Ускорители заряженных частиц— устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых другими заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным.Ускоритель заряженных частиц следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

Описание ускорителя заряженных частиц

Ускоритель заряженных частиц — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц,в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителя заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии,для «бескровной хирургии» и в ряде др. отраслей.

Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.

10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Считается, что о машине для ускорения заряженных частиц первым задумался Резерфорд, высказавший эту идею в 1927 году на сессии Лондонского Королевского общества. Но у отца-основателя ядерной физики были предшественники.В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочел в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчик сообразил, что скорость частиц и, следовательно, сила удара увеличатся, если разогнать их в постоянном электрическом поле. При этом Рольф достаточно разбирался в физике, чтобы понять, что этот путь не самый лучший, так как необходимую разность потенциалов в миллионы вольт получить чрезвычайно трудно. Рольф решил, что для разгона частиц стоит использовать следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал. После окончания школы Видероэ поехал в Германию изучать электротехнику в политехническом университете в Карлсруэ, а через три года набросал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны с помощью вихревого электрического поля, возникающего (в полном соответствии с уравнениями Максвелла!) при периодическом изменении магнитного потока. Фактически это обыкновенный электрический трансформатор, в котором одна из катушек заменена вакуумной камерой. Видероэ определил параметры магнитных полей, необходимые для того, чтобы все электроны могли набирать скорость на одной и той же круговой орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя элементарных частиц, причем с точки зрения теории абсолютно безупречный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года...После защиты диплома Рольф вернулся на родину для прохождения военной службы, а затем опять поехал в Германию работать над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить свою схему в железе. Видероэ предполагал построить установку, разгоняющую электроны до 6 МэВ, но тут его постигло разочарование — электроны не желали оставаться на стабильной орбите. Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики осознали это лишь десять лет спустя: в 1940 году профессор университета штата Иллинойс Дональд Керст построил первый действующий индукционный ускоритель электронов на 2,3 МэВ (сейчас такие машины называют бетатронами, в память о тех временах, когда электроны именовали бета-частицами; крупнейший в мире бетатрон на 300 МэВ, построенный тем же Керстом, был введен в действие в 1950 году).Поскольку кольцевой ускоритель не действовал, а сроки защиты приближались, Видероэ решил построить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году придумал шведский физик Густав Изинг. Машина была недостаточно мощной и потому бесполезной для серьезных экспериментов, но она всё же ускоряла в бегущем электрическом поле ионы натрия до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась таким образом, чтобы оставаться в фазе с набирающими скорость частицами. В 1928 году Видероэ благополучно защитился и опубликовал свою работу.В 1943 году он — кажется, первым в мире — понял, что для повышения энергии соударения частиц их можно сталкивать лоб в лоб, предварительно собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сегодня такие устройства называют накопительными кольцами, Видероэ же назвал их «ядерными мельницами». Он запатентовал свою конструкцию в Германии, но в условиях военного времени патент засекретили. Обе его идеи были осуществлены, но много позже и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было построено в 1961 году в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати под руководством Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ после войны успешно трудился в фирме, которая изготовляла бетатроны, применявшиеся в онкологических больницах как мощные источники рентгеновского излучения. Пришло к нему и научное признание, хотя и с запозданием — он стал консультантом в ЦЕРНе и в немецкой лаборатории физики высоких энергий DESY. Но так уж сложилось, что широкой публике этот ученый известен гораздо меньше, чем прочие классики ускорительных технологий.

Линейные ускорители

В 1930-е годы эта система (так называемый каскадный генератор) использовалась довольно широко, но лишь для получения энергий до 1 МэВ (в этом качестве ее используют и поныне). А вот схема Изинга обладает куда лучшими возможностями. По идее она очень проста. Заряженная частица покидает источник и летит по вакуумной камере сквозь множество соосных полых металлических трубок, расположенных вдоль прямой линии. На эти трубки подается переменное электрическое поле, которое частица «ощущает», лишь когда пролетает через зазор (внутри трубок оно экранируется). Таким образом, в трубках частицы летят по инерции — дрейфуют (поэтому трубки и называют дрейфовыми). Частота колебаний электрического потенциала подобрана так, чтобы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась. Набрав расчетную энергию, частицы попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, например, с помощью магнитных линз). Понятно, что параметры дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц.

Если это электроны, которые быстро набирают почти световую скорость, длина трубок может быть одинаковой. Тяжелые частицы, протоны и ионы, разгоняются постепенно, поэтому их надо прогонять через дрейфовые трубки возрастающей длины. Именно такую конструкцию и предложил Изинг. Через двадцать лет ее переоткрыл американец Луис Альварес, и теперь схема носит его имя. В 1946 году Альварес и Вольфганг Панофски построили в Беркли первый в мире линейный ускоритель, который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, вполне достаточной для экспериментов в области ядерной физики. Для создания ускоряющего поля они воспользовались деталями радиолокаторов, которых, конечно, не было во времена Изинга. Схема Альвареса хорошо работает для разгона протонов до 200 МэВ. Более высокие энергии получают с помощью волноводов с бегущей волной, которые используют и в электронных линейных ускорителях.Протонная карусельРольф Видероэ косвенным образом приложил руку и к изобретению циклотрона. Как ни странно, стимулом для создания этой машины стала его статья о линейном ускорителе. Эта малоизвестная история хорошо иллюстрирует, сколь непростым путем развивается научное знание. Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по краям) полностью воплощал ключевую идею Изинга — частицы бОльшую часть пути проходят по инерции и только

на определенных участках резонансно разгоняются электрическим полем. В 1929 году статья Видероэ попалась на глаза молодому профессору Калифорнийского университета Эрнесту Орландо Лоуренсу, который понял, что резонансное ускорение частиц не обязательно осуществлять на прямолинейной траектории. Он взял металлический полый цилиндр примерно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его вдоль оси и раздвинул половинки (их сейчас называют дуантами). Эту разрезанную банку надо вложить между полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не особенно быстрых заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В постоянном магнитном поле они станут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (разумеется, в камере должен быть вакуум).

Такое устройство можно превратить в ускоритель. Для этого в зазоры между дуантами надо подать переменное электрическое поле, частота которого совпадает с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности магнитного поля и массы частиц и не зависит от их скорости). При надлежащем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частицы при проходе зазоров между дуантами — точно так же, как и в линейном ускорителе Изинга–Альвареса. Те будут уходить на всё большие и большие радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стенкой камеры или не будут выведены на мишень.В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в журнале Science. Годом позже он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали сильно разреженный водород, который внутри нее ионизировался электрическим полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон построили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1,2 МэВ. Еще через год у них была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс поначалу называл свое изобретение протонной каруселью, но вскоре оно стало именоваться циклотроном.

--PAGE_BREAK--

Циклотрон кардинально изменил экспериментальную базу ядерной физики, и неудивительно, что в 1939 году труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А после войны выяснилось, что одновременно с Лоуренсом или даже чуть раньше к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он отправил рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в немецкий журнал Zeitschrift für Physic, но редакторы не поняли, о чем идет речь, и отказались ее напечатать.

