БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (УС)
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 траектории Характер ускоряющего поля Магнитное поле Частота ускоряющего поля Фокусировка Название Ускоряемые частицы Окружность или спираль Циклические ускорители Нерезонансный, индукционный Переменное — Однородная Бетатрон Электроны Резонансный Постоянное Постоянная « Циклотрон Микротрон Протоны (или ионы) Электроны « « Знакопеременная Изохронный циклотрон Секторный микротрон Протоны Электроны « Переменная Однородная Знакопеременная Фазотрон Секторный фазотрон Протоны Переменное Постоянная Однородная Знакопеременная Синхротрон слабофокусирующий Синхротрон сильнофокусирующий Электроны « Переменная Однородная Знакопеременная Синхрофазотрон слабофокусирующий Синхрофазотрон сильнофокусирующий Протоны Прямая Линейные ускорители Hepeзонансный, электростатический — — — Электростатический ускоритель, каскадный ускоритель Протоны, электрон ны Нерезонансный, индукционный — — — Линейный индукционный ускоритель Электроны Резонансный — Постоянная — Линейный резонансный ускоритель Протоны, электро-i ныIII. 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 <R> орбиты соотношением:
(1)
(u — скорость частицы). Средний радиус орбиты равен
(2)
где Е = mc 2 — полная релятивистская энергия частицы массы m, равная сумме энергии покоя частицы E 0 = m 0 с 2 и её кинетической энергии W (m 0 — 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 Ту 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 eV 0 cos j0 , где j0 — равновесная фаза, т. е. фаза поля, действующего на равновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a V 0 — амплитуда напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетической энергии W макс частица должна совершить N = W макс /eV 0 cosj0 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/u между соседними ускоряющими зазорами (L — расстояние между центрами зазоров, u — скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Ту = l/с , где l — длина волны электромагнитного поля. Энергия W макс набирается при прохождении N = W макс /eV 0 cos j0 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 (u растёт быстрее, чем <R> ), а при больших энергиях — увеличивается с ростом энергии (<R> растет быстрее, чем u, которая ограничена скоростью света). При периоде, растущем с энергией, устойчива правая фаза на рис. 1 : если частица случайно попадёт в фазу j1 > j0 , она приобретёт энергию меньше равновесной, поэтому её период обращения станет меньше равновесного, частица отстанет по фазе и, следовательно; её фаза приблизится к равновесной фазе j0 . Если же период уменьшается с ростом энергии, то фаза j0 становится неустойчивой, а устойчивой будет симметричная ей фаза — j0 . Как бы то ни было, если eV 0 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 eV0 cos j0 определяется условием резонанса: T = qTy , где q — целое число, называется кратностью частоты, или кратностью ускорения. Так, для циклического ускорителя энергия равновесной частицы
