L - пройденное расстояние. Чтобы ускоряющее поле было достаточно велико, нужно быстро изменять магнитное поле, поэтому время существования ускоряющего поля и, следовательно, длительность импульса ускорения невелики (порядка 10^-9-10^-6 сек). Преимущества линейных индукционных ускорителей - большие значения тока ускоренных частиц (сотни и тысячи а), большая однородность пучка (малый разброс по энергии и малые скорости поперечного движения) и большой кпд, т. е. коэффициент преобразования затрачиваемой в ускоряющей системе энергии в энергию пучка. Существующие линейные индукционные ускорители дают электронные пучки с энергией в несколько Мэв. Они применяются преимущественно как источники интенсивных пучков релятивистских электронов в установках для коллективного ускорения частиц и для исследований по термоядерному синтезу, однако по своим возможностям они допускают значительно более широкое применение.

Линейные резонансные ускорители - наиболее распространённый тип линейных ускорителей, особенно на большие энергии. Линейные резонансные ускорители электронов дают энергии от десятков Мэв до Ускорители заряженных частиц 20 Гэв, протонов - до 800 Мэв. Существ, различие между протонным и электронным линейными ускорителями обусловлено главным образом тем, что протоны ускоряются до нерелятивистских или слаборелятивистских скоростей, тогда как электроны - до ультрарелятивистских скоростей; протонные ускорители на энергии Ускорители заряженных частиц 600-800 Мэв, при которых релятивистские эффекты становятся заметными, конструктивно сближаются с электронными (см. табл. 3).

Табл. 3. - Крупнейшие линейные ускорители

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Местонахождение | Год | Максимальная | Длина, | Длительность | Максимальный | Максимальный |

| | запуска | энергия, Мэв | м | импульса | средний ток, | ток в |

| | | | | ускоряемых | мка | импульсе, ма |

| | | | | частиц, мксек | | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Электронные |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Харьков (СССР) | 1964 | 1800 | 240 | 1,4 | 0,8 | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Станфорд (США) | 1966 | 22300 | 3050 | 1,6 | 48 | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Протонные |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Серпухов (СССР), | 1967 | 100 | 80 | 300 | | 180 |

| инжектор | | | | | | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Батейвия (США), | 1970 | 200 | 145 | 400 | | 120 |

| инжектор | | | | | | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Лос-Аламос | 1972 | 800 | 795 | 500 | 30 | |

| (США) | | | | | | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Мезонная | строится | 600 | 450 | 100 | 500 | |

| фабрика, АН | | | | | | |

| СССР | | | | | | |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Протонные линейные резонансные ускорители. Идея линейного резонансного ускорителя выдвинута в 1924 швед. учёным Г. Изингом и в 1928 реализована на модели Видероэ. Ускоритель (рис. 10) представляет собой систему пролётных трубок (полых цилиндров), присоединённых через одну к разным полюсам источника переменного напряжения. Электрическое поле не проникает внутрь трубок, а сосредоточено в зазорах между ними. Длина трубок подобрана так, что частицы, попавшие в первый зазор между трубками в момент, когда поле ускоряет частицы, будут и в последующих зазорах попадать в ускоряющую фазу поля (резонанс), т. е. их энергия будет непрерывно повышаться. Ускоритель примерно такого типа был реализован в 1931 Э. О. Лоуренсом и Д. Слоуном (США).

Успехи ВЧ радиотехники в 40-е гг. дали дальнейший толчок, развитию протонных линейных резонансных ускорителей. Вместо цепей с сосредоточенными постоянными в современных ускорителях протонов применяется обычно схема, предложенная амер. физиком Л. Альваресом, представляющая собой резонатор с дрейфовыми трубками. В объёме резонатора цилиндрической формы создаётся переменное электрическое поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые частицы пролетают систему дрейфовых (пролётных) трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению частиц (рис. 11). Когда же поле направлено в противоположную сторону, частицы находятся внутри трубок, куда поле не проникает.

В линейном резонансном ускорителе, как было указано выше, действует механизм автофазировки, так что частицы, расположенные в некоторой области вблизи равновесной частицы (область захвата), ускоряются вместе с ней, набирая в среднем такую же энергию. Устойчивая равновесная фаза в линейном ускорителе отрицательна, т. е. находится на участке, где поле растет. Поэтому электрическое поле оказывает в линейном ускорителе дефокусирующее действие и нужно принимать специальные меры для обеспечения фокусировки протонов. В ускорителях на небольшие энергии можно применять фольговую или сеточную фокусировку: входы дрейфовых трубок перекрываются фольговой или сетчатой перегородкой. Это приводит к деформации поля между трубками, при которой дефокусирующая область почти полностью исчезает. В ускорителях на большие энергии этот метод фокусировки неприменим (фольги и сетки приводят к недопустимым потерям интенсивности и, кроме того, перегорают под действием пучка). Наиболее распространённый метод фокусировки - знакопеременная фокусировка с помощью магнитных квадрупольных линз (располагаемых внутри дрейфовых трубок), создающих в окрестности оси ускорителя магнитное поле, линейно нарастающее по мере удаления от оси. Качественно фокусировка таким полем объясняется так же, как в циклических ускорителях.