Синхронные ускорители

Лоуренс хотел построить протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются столь сильно, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, естественно, снижается, и частица выходит из резонанса. Самые большие циклотроны, построенные в Окриджской национальной лаборатории в США и в Стокгольмском Нобелевском институте, могли разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия — до 24 МэВ. Для достижения больших энергий нужны циклические ускорители, которые могут обеспечить стабильное соответствие фазы ускоряющего поля движению частицы. Циклотрон на такое не способен.Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться в резонансном режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры обоих полей.Будем, например, действовать с помощью одного электрического поля. Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро выйдут из резонанса.И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях).После открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами.Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового диаметра запустили в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а после полной доводки — до 3,3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ.В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позже вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем впервые получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители — синхрофазотроны.

В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Фокусы фокусировки

Через несколько лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики осуществили новый прорыв на пути к более высоким энергиям.Во всех резонансных циклических ускорителях магнитное поле не только заворачивает частицы, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое постепенно спадает при увеличении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразую форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; иначе говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты.Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не идеальна. Она позволяет получать лишь довольно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки сильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства очень больших и потому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с существенно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы.Эта проблема была решена в середине прошлого века. В 1949 году греческий физик Николас Христофилос показал, что движением частиц можно управлять с помощью большого числа прилегающих друг к другу электромагнитов, чередующих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным его нарастанием. Однако он изложил свои результаты лишь в форме патентной заявки, так что его открытие тогда осталось незамеченным. Три года спустя к той же идее пришли американцы Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Этот метод получил название сильной фокусировки (фокусировка посредством радиально спадающего поля называется слабой). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электрического поля, но зато позволил лучше фокусировать пучки по радиусу и вертикали и замедлил рост размеров ускорителей.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало созданиеколлайдеров— ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K.H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождениеновых частиц. В первом случае это примерно, а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

Схема расположения Большого адронного коллайдера

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

www.ronl.ru

Курсовая работа - Ускорители заряженных частиц

<img src="/cache/referats/20685/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> УСКОРИТЕЛЬЧАСТИЦ,

установка, в которой спомощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучкиэлектронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительнопревышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц,причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее времямногочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия),а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках).Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях – дляисследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц.

Согласно квантовоймеханике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определеннойдлиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чемменьше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тембольше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромиратребовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излученийвысокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователямлишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученыеначали работать над созданием установок

, которыемогли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуютускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если,например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорениюподвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозногоили синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящеймишени интенсивным пучком протонов или дейтронов.

Энергия ядерныхчастиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт – это энергия, которуюприобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (зарядэлектрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками сразностью потенциалов в 1 В. (1 эВ

»1,60219×10–19 Дж.) Ускорители позволяютполучать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (1012) электронвольт – накрупнейшем в мире ускорителе.

Для обнаружения в экспериментередких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этоготребуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современнойтехники ускорителей определяется двумя основными параметрами – энергией иинтенсивностью пучка частиц.

В современныхускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники:высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системыавтоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления,сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как «обычные»,так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления.

ВИДЫУСКОРИТЕЛЕЙ

ЛИНЕЙНЫЕУСКОРИТЕЛИ

Возможностьприменения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадныхускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, нои в пространстве. В любой момент времени напряженность поля изменяетсясинусоидально в зависимости от положения в пространстве, т.е. распределениеполя в пространстве имеет форму волны. А в любой точке пространства онаизменяется синусоидально во времени. Поэтому максимумы поля перемещаются впространстве с так называемой фазовой скоростью. Следовательно, частицы могутдвигаться так, чтобы локальное поле все время их ускоряло.

Влинейных ускорительных системах

высокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженерР.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанныхвысокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазоваяскорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения вускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобноскольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов впроцессе ускорения могут сильно увеличиваться. Соответственно этому должнаувеличиваться и фазовая скорость волны vфаз. Если электроны могутинжектироваться в ускоритель со скоростью, близкой к скорости света с,то в таком режиме фазовая скорость практически постоянна: vфаз = c.

Другой подход, позволяющийисключить влияние замедляющей фазы высокочастотного электрического поля,основан на использовании металлической конструкции, экранирующей пучок от поляв этот полупериод. Впервые такой способ был применен Э.Лоуренсом в циклотроне;он используется также в линейном ускорителе Альвареса. Последний представляетсобой длинную вакуумную трубу, в которой расположен целый ряд металлическихдрейфовых трубок. Каждая трубка последовательно соединена с высокочастотнымгенератором через длинную линию, вдоль которой со скоростью, близкой к скоростисвета, бежит волна ускоряющего напряжения.Таким образом, все трубки по очередиоказываются под высоким напряжением. Заряженная частица, вылетающая изинжектора в подходящий момент времени, ускоряется в направлении первой трубки,приобретая определенную энергию. Внутри этой трубки частица дрейфует – движетсяс постоянной скоростью. Если длина трубки правильно подобрана, то она выйдет изнее в тот момент, когда ускоряющее напряжение продвинулось на одну длину волны.При этом напряжение на второй трубке тоже будет ускоряющим и составляет сотнитысяч вольт. Такой процесс многократно повторяется, и на каждом этапе частицаполучает дополнительную энергию. Чтобы движение частиц было синхронно сизменением поля, соответственно увеличению их скорости должна увеличиватьсядлина трубок. В конце концов скорость частицы достигнет скорости, очень близкойк скорости света, и предельная длина трубок будет постоянной.

Пространственныеизменения поля налагают ограничение на временную структуру пучка. Ускоряющееполе изменяется в пределах сгустка частиц любой конечной протяженности.Следовательно, протяженность сгустка частиц должна быть мала по сравнению сдлиной волны ускоряющего высокочастотного поля. Иначе частицы будут по-разномуускоряться в пределах сгустка. Слишком большой разброс энергии в пучке нетолько увеличивает трудности фокусировки пучка из-за наличия хроматическойаберрации у магнитных линз, но и ограничивает возможности применения пучка вконкретных задачах. Разброс энергий может также приводить к размытию сгусткачастиц пучка в аксиальном направлении.

Рассмотрим сгустокнерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью

v0. Продольные электрическиесилы, обусловленные пространственным зарядом, ускоряют головную часть пучка изамедляют хвостовую. Синхронизируя соответствующим образом движение сгустка свысокочастотным полем, можно добиться большего ускорения хвостовой частисгустка, чем головной. Таким согласованием фаз ускоряющего напряжения и пучкаможно осуществить фазировку пучка – скомпенсировать дефазирующее влияниепространственного заряда и разброса по энергии. В результате в некотороминтервале значений центральной фазы сгустка наблюдаются центрирование иосцилляции частиц относительно определенной фазы устойчивого движения. Этоявление, называемое автофазировкой, чрезвычайно важно для линейных ускорителейионов и современных циклических ускорителей электронов и ионов. К сожалению,автофазировка достигается ценой снижения коэффициента заполнения ускорителя дозначений, намного меньших единицы.

