Циклічні прискорювачі елементарних частинок

Але навіть при оптимальній конструкції магніта і якнайкращих характеристиках системи підведення високочастотної потужності можливості циклотронів обмежуються практичними міркуваннями: для утримання на орбіті прискорюваних частинок з високою енергією потрібні надзвичайно великі магніти. Так, маса магніта циклотрона на 600 Мев, спорудженого в лабораторії ТРІУМФ в Канаді, перевищує 2000 т, і він споживає електроенергію близько декілька мегават. Тому для досягнення вищих енергій при практично прийнятних витратах потрібні нові принципи прискорення.

2.2 Ізохронний циклотрон.

Розроблені на основі принципу жорсткого фокусування циклотрони отримали назву ізохронних – частинка витрачає один і той же час на обертання навколо центральної осі, незалежно від радіуса траєкторії, по якій

вона рухається. Ізохронні циклотрони повинні включати в себе по-різному фокусуючі поля, що знаходяться по довжині шляху слідування частинки. На відміну від синхротронів магнітне поле циклотронів створюється не на коловій орбіті , а в широкій області, що містить центр прискорювача. Аналіз показує, що області однакового поля вірогідніше розташовуються не вздовж радіусів, а вздовж викривлення, збігаючись в центрі ліній, що створює нагадування розетки. Немає ніякої потреби щоб магніт такого циклотрона цілком накривав його вакуумну камеру. Магніти можуть займати окремі – зігнуті – сектора, між якими розташовують зони, вільні від поля. При цьому прискорювач залишається циклотроном, тобто працює з постійним магнітним полем і з високочастотним полем незмінної частоти.

Магнітне поле повинно змінюватися з радіусом так же, як і релятивіська маса частинки, тобто

H=HO/

Тоді частота обертання Ω буде залишатися сталою, рівною частоті прискорюючого поля. Так як β=v/c=Ωr/c, то вказаній вимозі задовольняє магнітне поле виду:

H=

При сталій Ω прискорювачі, які використовують цей принцип, називають ізохронними циклотронами. Вони працюють в неперервному режимі і дають можливість отримувати сильні струми 0,1- 1 мА, що і звичайні циклотрони. Ізохронні циклотрони мають великі магніти, а тому досить дорогі.Здавалося, що такі прискорювачі працювати не можуть, так як в них магнітне поле зростає з радіусом. Але виникаючу із-за цього вертикальну нестійкість вдається компенсувати азимутальною неоднорідністю магнітного поля досить складної форми. Розрахунки показують що це можна зробити до енергії не вище 1 Гев. Більшість ізохронних циклотронів проектуються і будуються для прискорення протонів до 50 – 100 Мев. З винайденням ізохронних циклотронів відпала необхідність в фазотронних. Більш того наявні фазотрони починають перероблювати. Так реконструюють фазотрон що знаходить в місті Дубно. Однак цей прискорювач і після реконструкції залишається фазотроном – частота прискорюючої напруги буде продовжувати дещо змінюватися, хоча і в суттєво меншому діапазоні ніж раніше, це дає можливість більш ніж на порядок підвищити інтенсивність прискорючих в ньому пучків.

2.3 Фазотрон

У фазотроні використовується спосіб зміни частоти електричного поля. Фазотрон, або, як його іноді називають, синхроциклотрон, зберігає в собі майже всі риси свого попередника - циклотрона. Тут є електромагніт, але тільки збільшених розмірів, високочастотний генератор і вакуумна камера. Як і в циклотроні, прискорення починається від центру магніта. У момент впускання іонів в камеру частота електричного поля на дуантах близька до максимальної (точка t1 мал. 5). Вона відповідає нульовим швидкостям іонів і, отже, постійній масі. У міру збільшення швидкості іонів, частота зменшується до свого мінімального значення, яке відповідає найбільшій енергії іонів. Дещо раніше цього моменту прискорені частинки або ударяються у мішень, або виводяться назовні (точка t2) - Після того, як частота досягне знову максимального значення, починається новий цикл прискорення.

Мал. 5 Зміна частоти у фазотроні.

Познайомимося з даними одно з найбільших фазотронів, працюючого в СРСР з 1949 р. і належного Об'єднаному інститутуядерних досліджень.У цьому прискорювачі протони розгоняться до енергії 680 Мев. Магніт прискорювача має висоту триповерхового будинку і важить 7000 тонн. Діаметр його полюсів складає 6 метрів. Значний спад магнітного поля від центру до країв (4,9%) забезпечує краще чим в циклотроні, вертикальне фокусування пучка. Тут можна допустити сильніший, ніж в циклотроні, спад магнітного поля, не боячись виходу частинок з резонансу. Полюси магніта є одночасно кришками величезної вакуумної камери, об'єм якої більше тридцяти кубічних метрів. У центрі камери, що відкачується могутніми насосами, поміщається іонне джерело. До нього по трубопроводу від розташованого зовні балона підводиться газоподібний водень (у разі прискорення протонів). Зазвичай у фазотронах обмежуються лише одним дуантом, другим, заземленим електродом є сама вакуумна камера. На дуант фазотрону подається невелика, якщо порівнювати з циклотроном, змінна напруга. Амплітуда його не перевищує 15-20 кіловольт. За час прискорення протонів до 680 Мев маса їх збільшується більш ніж на 72 відсотки. Щоб змінити частоту електричного поля за час прискорення іонів, вдаються до наступного прийому. До дуанту фазотрону приєднують конденсатор, одна з обкладок якого обертається у вакуумі з великою швидкістю. При цьому ємність конденсатора і, отже, ємність всього контура дуанта, періодично змінюється в потрібних межах. Відповідно змінюється і власна частота контура дуанта, залежна від його ємності і індуктивності. Високочастотний генератор з самозбудженням, пов'язаний з таким контуром, створює в нім коливання з частотою, рівній власній частоті контура.