Циклічні прискорювачі елементарних частинок

Мал. 7. Схема розрізного мікротронуВ даний час обмеження на енергії мікротронів зняті використанням його варіанту, названого розрізним мікротроном (запропонований А. Коломенским). Перехід від класичного мікротрону до розрізного можна пояснити за допомогою мал. 7. Якщо магніт класичного мікротрону “розрізати” на дві однакові частини уздовж пунктирної лінії АА і дві ці частини розсунути, залишивши прискорюючий резонатор між половинками магніта, то приходимо до схеми розрізного мікротрону. Тепер простір між магнітами дозволяє замінити невеликий резонатор, що допускає лише малий (≈0.5 Мев) приріст енергії, за оберт, на самостійний (лінійний) прискорювач з енергією 10 Мев і більший і це дозволяє в багато разів збільшити кінцеву енергію електронів (є розрізні мікротрони на енергію 1 Гев).

Мал. 8. Імпульсний розрізний мікротрон на енергію 70 Мев(МГУ)

Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону або схожою з нею в даний час використовується для генерації пучків електронів великої енергії в безперервному режимі. Річ у тому, що прискорювачі, як правило, працюють в імпульсному режимі, наприклад, електрони в них прискорюються протягом короткого тимчасового проміжку t, коли можливе прискорення, після чого слідує порівняно тривала пауза для повернення в режим нового циклу прискорення. Період часу Т між циклами прискорення зазвичай набагато більше тривалості електронного імпульсу (Т >> t). Характерна величина D = ∆t/T, названа робочим циклом, ≈10-3. Таким чином, для фізичних експериментів вдається використовувати лише 0.1% часу роботи прискорювача. Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону дозволяє здійснити безперервний режим роботи прискорювача, коли D рівний або близький до одиниці. Це досягається безперервністю режиму роботи основної прискорювальної структури (лінійного прискорювача), розташованої між розділеними частинами постійного магніта мікротрону. У мікротроні безперервної дії вся прискорювальна камера заповнена електронами, що знаходяться на всіх стадіях прискорення, – від початкової (тобто з найменшою енергією) до максимально можливої. Безперервний режим роботи такого прискорювача дозволяє використовувати для експериментів весь час його роботи і, тим самим, підвищити кількість актів взаємодії, що вивчається, за фіксований час в 1/D≈103 рази, що особливо важливе для дослідження рідкісних подій.

Мал. 9. Прискорювач електронів (TJNAF) з висоти пташиного польоту.

Найбільшим прискорювачем електронів, що працює в безперервному режимі (D = 1) є прискорювач Національної лабораторії ім. Томаса Джеферсона (TJNAF) в м. Ньюпорт-ньюс (США), (Мал. 9,10). Він використовує надпровідні прискорювальні структури і дозволяє прискорювати електрони до енергії 5.71 Гев. Струм його електронного пучка 200 мкА.

Мал. 10. Прискорюючий канал (TJNAF).

3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти:

3.1 Синхротрон

Мал. 11. Схема синхротрона

Синхротрон – кільцевий циклічний прискорювач заряджених частинок, в якому частинки рухаються по орбіті незмінного радіусу за рахунок того, що темп наростання їх енергії в прискорюючих проміжках синхронізовананий із швидкістю наростання магнітного поля на орбіті. Він дозволяє прискорювати як легкі заряджені частинки (електрони, позитрони), так і важкі (протони, антипротони, іони) до найбільших енергій. В даний час всі циклічні прискорювачі на максимальні енергії – це прискорювачі синхротронного типу (їх принцип запропонований в 1944 р. В. Векслером(СРСР) і незалежно в 1945 р. Э. Макмілланом(США).

У синхротронах (мал. 11) магнітне поле змінне і частинки рухаються по одній і тій же замкнутій траєкторії, багато разів проходячи прямолінійні проміжки з прискорюючим електричним полем радіочастотного діапазону. Частинки, що збільшують свою енергію, утримуються на фіксованій орбіті за допомогою наростаючого поля могутніх відхиляючих (у тому числі і надпровідних) кільцевих магнітів. Для утримання частинок на орбіті постійного радіусу темп наростання поля синхронізовананий з темпом наростання енергії частинок (звідси відбувається назва цього типу прискорювача). Після досягнення максимального магнітного поля прискорені частинки або прямують на нерухому мішень, або (у колайдерах) стикаються із стрічним пучком, після чого цикл прискорення повторюється. У синхротронах є два типи кільцевих магнітів, що чергуються: відхиляючі двополюсні (дипольні), такі, що утримують частинки на орбіті, і фокусуючі чотирьохполюсні (квадрупольні). Останні фокусують частинки (як лінзи світло), збираючи їх у вузький пучок, циркулюючий у вакуумній камері.