В процессе ускоренияпрактически у всех пучков обнаруживается тенденция к увеличению радиуса по двумпричинам: из-за взаимного электростатического отталкивания частиц и из-заразброса поперечных (тепловых) скоростей. Первая тенденция ослабевает сувеличением скорости пучка, поскольку магнитное поле, создаваемое током пучка,сжимает пучок и в случае релятивистских пучков почти компенсируетдефокусирующее влияние пространственного заряда в радиальном направлении.Поэтому данный эффект весьма важен в случае ускорителей ионов, но почтинесуществен для электронных ускорителей, в которых пучок инжектируется срелятивистскими скоростями. Второй эффект, связанный с эмиттансом пучка, важендля всех ускорителей.

Удержать частицывблизи оси можно с помощью квадрупольных магнитов. Правда, одиночныйквадрупольный магнит, фокусируя частицы в одной из плоскостей, в другой ихдефокусирует. Но здесь помогает принцип «сильной фокусировки», открытыйЭ.Курантом, С.Ливингстоном и Х.Снайдером: система двух квадрупольных магнитов,разделенных пролетным промежутком, с чередованием плоскостей фокусировки идефокусировки в конечном счете обеспечивает фокусировку во всех плоскостях.

Дрейфовые трубки всееще используются в протонных линейныхускорителях, где энергия пучка увеличивается от нескольких мегаэлектронвольтпримерно до 100 МэВ. В первых электронных линейных ускорителях типа ускорителяна 1 ГэВ, сооруженного в Стэнфордском университете (США), тоже использовалисьдрейфовые трубки постоянной длины, поскольку пучок инжектировался при энергиипорядка 1 МэВ. В более современных электронных линейных ускорителях, примеромсамых крупных из которых может служить ускоритель на 50 ГэВ длиной <st1:metricconverter ProductID=«3,2 км» w:st=«on»>3,2 км</st1:metricconverter>, сооруженный вСтэнфордском центре линейных ускорителей, используется принцип «серфингаэлектронов» на электромагнитной волне, что позволяет ускорять пучок сприращением энергии почти на 20 МэВ на одном метре ускоряющей системы. В этомускорителе высокочастотная мощность на частоте около 3 ГГц генерируется большимиэлектровакуумными приборами – клистронами.

Протонный линейныйускоритель на самую высокую энергию был построен в Лосаламосской национальнойлаборатории в шт. Нью-Мексико (США) в качестве «мезонной фабрики» для полученияинтенсивных пучков пионов и мюонов. Его медные резонаторы создают ускоряющееполе порядка 2 МэВ/м, благодаря чему он дает в импульсном пучке до 1 мАпротонов с энергией 800 МэВ.

Дляускорения не только протонов, но и тяжелых ионов были разработанысверхпроводящие высокочастотные системы. Самый большой сверхпроводящийпротонный линейный ускоритель служит инжектором ускорителя на встречных пучкахГЕРА в лаборатории Немецкого электронного синхротрона (ДЕЗИ) в Гамбурге (Германия).

ЦИКЛИЧЕСКИЕУСКОРИТЕЛИ

Протонныйциклотрон.

Существует весьма элегантныйи экономичный способ ускорения пучка путем многократного сообщения емунебольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучокзаставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот жеускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 Э.Лоуренсом иС.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне. Как и в линейном ускорителе сдрейфовыми трубками, пучок экранируется от действия электрического поля в тотполупериод, когда оно действует замедляюще. Заряженная частица с массой m и зарядом q, движущаяся со скоростью vв магнитном поле H, направленномперпендикулярно ее скорости, описывает в этом поле окружность радиусом R= mv/qH.Поскольку ускорение приводит к увеличению скорости v, возрастает и радиус R. Таким образом, протоны итяжелые ионы движутся по раскручивающейся спирали все возрастающего радиуса.При каждом обороте по орбите пучок проходит через зазор между дуантами –высоковольтными полыми D-образнымиэлектродами, где на него действует высокочастотное электрическое поле. Лоуренссообразил, что время между прохождениями пучка через зазор в случаенерелятивистских частиц остается постоянным, поскольку возрастание их скоростикомпенсируется увеличением радиуса. На протяжении той части периода обращения,когда высокочастотное поле имеет неподходящую фазу, пучок находится вне зазора.Частота обращения дается выражением

где

f – частота переменногонапряжения в МГц, Н – напряженность магнитного поля в Тл, а mc2 – масса частицы в МэВ. Есливеличина Hпостоянна в той области, где происходит ускорение, то частота f, очевидно, не зависит отрадиуса.

Для ускорения ионовдо высоких энергий необходимо лишь, чтобы магнитное поле и частотавысоковольтного напряжения отвечали условию резонанса; тогда частицы будутдважды за оборот проходить через зазор между дуантами в нужный момент времени.Для ускорения пучка до энергии 50 МэВ при ускоряющем напряжении 10 кэВпотребуется 2500 оборотов. Рабочая частота протонного циклотрона можетсоставлять 20 МГц, так что время ускорения – порядка 1 мс.

Как и в линейныхускорителях, частицы в процессе ускорения в циклотроне должны фокусироваться впоперечном направлении, иначе все они, кроме инжектированных со скоростями,параллельными полюсным наконечникам магнита, выпадут из цикла ускорения. Вциклотроне возможность ускорения частиц с конечным разбросом по угламобеспечивается приданием магнитному полю особой конфигурации, при которой начастицы, выходящие из плоскости орбиты, действуют силы, возвращающие их в этуплоскость.

К сожалению, потребованиям стабильности сгустка ускоряемых частиц фокусирующая компонентамагнитного поля должна уменьшаться с увеличением радиуса. А это противоречитусловию резонанса и приводит к эффектам, ограничивающим интенсивность пучка.Другой существенный фактор, снижающий возможности простого циклотрона, –релятивистский рост массы, как необходимое следствие увеличения энергии частиц:

В случае ускоренияпротонов синхронизм будет нарушаться из-за релятивистского прироста массыпримерно при 10 МэВ. Один из способов поддержания синхронизма – модулироватьчастоту ускоряющего напряжения так, чтобы она уменьшалась по мере увеличениярадиуса орбиты и увеличения скорости частиц. Частота должна изменяться позакону

Такойсинхроциклотрон может ускорять протоны до энергии в несколько сотмегаэлектровольт. Например, если напряженность магнитного поля

равна 2 Тл, то частота должнауменьшаться примерно от32 МГц в момент инжекции до 19 МГц и менее при достижении частицами энергии 400МэВ. Такое изменение частоты ускоряющего напряжения должно происходить напротяжении нескольких миллисекунд. После того как частицы достигают высшейэнергии и выводятся из ускорителя, частота возвращается к своему исходномузначению и в ускоритель вводится новый сгусток частиц.

Но даже приоптимальной конструкции магнита и наилучших характеристиках системы подводавысокочастотной мощности возможности циклотронов ограничиваются практическимисоображениями: для удержания на орбите ускоряемых частиц с высокой энергиейнужны чрезвычайно большие магниты.

