Циклічні прискорювачі елементарних частинок

Мал.17. План прискорювача.

Як показали попередні теоретичні розрахунки і випробування на моделях, рух по таких орбітах є цілком стійким.

Навіщо в синхрофазотроні потрібні прямолінійні ділянки, вільні від дії магнітного поля? В першу чергу для полегшення впускання частинок. На відміну від інших прискорювачів, в синхрофазотрон впускаються вже порівняно швидкі частинки. У синхрофазотрон поступають протони, заздалегідь прискорені спочатку у високовольтній трубці до 600 Кев, а потім в лінійному прискорювачі до енергії 9 Мев. Робиться це для того, щоб скоротити діапазон зміни високої частоти. Швидкість, а за нею і частота збільшуються тут більш ніж в 8 разів (від 182 Кгц до 1,5 Мгц). Якщо ж починати прискорення усередині прискорювача з малих енергій, то було б потрібно технічно нездійсненну зміну частоти.

Розмістити устаткування для зовнішнього впускання при відстані між полюсами, що становить всього 40 см, дуже важко. Наявність прямолінійного проміжку значно полегшує складне завдання введення частинок в прискорювач.

Перш ніж потрапити у фазотрон з лінійного прискорювача, протони проходять десятиметровий шлях по ввідній системі, що складається з магнітних коректорів, поворотного магніта і магнітної лінзи (мал. 18).

Мал. 18. Ввідна система, по якій протони потрапляють з лінійного прискорювача в прискорювальну камеру синхрофазотрона.

На цьому шляху пучок протонів фокусується і повертається на 75 градусів. «Вприскування» протонів в камеру відбувається в ту мить, коли магнітне поле досягає 150 ерстед. Помилитися з впусканням не можна навіть на мільйонні долі секунди! Магнітне поле іншої величини заверне протони на внутрішню або на зовнішню стінку вакуумної камери. Особливо точним повинен бути витриманий напрям пучка, що впускається, воно коректується з точністю до сотих частинок градуса! У двох інших прямолінійних проміжках поміщаються пролітні трубки - прискорюючи електроди, - пов'язані з генератором високої частоти. За один оберт протони в середньому набувають порівняно невеликої енергії в 2200 електрон-вольт. Але таких обертів по орбіті завдовжки в 200 м протони за час наростання магнітного поля до 13 000 ерстед зроблять близько 4,5 мільйонів! Всього за 3,3 сек протон проходить шлях завдовжки в 900 000 км, тобто в два з гаком разу більше відстані від Землі до Місяця. Весь цей довгий шлях здійснюється у вакуумній камері. Перетин камери складає 2 м завширшки і 36 см у висоту.Вакуумна камера синхрофазотрона - подвійна. Зовнішня камера утворюється полюсними черевиками магніта, ущільненим текстолітом і гумою. У цій камері підтримується тиск в 1 мм. рт. ст. Внутрішня камера виконана з листів нержавіючої сталі, трохи товще за лезо безпечної бритви з ущільненням із спеціальної гуми, і в ній підтримується тиск 0,00001 мм.рт.ст. Дивлячись на великий перетин камери - в ній вільно може влягтися людина високого зросту - можна подумати, що не так вже важко забезпечити успішний рух по ній протонів. Проте це не так. Істотною є не ширина камери, а її відношення до радіусу орбіти; воно складає всього чотири відсотки.

Перш ніж будувати величезний прискорювач, фізики провели складні теоретичні розрахунки. У них було детально розглянутий рух протонів з моменту впуску до кінця прискорення.

Поведінка частинок виявилася дуже складною. По-перше, вони беруть участь в русі по рівноважній орбіті з резонансною частотою. Інший рух частинок - це коливання біля рівноважної орбіти, пов'язані з автофазуванням частинок. Ці радіально-фазові коливання - повільні, період їх в тисячу разів більше періоду звернення частинок. Завдяки радіально-фазовим коливанням протони рухаються по «миттєвих» орбітах. Нарешті, існує третій вид коливань частинок - вільні або бетатронні. Вони відбуваються при відхиленні частинок від орбіти, при впусканні в прискорювач, при розсіянні на залишках газу чи з інших причин. Під дією фокусуючих сил вільні коливання швидко затухають. Розрахунки теоретиків дозволили вибрати оптимальні умови впускання, форму магнітного поля, з'ясувати причини можливих втрат частинок. Були визначені якнайкращі параметри прискорювача, зокрема розміри доріжки, по якій рухаються протони. Щоб добитися руху по такій доріжці, величезний магніт зібраний з точністю до частинок міліметра! Спеціальні обмотки, що коректують, на нім компенсують спотворення, викликані впливом залишкового магнетизму і насичення сталі. Зв'язок частоти електричного поля і магнітного поля підтримується з точністю до 0,1 відсотка.

Електромагніт синхрофазотрону споживає величезну потужність в 140 000 кіловольтампер. Чотири живлячі агрегати забезпечено масивними маховиками. У них запасається енергія, необхідна для створення імпульсу струму в електромагніті. До них же повертається енергія магнітного поля (за вирахуванням втрат на тепло) при його спаді. Перетворення механічної енергії в електричну і зворотне перетворення здійснюються за допомогою синхронних машин, безпосередньо пов'язаних з іонними перетворювачами.