Преимущество линейных ускорителей над циклическими - отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50-100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше которого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнической точки зрения, т.к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрического поля (слишком мало шунтовое сопротивление). Для ускорения до больших энергий разработаны специальные системы связанных резонаторов; может также применяться волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных ускорителях; см. ниже). Современные линейные ускорители протонов на большую энергию состоят из двух ступеней: в первой ускорение производится до 100-200 Мэв резонаторами типа Альвареса, во второй - резонаторами иного типа, имеющими при этих скоростях частиц более благоприятные характеристики. По такой двухступенчатой схеме реализован линейный протонный ускоритель в Лос-Аламосе (США) на 800 Мэв, дающий средний ток 30 мка (проектируется повышение тока до 1000 мка), предназначенный для физических опытов с интенсивными вторичными пучками (т. н. мезонная фабрика). По этой же схеме в СССР разработана мезонная фабрика на 600 Мэв.

Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё одним существенным преимуществом над циклическими - в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия современных линейных электронных ускорителей составляет 20 Гэв, но она диктуется только экономическими соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины. Для электронных ускорителей, в которых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов её нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, например, введением в волновод перегородок (диафрагм; рис. 12). Близость скорости электронов к скорости света приводит к особенностям в движении электронов относительно ускоряющей волны. Для электронов отсутствует механизм автофазировки: изменение энергии электрона практически не приводит к изменению его скорости и, следовательно, к перемещению относительно ускоряющей волны. Фокусировка в поперечном направлении тоже оказывается, как правило, ненужной, т.к. случайные поперечные скорости электронов убывают по мере роста их энергии (по закону сохранения импульса постоянным остаётся поперечный импульс mυ (, а т.к. по теории относительности масса m растет с ростом энергии, то скорость υ (убывает). Кроме того, поперечное кулоновское расталкивание в электронных ускорителях оказывается почти скомпенсированным магнитным притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки могут, однако, возбуждать в ускоряющем волноводе паразитные волны, раскачивающие пучок и приводящие к его неустойчивости. Этот эффект особенно существен в больших ускорителях, где он ограничивает предельно достижимые токи. Разработан ряд инженерных методов подавления этого эффекта.

Широко распространены линейные резонансные электронные ускорители на малые (порядка десятков Мэв) энергии, используемые для исследований по ядерной н нейтронной физике и для прикладных целей.

Ведутся интенсивные исследования возможностей применения сверхпроводящих материалов для стенок резонаторов и волноводов в протонных и электронных ускорителях. Это сильно сократило бы расход ВЧ мощности и позволило бы перейти на работу ускорителей в непрерывном режиме.

Описанные типы У. з. ч. применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц. Электронные ускорители практически без переделок могут быть использованы для ускорения позитронов. Для ускорения тяжёлых частиц используются различные типы протонных ускорителей. Наибольшая энергия ионов достигнута на ускорителе "Бэвалак" (Bevalac, США) типа синхрофазотрона, где в 1974 получены ускоренные ядра вплоть до ядер аргона с энергией 2 Гэв на нуклон. В Дубне разработан проект ускорителя ("нуклотрона"), рассчитанного на получение 16 Гэв на нуклон. Как источник тяжёлых ионов применяются также ускорители типа циклотрона и линейные ускорители.

Лит.: Гринберг А. П., Методы ускорения заряженных частиц, М. - Л., 1950, Ускорители, [сб. статей], пер. с англ. и нем., М., 1962; Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М 1970; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители М., 1969; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский электрон, М., 1974.

Э. Л. Бурштейн.

Рис. 1. К пояснению механизма автофазировки.

Рис. 2. При "бочкообразной" форме магнитного поля сила F, действующая на отклоненную частицу (1), имеет составляющую F_z, фокусирующую частицу по вертикали; F_R - радиальная составляющая F; 2 - полюсные наконечники.

Рис. 3. Схема расположения магнитов в сильнофокусирующем ускорителе: Д - магниты, дефокусирующие по радиусу (n >> 1), Ф - фокусирующие по радиусу (n << -1); пунктирная кривая - орбита неотклонённой частицы (равновесная орбита), сплошная кривая - орбита отклонённой частицы.

Рис. 4. Поле магнитной квадрупольной линзы: N, S - северный и южный полюсы магнита, F - сила действия магнитного поля на частицу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (в центре О F = 0).

Рис. 5. Распределение электрического поля в ускоряющем зазоре между электродами А и В; F_x, F_y - продольная и поперечная составляющие силы F, действующей на частицу.

Рис. 6. Схема слабофокусирующего синхротрона или синхрофазотрона: 1 - инжектор; 2 - система ввода; 3 - вакуумная камера; 4 - сектор электромагнита; 5 - прямолинейный промежуток; 6 - ускоряющее устройство. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка.

Рис. 7. Схематический разрез магнита ускорителя с сильной фокусировкой: 1 - полюсные наконечники, обеспечивающие сильное изменение магнитного поля В по радиусу; 2 - обмотки электромагнита; 3 - сечение вакуумной камеры.

Рис. 8. Схема движения частиц в циклотроне и фазотроне; магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. 1 - ионный источник; 2 - орбита ускоряемой частицы (спираль); 3 - ускоряющие электроды; 4 - выводное устройство (отклоняющие пластины); 5 - источник ускоряющего поля.

Рис. 9. Схематический разрез бетатрона: 1 - полюсы магнита; 2 - сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 - центральный сердечник; 4 - обмотки электромагнита; 5 - ярмо магнита.

Рис. 10. Схема ускорителя Видероэ с пролётными трубками: 1 - пролётные трубки; 2 - источник переменного напряжения; 3 - область действия электрического поля Е.

Рис. 11. Схематический разрез резонатора (1) линейного ускорителя с дрейфовыми трубками (2). Вблизи оси электрическое поле Е сосредоточено лишь в зазорах между трубками.

Рис. 12. Схематический разрез волновода с диафрагмами (1). Стрелками показано распределение поля, бегущего вдоль волновода; 2 - ускоряемый сгусток электронов.