Так,масса магнита циклотрона на 600 МэВ, сооруженного в лаборатории ТРИУМФ вКанаде, превышает 2000 т,и он потребляет электроэнергию порядка нескольких мегаватт. Стоимость жесооружения сихроциклотрона примерно порпорциональна кубу радиуса магнита.Поэтому для достижения более высоких энергий при практически приемлемыхзатратах требуются новые принципы ускорения.

Протонныйсинхротрон.

Высокая стоимость циклическихускорителей связана с большим радиусом магнита.Но можно удерживатьчастицы на орбите с постоянным радиусом,увеличивая напряженность магнитного поля по мере увеличения их энергии.Линейный ускоритель инжектирует на эту орбиту пучок частиц сравнительнонебольшой энергии. Поскольку удерживающее поле необходимо лишь в узкой областивблизи орбиты пучка, нет необходимости в магнитах, охватывающих всю площадьорбиты. Магнитырасположены лишь вдоль кольцевой вакуумной камеры, что дает огромную экономиюсредств.

Такой подход былреализован в протонном синхротроне. Первым ускорителем подобного типа был«Космотрон

» наэнергию 3 ГэВ, который начал работать в Брукхейвенской национальной лабораториив 1952 в США; за ним вскоре последовал «Беватрон» на энергию 6 ГэВ,построенный в Лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли (США). Сооруженный специально дляобнаружения антипротона, он работал на протяжении 39 лет, продемонстрировавдолговечность и надежность ускорителей частиц.

Рис. 4. КОСМОТРОН В БРУКХЕЙВЕНЕ. Ускорялпротоны до энергии 3 ГэВ. Внизу– поперечное сечение ускоряющей системы. 1– 90°-й магнит; 2 – мишень; 3 – прямолинейный участок; 4 – равновесная орбита; 5 – инжектор; 6 – ускоряющая система; 7– ферритовый сердечник; 8 –пучок частиц; 9 – ускоряющеенапряжение.

В синхротронахпервого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР

, фокусировка была слабой. Поэтому была великаамплитуда радиальных колебаний частиц в процессе их ускорения. Ширина вакуумныхкамер составляла примерно 30 см, и в этом все-таки большом объеме требовалось тщательноконтролировать конфигурацию магнитного поля.

В 1952 было сделанооткрытие, позволившее резко уменьшить колебания пучка, а следовательно

, и размеры вакуумной камеры.Это был принцип сильной,или жесткой,фокусировки. В современных протонных синхротронах со сверхпроводящимиквадрупольными магнитами, расположеннымипо схеме сильной фокусировки, вакуумная камера может быть меньше 10 см в поперечнике, чтоприводит к значительному уменьшению размеров, стоимости и потребляемой мощностифокусирующих и отклоняющих магнитов.

Первым синхротроном,основанным на этом принципе, был

«Синхротронс переменным градиентом» наэнергию 30 ГэВ в Брукхейвене. Аналогичная установка была построена влаборатории Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Всередине 1990-х годов оба ускорителя все еще находились в эксплуатации.Апертура «Синхротрона с переменным градиентом» была примерно в 25 раз меньше,чем у «Космотрона». Потребляемая магнитом мощность при энергии 30 ГэВ примерносоответствовала мощности, потребляемой магнитом «Космотрона» при 3 ГэВ.«Синхротрон с переменным градиентом» ускорял 6×1013протонов в импульсе, что соответствовало самой высокой интенсивности средиустановок этого класса. Фокусировка в этом ускорителе осуществлялась теми жемагнитами, что и отклоняли пучок; это достигалось приданием полюсам магнитаформы, показанной на рис. 5. В современных ускорителях для отклонения ифокусировки пучка, как правило, используются отдельные магниты.

В середине 1990-хгодов самым крупным протонным синхротроном являлся «Теватрон» Национальнойускорительной лаборатории им. Э.Ферми в Батавии (США). Как подсказывает самоназвание, «Теватрон» ускоряет сгустки протонов в кольце диаметром <st1:metricconverter ProductID=«2 км» w:st=«on»>2 км</st1:metricconverter> до энергии порядка 1 ТэВ.Ускорение протонов осуществляется целой системой ускорителей, начиная сгенератора Кокрофта – Уолтона в качестве инжектора, из которого отрицательныеионы водорода с энергией 750 кэВ вводятся в линейный ускоритель на энергию 400МэВ. Затем пучок линейного ускорителя пропускается через углеродную пленку дляобдирки электронов и инжектируется в промежуточный синхротрон – бустер –диаметром <st1:metricconverter ProductID=«150 м» w:st=«on»>150 м</st1:metricconverter>.В бустере протоны совершают примерно 20 000 оборотов и приобретают энергию 8ГэВ. Обычно бустер выполняет 12 быстро следующих друг за другом рабочих циклов,в результате которых в «Главное кольцо» – еще один протонный синхротрон спротяженностью кольца <st1:metricconverter ProductID=«6,3 км» w:st=«on»>6,3 км</st1:metricconverter>– инжектируется 12 сгустков протонов. «Главное кольцо», в котором протоныускоряются до энергии 150 ГэВ, состоит из 1000 обычных магнитов с меднымиобмотками, отклоняющих и фокусирующих протоны. Непосредственно под «Главнымкольцом» расположен состоящий из 1000 сверхпроводящих магнитов оконечныйсинхротрон «Теватрон». Пучок может выводиться по многим каналам на расстояние1,5–3 км для проведения исследований во внешних экспериментальных залах.

Для удержания наорбите пучков с более высокими энергиями требуются более сильные отклоняющие ифокусирующие магниты. Предназначенные для субъядерной «микроскопии» протонные синхротронына энергии больше 1 ТэВ требуют тысяч сверхпроводящих и фокусирующих магнитовдлиной 5–15 м с апертурой шириной в несколько сантиметров, обеспечивающихисключительно высокую точность полей и стабильность их во времени. Основнымифакторами, сдерживающими создание протонных синхротронов на более высокиеэнергии, являются большая стоимость и сложность управления, связанные с ихогромными размерами.

УСКОРИТЕЛИСО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ

Циклическиеколлайдеры.

Далеко не вся энергияускоренной частицы идетна осуществление нужной реакции. Значительная ее часть бесполезно теряется ввиде отдачи, претерпеваемой частицей мишени в силу закона сохранения импульса.Если налетающая частица имеет энергию Е, а масса частицы покоящейсямишени равна М, то полезная энергия составляет

Таким образом, вэкспериментах с покоящейся мишенью на

«Теватроне»полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ.

Стремлениеиспользовать в исследованиях частиц как можно более высокие энергии привело ксозданию в ЦЕРНе и Лаборатории им. Э.Ферми протон-антипротонных коллайдеров, атакже большого числа установок в разных странах со встречнымиэлектрон-позитронными пучками. В первом протонном коллайдере соударенияпротонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ происходили в кольце с длиной окружности1,6 км. За несколько дней удавалось накопить пучки с током до 50 А.

