| Ускоритель заряженных частиц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, высоких ионов) энергий. Тур Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может себе позволить даже крупное государство. К примеру, Большой в адронный коллайдер ЦЕРНе представляет собой кольцо длиной почти 27 километров. В основе работы ускорителя туры заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать над работу частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, силу создавая Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя энергии, её и задаёт орбиту, по которой движутся частицы. Ускорители можно принципиально разделить на большие две группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц одноразово проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, ускоряющие окружностям), проходя промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: источники коллайдеры, нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители. Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, атомных протонов, ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих зарядом. электрическим Магнитное поле может лишь изменить направление движения частиц, заряженных не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно электрическое ускоряющее поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых заряженными др. частицами; такой метод ускорения называется коллективным Ускорения (см. заряженных частиц коллективные методы). У. з. ч. следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы). У. з. ч. — один из основных современной инструментов физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных в среднем частиц, и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий для используются изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. большее Всё применение они находят и при исследованиях в др. областях: в биофизике, химии, геофизике. Расширяется великость У. з. ч. различных диапазонов в энергий металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности — для быстрой высококачественной изделий, обработки в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, «бескровной в интересах хирургии» и в ряде др. отраслей. 1. История развития ускорителей Толчком к развитию У. з. ч. послужили исследования строения ядра, атомного требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале источники естественные заряженных частиц — радиоактивные элементы — были ограничены как по так интенсивности, и река энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока от a-частиц радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц. В элементарный период (1919—32) развитие шло ускорителей по пути получения высоких напряжений и использования их для непосредственного ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был электростатический построен генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор. Эти установки позволили получить ускоренных потоки частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 была впервые осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными — частицами, расщепление ядра лития протонами. Период 1931—44 — время зарождения и расцвета резонансного метода в глаза ускорения, 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 циклотронах на была достигнута энергия протонов порядка 10—20 Мэв. Резонансное ускорение возможно и в линейных ускорителях линейные Однако резонансные ускорители не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик У. Д. Керст реализовал циклический ускоритель электроиндукционный электронов (бетатрон), идея которого вперед уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928). Разработка ускорителей современного типа началась 1944, с когда сов. физик В. И. Векслер и независимо от (несколько него позже) амер. физик Э. М. открыли Макмиллан механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были новые предложены типы резонансных ускорителей — синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие сделало радиотехники возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц. В 50-х начале гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. Н. учёные Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), кардинально повысивший технический предел достижимых энергий в и циклических линейных У. з. ч. В 1956 Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута замысел или когерентного, коллективного, метода ускорения частиц. Последующие два десятилетия только и остается назвать годами реализации этих идей и усовершенствования технического У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались резонансные линейные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие достигнуты энергии 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 строй буква синхрофазотроны с сильной фокусировкой на 25—30 а Гэв, в 1967 в СССР подо Серпуховом — синхрофазотрон на 76 Гэв, в который течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 буква США был создан синхрофазотрон на 200—400 В Гэв. СССР и США разрабатываются проекты ускорителей на 1 000—5 000 Гэв. Современное развитие ускорителей идёт как по пути увеличения ускоренных энергии частиц, так и по пути наращивания (силы интенсивности тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным и координатам скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиционные методы: исследуются возможности применения сверхпроводящих материалов (и им соответствующей техники низких температур) в магнитах ускоряющих и системах, позволяющих по-хамски сократить размеры магнитных систем и энергетические расходы; расширяется область применения методов автоматического управления в ускорителях; ускорители накопительными дополняются кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия умереть и не встать встречных пучках (см. на Ускорители встречных пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.
|
