Циклічні прискорювачі елементарних частинок

Мал..1

На мал.2 циклотрон наступного покоління, який дозволяв прискорювати протони і дейтрони до енергій в декілька Мев. На Мал. 2. С. Лівінгстоун і Э. Лоуренс біля 27-дюймового циклотрона, який широко використовувався в експериментальних дослідженнях ядерних реакцій і штучної радіоактивності. У винайденому ними циклотроні пучок екранується від дії електричного поля в той напівперіод, коли воно діє заторможуючи.

Мал.2

Заряджена частинка з масою m і зарядом q, рухається із швидкістю v в магнітному полі H, направленому перпендикулярно її швидкості, описує в цьому полі коло радіусом R = mv/qH. Оскільки прискорення приводить до збільшення швидкості v, зростає і радіус R. Таким чином, протони і важкі іони рухаються по спіралі, що розкручується, все зростаючого радіусу. При кожному оберті по орбіті пучок проходить через щілину між дуантами - високовольтними порожнистими D-подібними електродами, де на нього діє високочастотне електричне поле (мал. 3).

Мал.3

Мал. 3. ПОРОЖНИСТІ ДУАНТИ циклотрона. Полярність напруги на дуантах міняється після кожного півоберта, так що частинки прискорюються в щілині, досягнувши крапки А, потім крапки В і т.д. впродовж великого числа оборотів. 1 - електричне поле; 2 - дуант; 3 - прискорююча напруга.

Лоуренс поміркував, що час між проходженнями пучка через щілину у разі нерелятивістських частинок залишається постійним, оскільки зростання їх швидкості компенсується збільшенням радіусу. Впродовж тієї частини періоду звернення, коли високочастотне поле має невідповідну фазу, пучок знаходиться поза щілиною. Частота звернення задається виразом

де f - частота змінної напруги в Мгц, Н - напруженість магнітного поля в Тл, а mc2 - маса частинки в Мев. Якщо величина H постійна в тій області, де відбувається прискорення, то частота f, очевидно, не залежить від радіусу.

Мал.4

Мал. 4. Схема циклотрона: вигляд зверху і збоку: 1 - джерело важких заряджених частинок (протонів, іонів), 2 - орбіта прискорюваної частинки, 3 - прискорюючі електроди (дуанти), 4 - генератор прискорюючого поля, 5 - електромагніт. Стрілки показують силові лінії магнітного поля. Вони перпендикулярні площині верхнього малюнка.Для прискорення іонів до високих енергій необхідно лише, щоб магнітне поле і частота високовольтної напруги відповідали умові резонансу; тоді частинки двічі за поворот проходитимуть через щілину між дуантами в потрібний момент часу. Для прискорення пучка до енергії 50 Мев при прискорюючій напрузі 10 Кев буде потрібно 2500 оборотів. Робоча частота протонного циклотрона може складати 20 Мгц, так що час прискорення - близько 1 мс.

Як і в лінійних прискорювачах, частинки в процесі прискорення в циклотроні повинні фокусуватися в поперечному напрямі, інакше всі вони, окрім інжекторованих з швидкостями, паралельними полюсним наконечникам магніта, випадуть з циклу прискорення. У циклотроні можливість прискорення частинок з кінцевим розкидом по кутах забезпечується магнітним полем особливої конфігурації, при якій на частинки, що виходять з площини орбіти, діють сили, що повертають їх в цю площину. На жаль, на вимоги стабільності згустка прискорюваних частинок фокусуюча компонента магнітного поля повинна зменшуватися із збільшенням радіусу. А це протирічить умові резонанса і приводить до ефектів, що обмежують інтенсивність пучка. Інший істотний чинник, що знижує можливості простого циклотрона, - релятивістське зростання маси, як необхідний наслідок збільшення енергії частинок:

У разі прискорення протонів синхронізм порушуватиметься із-за релятивістського приросту маси приблизно при 10 Мев. Один із способів підтримки синхронізму - модулювати частоту прискорюючої напруги так, щоб вона зменшувалася у міру збільшення радіусу орбіти і збільшення швидкості частинок. Частота повинна змінюватися згідно із законом

Такий синхроциклотрон може прискорювати протони до енергії в декілька сотів мегаелектровольт. Наприклад, якщо напруженість магнітного поля рівна 2 Тл, то частота повинна зменшуватися приблизно від 32 Мгц у момент інжекції до 19 Мгц і менш при досягненні частинками енергії 400 Мев. Така зміна частоти прискорюючої напруги повинна відбуватися впродовж декількох мілісекунд. Після того, як частинки досягають вищої енергії і виводяться з прискорювача, частота повертається до свого початкового значення і в прискорювач вводиться новий згусток частинок.