В настоящее времяколлайдером с самой высокой энергией является «Теватрон», на котором проводятсяэксперименты при соударении пучка протонов, имеющих энергию 1 ТэВ, со встречнымпучком антипротонов той же энергии. Для таких экспериментов необходимыантипротоны, которые можно получить, бомбардируя пучком протонов высокойэнергии из «Главного кольца» металлическую мишень. Рождающиеся в этихсоударениях антипротоны накапливают в отдельном кольце при энергии 8 ГэВ. Когданакоплено достаточно много антипротонов, их инжектируют в «Главное кольцо»,ускоряют до 150 ГэВ и далее инжектируют в «Теватрон». Здесь протоны иантипротоны одновременно ускоряют до полной энергии, а затем осуществляют ихсоударения. Суммарный импульс сталкивающихся частиц равен нулю, так что всяэнергия 2Е оказывается полезной. В случае «Теватрона» она достигаетпочти 2 ТэВ.

Наибольшая энергиясреди электрон-позитронных коллайдеров была достигнута на «Большом электрон-позитронномнакопительном кольце» в ЦЕРНе, где энергия сталкивающихся пучков на первомэтапе составляла 50 ГэВ на пучок, а затем была увеличена до 100 ГэВ на пучок. ВДЕЗИ сооружен коллайдер ГЕРА, в котором происходят соударения электронов спротонами.

Этот огромныйвыигрыш в энергии достигается ценой значительного уменьшения вероятностистолкновений между частицами встречных пучков низкой плотности. Частотастолкновений определяется светимостью, т.е. числом столкновений в секунду,сопровождающихся реакцией данного типа, имеющей определенное сечение.Светимость линейно зависит от энергии и тока пучка и обратно пропорциональнаего радиусу. Энергию пучка коллайдера выбирают в соответствии с энергетическиммасштабом исследуемых физических процессов.

Для обеспечениянаибольшей светимости необходимо добиться максимально возможной плотностипучков в месте их встречи. Поэтому главной технической задачей припроектировании коллайдеров является фокусировка пучков в месте их встречи впятно очень малых размеров и увеличение тока пучка. Для достижения нужнойсветимости могут потребоваться токи более 1 А.

Еще однаисключительно сложная техническая проблема связана с необходимостьюобеспечивать в камере коллайдера сверхвысокий вакуум. Поскольку столкновениямежду частицами пучков происходят сравнительно редко, соударения с молекуламиостаточного газа могут существенно ослаблять пучки, уменьшая вероятностьизучаемых взаимодействий. Кроме того, рассеяние пучков на остаточном газе даетнежелательный фон в детекторе, способный замаскировать изучаемый физическийпроцесс. Вакуум в камере коллайдера должен лежать в пределах 10

–9–10–7 Па (10–11–10–9 мм рт. ст.) в зависимости отсветимости.

При более низкихэнергиях можно ускорять более интенсивные пучки электронов, что дает возможностьисследовать редкие распады В- и К-мезонов, обусловленныеэлектрослабыми взаимодействиями. Ряд таких установок, иногда называемых«фабриками ароматов», сооружается в настоящее время в США, Японии и Италии.Такие установки имеют два накопительных кольца – для электронов и дляпозитронов, пересекающихся в одной или двух точках, – областях взаимодействия.В каждом кольце содержится много сгустков частиц при полном токе более 1 А.Энергии пучков выбираются с таким расчетом, чтобы полезная энергия соответствоваларезонансу, который распадается на изучаемые короткоживущие частицы – В-или К-мезоны. В основе конструкции этих установок лежат электронныйсинхротрон и накопительные кольца.

Линейныеколлайдеры.

Энергии циклическихэлектрон-позитронных коллайдеров ограничиваются интенсивным синхротроннымизлучением, которое испускают пучки ускоренных частиц (см. ниже). Этогонедостатка нет у линейных коллайдеров, в которых синхротронное излучение несказывается на процессе ускорения. Линейный коллайдер состоит их двух линейныхускорителей на высокие энергии, высокоинтенсивные пучки которых – электронный ипозитронный – направлены навстречу друг другу. Пучки встречаются и соударяютсятолько один раз, после чего отводятся в поглотители.

Первым линейнымколлайдером является «Стэнфордский линейный коллайдер», использующийСтэнфордский линейный ускоритель длиной <st1:metricconverter ProductID=«3,2 км» w:st=«on»>3,2 км</st1:metricconverter> и работающий при энергии 50 ГэВ. Всистеме этого коллайдера сгустки электронов и позитронов ускоряются в одном итом же линейном ускорителе и разделяются по достижении пучками полной энергии.Затем электронные и позитронные сгустки транспортируются по отдельным дугам,форма которых напоминает трубки медицинского стетоскопа, и фокусируются додиаметра около 2 мкм в области взаимодействия.

Новыетехнологии.

Поиски более экономичныхметодов ускорения привели к созданию новых ускорительных систем ивысокочастотных генераторов большой мощности, работающих в диапазоне частот от10 до 35 ГГц. Светимость электрон-позитронных коллайдеров должна бытьисключительно высокой, поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергиичастиц. Соответственно этому и плотности пучков должны быть чрезвычайновысокими. В линейном коллайдере на энергию порядка 1 ТэВ размеры пучков могутдостигать 10 нм, что намного меньше размеров пучка в «Стэнфордском линейномколлайдере» (2 мкм). При столь малых размерах пучков для точного согласованияфокусирующих элементов необходимы очень мощные стабильные магниты со сложнымиэлектронными автоматическими регуляторами. При прохождении электронного ипозитронного пучков друг через друга их электрическое взаимодействиенейтрализуется, а магнитное усиливается. В результате магнитные поля могутдостигать 10 000 Тл. Такие гигантские поля способны сильно деформировать пучкии приводить к большому энергетическому разбросу вследствие генерациисинхротронного излучения. Эти эффекты наряду с экономическими соображениями,связанными с сооружением все более и более протяженных машин, будут ставитьпредел энергии, достижимой на электронно-позитронных коллайдерах.

ЭЛЕКТРОННЫЕНАКОПИТЕЛИ

Электронныесинхротроны основаны на тех же принципах, что и протонные. Однако благодаряодной важной особенности они проще в техническом отношении. Малость массыэлектрона позволяет инжектировать пучок при скоростях, близких к скоростисвета. Поэтому дальнейшее увеличение энергии не связано с заметным увеличениемскорости, и электронные синхротроны могут работать при фиксированной частотеускоряющего напряжения, если пучок инжектируется с энергией около 10 МэВ.

Однако этопреимущество сводится на нет другим следствием малости электронной массы.Поскольку электрон движется по круговой орбите, он движется с ускорением(центростремительным), а потому испускает фотоны – излучение, котороеназывается синхротронным. Мощность Р синхротронного излученияпропорциональна четвертой степени энергии пучка Е и току

I, а также обратнопропорциональна радиусу кольца R,так что она пропорциональна величине (E/m)4IR–1. Эта энергия, теряемая прикаждом обороте электронного пучка по орбите, должна компенсироватьсявысокочастотным напряжением, подаваемым на ускоряющие промежутки. Врассчитанных на большие интенсивности «фабриках аромата» такие потери мощностимогут достигать десятков мегаватт.

Циклическиеускорители типа электронных синхротронов могут использоваться и как накопителибольших циркулирующих токов с постоянной высокой энергией. Такие накопителиимеют два основных применения: 1) в исследованиях ядра и элементарных частицметодом встречных пучков, о чем говорилось выше, и 2) как источникисинхротронного излучения, используемые в атомной физике, материаловедении,химии, биологии и медицине.

Средняя энергияфотонов синхротронного излучения пропорциональна (

E/m)3R–1. Таким образом, электроны сэнергией порядка 1 ГэВ, циркулирующие в накопителе, испускают интенсивноесинхротронное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Большаячасть фотонов испускается в пределах узкого вертикального угла порядка m/E. Поскольку радиусэлектронных пучков в современных накопителях на энергию порядка 1 ГэВизмеряется десятками микрометров, пучки испускаемого ими рентгеновскогоизлучения характеризуются высокой яркостью, а потому могут служить мощнымсредством исследования структуры вещества. Излучение испускается по касательнойк криволинейной траектории электронов. Следовательно, каждый отклоняющий магнитэлектронного накопительного кольца, когда через него проходит сгустокэлектронов, создает разворачивающийся «прожекторный луч» излучения. Оновыводится по длинным вакуумным каналам, касательным к основной вакуумной камеренакопителя. Расположенные вдоль этих каналов щели и коллиматоры формируют узкиепучки, из которых далее с помощью монохроматоров выделяется нужный диапазонэнергий рентгеновского излучения.

Первыми источникамисинхротронного излучения были установки, первоначально сооруженные для решениязадач физики высоких энергий. Примером может служить Стэнфордскийпозитрон-электронный накопитель на энергию 3 ГэВ в Стэнфордской лабораториисинхротронного излучения. На этой установке в свое время были открыты«очарованные» мезоны.

Первые источникисинхротронного излучения не обладали той гибкостью, которая позволяла бы имудовлетворять разнообразным нуждам сотен пользователей. Быстрый ростпотребности в синхротронном излучении с высоким потоком и большойинтенсивностью пучка вызвал к жизни источники второго поколения,спроектированные с учетом потребностей всех возможных пользователей. Вчастности, были выбраны системы магнитов, уменьшающие эмиттанс электронногопучка. Малый эмиттанс означает меньшие размеры пучка и, следовательно, болеевысокую яркость источника излучения. Типичными представителями этого поколенияявились накопители в Брукхейвене, служившие источниками рентгеновскогоизлучения и излучения вакуумной ультрафиолетовой области спектра.

Яркость излученияможно также увеличить, заставив пучок двигаться по синусоидальной траектории впериодической магнитной структуре и затем объединяя излучение, возникающее прикаждом изгибе. Ондуляторы – магнитные структуры, обеспечивающие подобноедвижение, представляют собой ряд магнитных диполей, отклоняющих пучок нанебольшой угол, расположенных по прямой на оси пучка. Яркость излучения такогоондулятора может в сотни раз превышать яркость излучения, возникающего вотклоняющих магнитах.

В середине 1980-хгодов начали создаваться источники синхротронного излучения третьего поколенияс большим числом таких ондуляторов. Среди первых источников третьего поколенияможно отметить «Усовершенствованный источник света» с энергией 1,5 ГэВ вБеркли, генерирующий мягкое рентгеновское излучение, а также«Усовершенствованный источник фотонов» с энергией 6 ГэВ в Аргоннскойнациональной лаборатории (США) и синхротрон на энергию 6 ГэВ в Европейскомцентре синхротронного излучения в Гренобле (Франция), которые используются какисточники жесткого рентг

www.ronl.ru

Курсовая работа - История развития ускорителей заряженных частиц

Реферат на тему:

История развития ускорителей заряженных частиц

Выполнил студент

Жучков Д.В.

Введение

Описание ускорителя заряженных частиц

Линейные ускорители

--PAGE_BREAK--

Синхронные ускорители

В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Фокусы фокусировки

Коллайдеры

Схема расположения Большого адронного коллайдера

www.ronl.ru

Реферат: Ускорители элементарных частиц

РЕФЕРАТ

По дисциплине

«Концепции современного естествознания»

на тему «Ускорители элементарных частиц»

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………….3

2. Современные ускорители заряженных частиц………………………………...4

3. Научные центры по исследованию элементарных частиц……………………7

4. Циклический ускоритель………………………………………………………15

5. Лазерный ускоритель на биениях……………………………………………..16

6. Заключение……………………………………………………………………..20

7. Список используемой литературы……………………………………………21

Введение

В настоящее время широкое применение в науке и технике нашли ускорители заряженных частиц – установки для получения пучков заряженных частиц (протонов, электронов, античастиц, ядер других атомов) высоких энергий – от десятков кэВ (10 3 эВ) до нескольких ТэВ (1012 эВ). В технике такие ускорители используются для получения изотопов, упрочнения поверхностей материалов и производства новых материалов, для создания источников электромагнитного излучения (от микроволнового до рентгеновского излучения), широко применяются в медицине и т.д. Однако, по-прежнему, к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц – главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Подавляющее большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены на ускорителях. Именно потребности физики элементарных частиц являются главным стимулом для развития ускорительной техники, и в первую очередь для повышения энергии, до которой могут быть ускорены заряженные частицы.

Современные ускорители заряженных частиц.

В современной физике высоких энергий используются ускорительные установки двух типов. Традиционная схема эксперимента на укорителе такова: пучок заряженных частиц ускоряется до максимально возможной энергии и затем направляется на неподвижную мишень, при столкновении с частицами которой рождается множество элементарных частиц. Измерения параметров рождающихся частиц дают богатейшую экспериментальную информацию, необходимую для проверки (или создания) современной теории элементарных частиц. Эффективность реакции определяется энергией сталкивающейся с мишенью частицы в системе центра масс. Согласно теории относительности при неподвижной мишени и одинаковых массах покоя сталкивающихся частиц энергия реакций

Er = E (1)

Где E – энергия налетающей на мишень частицы, m0 – ее масса, c – скорость света. Так, при соударении с неподвижной мишенью протона, ускоренного до энергии 1000 ГэВ, только энергия 42 ГэВ идет на рождение новых частиц, а большая часть энергии расходуется на кинетическую энергию частиц, родившихся в результате реакции.

Предложенные в конце 60-х годов XX века ускорители на встречных пучках (коллайдеры), в которых реакция осуществляется при столкновении встречных ускоренных пучков заряженных частиц (электронов и позитронов, протонов и антипротонов и др.) дают существенный выигрыш в энергии реакции. В коллайдерах энергия реакций равна сумме энергий сталкивающихся частиц

E1 + E2 , то есть при равных энергиях частиц выигрыш составляет 2E/m0c2. Разумеется, эффективность коллайдера оказывается более низкой, чем ускорителя с неподвижной мишенью, так как частицы двух разреженных пучков сталкиваются между собой гораздо реже, чем частицы пучка и плотной мишени. Тем не менее, основная тенденция физики высоких энергий – это продвижение во все более высокие энергии, и большинство крупнейших ускорителей сегодня – это коллайдеры, в которых ради достижения рекордных энергий жертвуют числом столкновений.

Современные ускорители заряженных частиц являются самыми крупными экспериментальными установками в мире, причем энергия частиц в ускорителе линейно связана с его размером. Так, линейный ускоритель электронов SLC на энергию 50 ГэВ в Стэнфордском университете (США) имеет длину 3 км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию 900 ГэВ в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США) составляет 6,3 км, а длина сооружаемого в Серпухове кольца, ускорительно-накопительного комплекса УНК, рассчитанного на энергию3 ТэВ, сооружаемый в 27-километровомускорительном тоннеле европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве.

Постоянно возрастающие размеры ускорителей уже достигли границы разумного соотношения физических характеристик и финансовых затрат, превращая строительство ускорителей в проблему национального масштаба. Можно говорить, что чисто инженерные решения тоже близки к своему пределу. Очевидно, что дальнейший прогресс в ускорительной технике должен быть связан с поисками новых подходов и физических решений, делающих ускорители компактнее и дешевле в сооружении и эксплуатации. Последнее также немаловажно, так как энергопотребление современных ускорителей близко к энергопотреблению небольшого города. Прикладная ускорительная наука формулирует перед современной физикой интересную и чрезвычайно важную проблему. Нужно обратиться к новым достижениям в радиофизике, физики плазмы, квантовой электронике и физике твердого тела, чтобы найти достойные решения.

Наиболее многообещающими является поиск способов увеличения темпа ускорения частиц. В современных ускорителях темп ускорения частиц ограничен максимальной напряженностью ускоряющего электрического поля, которое можно создать в вакуумных системах. Эта величина не превышает сегодня 50МВ/м. В более сильных полях возникают явления электрического пробоя на стенках резонатора и образование плазмы, поглощающей энергию поля и препятствующей ускорению частиц. В действительности величина максимально допустимого высокочастотного поля зависит от его длины волны. Современные ускорители используют электрические поля с длиной волны больше 10 см. Например, переход к длине волны 1 см позволит увеличить максимально допустимые электрические поля в несколько раз и тем самым уменьшить размеры ускорителя. Разумеется, для реализации этого преимущества необходима разработка в этом диапазоне сверхмощных источников излучения, способных генерировать импульсы электромагнитных волн с мощностью в сотни МВт и длительностью импульса короче 100 нс. Это представляет собой крупную научно-техническую проблему, решением который заняты многие исследовательские центры мира.

Другой возможный путь – это отказ от традиционных вакуумных микроволновых резонансных систем и использование лазерного излучения для ускорения заряженных частиц. С помощью современных лазеров возможно создание электрических полей с напряженностью, намного превышающей предельные поля в микроволновом диапазоне. Однако непосредственное использование лазерного излучения в вакууме не позволяет достичь эффекта заметного ускорения заряженных частиц из-за невозможности резонансного черенковского взаимодействия волны с частицей, так как скорость света в вакууме всегда больше скорости частицы. В последние годы активно изучаются методы ускорения заряженных частиц лазерным излучением в газах и плазме, причем, поскольку в сильных электрических полях происходит ионизация вещества и образование плазмы, в конечном счете, речь идет об ускорении заряженных частиц интенсивным лазерным излучением в плазме.

Научные центры по исследованию элементарных частиц

Институт физики высоких энергий (ИФВЭ)

Основой для создания института явилось строительство в Протвино, расположенном вблизи подмосковного города Серпухова, самого крупного в мире (вплоть до 1972 г.) кольцевого протонного синхротрона. Собранная в этом научном центре уникальная экспериментальная техника дает возможность ученым проникнуть в глубины строения материи, понять и раскрыть неизвестные человеку законы бесконечно разнообразного и таинственного мира элементарных частиц.

Ускоритель пущен в октябре 1967 г. В этом ускорителе первоначально протоны образуются в результате газового разряда, затем ускоряются электрическим полем высоковольтного импульса трансформатора до энергии 760 КэВ и попадают в линейный ускоритель – инжектор, где предварительно ускоряются до энергии 100МэВ, и затем поступают в кольцо основного ускорителя. В нем уже протоны ускоряются до энергии 76 ГэВ. Число протонов в одном импульсе ускорителя – 3·1012 . Повторение импульсов происходит через каждые 7 сек. Ускоритель имеет в диаметре 472 м. Вес электромагнитов 20 тыс. т. Потребляемая ускорителем мощность 100 МВт. Ежегодно для физических исследований ускоритель работает 3000 - 4000 час.

Научный центр имеет насыпь, под которой находится ускорительное кольцо, и экспериментальный зал. Эксперименты в ИФВЭ осуществляются как на внутренней мишени ускорителя, так и на выведенных пучках частиц.

На внутренней мишени к 1970 г. выполнен эксперимент по изучению упругого рассеяния протона на протоне и протона на дейтоне, с использованием разработанной в ОИЯЛ газоструйной водородной мишени. Мишень представляла собой сверхзвуковую струю водорода, направленную в камеру и пересекающую протонный пучок. В опыте измерялось угловое распределение протонов, отклонившихся от направления движения в пучке из-за соударения с протонами газа-мишени. Из вида этого распределения можно было сделать вывод о радиусе протона.

Основная часть экспериментов проводится на выведенном пучке. Всего получают около двух десятков пучков частиц. Схема разводки пучков:

Кольцо основного ускорителя[1]

Часть пучков используется для технических целей – проверки работы оборудования, а часть – для физических исследований.

Один из пучков (2) - это пучок отрицательных π – и κ - мезонов с энергией от 30 до 65 ГэВ и интенсивностью от 104 до 106 частиц/имп ускорителя. Его получают следующим образом.

Пучок ускоренных протонов направляется на твердую, обычно бериллиевую мишень, расположенную внутри вакуумной камеры. Родившиеся при соударении отрицательно заряженные частицы π – и κ - мезоны или антипротоны отклоняются магнитным полем и выводятся из ускорителя. Только небольшую часть из них удается с помощью электрических и магнитных полей сформировать в пучок. Поэтому для получения пучков вторичных частиц желательно иметь максимальную интенсивность ускоряемого основного пучка. Дальнейший этап – разделение мезонов и антипротонов по массе с помощью большого масс-спектрометра. В масс-спектрометре частицы разной массы движутся под действием магнитного поля по разным дорожкам и затем выводятся в отдельные пучки. Такое разделение быстрых частиц, имеющих скорости, близкие к скорости света, - сложная техническая задача, она требует создания сильных магнитов и спектрометров большого размера. Основную долю в пучке составляют пионы.

Важнейшая группа экспериментов, выполненных в 1971 г. на пучке 2, состояла в измерении полных сечений рассеяния отрицательно заряженных частиц на протоне. Часть опытов проведена совместно учеными ИФВЭ и ЦЕРНа. Измерения осуществляли с помощью счетчиков частиц. Аналогичные измерения затем были выполнены и для положительно заряженных пионов, каонов и протонов.

Результаты оказались совершенно неожиданными по сравнению с тем, что наблюдалось при меньших энергиях. Так, было известно, что полные сечения рассеяния в измеренном ранее интервале энергий от 1 до 30 ГэВ монотонно убывают, причем разница сечений рассеяния мезонов противоположных знаков убывает с ростом энергий частиц (сечение рассеяния отрицательно заряженных частиц больше сечения положительно заряженных частиц того же вида). Очевидная экстраполяция в область больших энергий требовала дальнейшего убывания сечений. Однако эксперименты в ИФВЭ показали, что при рассеянии пионов и антипротонов вместо дальнейшего быстрого падения сечений с ростом энергий обнаружилось замедление падения и установление некоторого постоянного значения; для κ+ - рассеяния на протоне сечение, которое было постоянным, обнаружило заметный рост. Эффект изменения характера поведения сечений рассеяния частиц на протоне с ростом энергии получил название «серпуховского эффекта». Авторы открытия: Ю.Д. Прокошкин, С.П. Денисов, Ю.П. Горин, С.В. Денисов, В.И. Петрухин, Д.А. Стоянова, Р.С. Шувалов, Ю.Б. Бушнин, Ю.П. Дмитриевский, В.С. Селезнев.

Серпуховский эффект привлек большое внимание теоретиков и экспериментаторов и сделал измерение полных сечений одним из интересных и важнейших экспериментов на новых ускорителях с большими энергиями в Батавии (США) и на пересекающихся кольцах в ЦЕРНе (Женеве). А настоящее время имеются данные по протон - протонным сечениям в области энергий 300 – 2000 ГэВ, полученные в 1973 г. на накопительных кольцах ЦЕРНа, и по рассеянию нуклонов на протоне с энергией до 500 ГэВ, полученные в 1974 г. в Батавии (США). Эти данные не только подтвердили существование серпуховского эффекта, но и показали, что он может быть началом нового явления в физике высоких энергий – быстрого роста полных сечений процессов. Исходя из физического смысла сечения, можно сказать, что «поперечный размер» нуклона возрастает с ростом энергии. Этот результат заставляет теоретиков пересмотреть некоторые важные положения, лежащие в основе изучения динамики взаимодействия частиц высоких энергий.

На пучке 2 была сделана попытка обнаружить гипотетические фундаментальные частицы – кварки с электрическим зарядом равным 2/3 от заряда электрона. Для этого была собрана уникальная установка, способная выделять частицы указанного заряда и определять их массу. В опыте удалось полностью подавить фон, вызываемый другими частицами - мезонами. Среди миллиардов прошедших через установку частиц не оказалось ни одного с дробным зарядом.

Пучок 4 – пучок отрицательно заряженных частиц с энергией от 20 до 45 ГэВ и интенсивностью порядка 106 частиц/имп. На этом пучке в конце 1969 г. были открыты ядра 3He. Опыт состоял в том, что отрицательно заряженные частицы, рождающиеся при столкновении ускоренных протонов с внутренней мишенью, отклонялись магнитным полем, формировались в пучок с определенным импульсом, а затем система черенковских и сцинтилляционных счетчиков анализировала заряд и скорость каждой частицы в пучке. Из 200 миллиардов пролетевших через счетчики вторичных частиц пять оказались ядрами антигелия.

В 1974 г. ученые ОИЯИ и ИФВЭ открыли также ядра антитрития 3H, состоящего из одного антипротона и двух антинейтронов. Пропустив через детектирующую установку 400 миллиардов вторичных частиц, физики обнаружили, что четыре из них можно идентифицировать как ядра антитрития.

Открытие ядра антигелия и антитрития подтверждает теоретическую концепцию о существовании антивещества, что важно для понимания процессов, происходящих во Вселенной, и ее эволюции.

Помимо пучков отрицательных частиц, из ускорителя сделан вывод протонного пучка, с помощью которого получают чистые, или сепарированные, пучки мезонов и антипротонов с энергиями до 40 ГэВ. Создание таких пучков необходимо для исследования в пузырьковых камерах процессов, вызываемых этими частицами.

Пучок 7 протонов или мезонов направлен в жидководородную пузырьковую камеру «Мирабель».

Пучок 8 – нейтринный. Для получения нейтринного пучка требуется сперва получить мезонный пучок. Для этого протоны из ускорителя выводятся импульсным магнитом. Эти протоны в количестве до 1012 в импульсе подводят к мишени по 170-метровой вакуумной трубе. Диаметр пучка на всем протяжении равен 2 мм. Потери частиц не превышают сотых долей процента. Протоны попадают в мишень. Система параболических магнитных линз, созданная в ИФВЭ, фокусирует родившиеся мезоны в тонкий пучок диаметром меньше 2 мм.

Сформированный мезонный пучок направляется в вакуумную трубку длиной 104 м. Здесь поддерживается глубокий вакуум. Труба выбрана достаточно длинной, чтобы значительная часть мезонов успела распасться, образуя мюоны и нейтрино. Мюоны доходят до закрытого слоем железа конца трубы толщиной 66 м. и поглощаются целиком. Нейтрино, летящие вдоль трубы, проходят эту толщу и на выходе образуют чистый нейтринный пучок. Он попадает в мишень, где вызывает ядерные реакции. Поскольку в распадный канал поступают пионы разных энергий, то и образующиеся нейтрино обладают широким спектром энергии в диапазоне несколько десятков гигаэлектронвольт.

Многоэтапность получения нейтринного пучка, возможность фокусировки лишь части пионного пучка и направления в мишень еще меньше доли нейтрино приводит к небольшой интенсивности нейтринного пучка в расчете на один импульс ускорителя.

Мишенями на нейтринном пучке служат искровая камера размером 25x25 м.2 и общим весом железных пластин - электродов 100 m и пузырьковая камера «Скат». Обе установки созданы в ИФВЭ.

Интенсивность нейтринного пучка - 1010 нейтрино за импульс обеспечивает получение в искровой камере одного события за 5-7 циклов работы ускорителя. Фотографирование взаимодействий нейтрино с ядрами железа искровой камеры производится двумя фотокамерами с широкоугольными объективами. Только за первые недели работы нейтринного пучка удалось получить 40 тысяч фотографий.

Другая мишень, одновременно и детектор – пузырьковая камера «Скат», самая крупная в СССР (4,5 x 1,6 x 1,5 м3), объемом 7,5 м3, сдана в эксплуатацию в 1974 г. Рабочим веществом камеры является бромистый фреон или его смесь с жидким пропаном. Жидкость находится под давлением 30 атм. Корпус камеры металлический, толщиной 20 см. Фотографирование камеры осуществляется через 2,6-метровый слой воды и плавающее оптическое стекло толщиной 14 см четырьмя камерами с широкоугольными объективами. Камера находится в магнитном поле мощного электромагнита с напряженностью поля 27 кгс при потребляемой мощности 10 МВт. Изготовление оптически однородного стекла гигантских размеров – свыше 4 м длиной, 1,3 м шириной и толщиной 14 см – потребовало необычайно высокой точности обработки его поверхности. Для отлива этого стекла была разработана специальная технология непрерывной варки и разливки стекла. В мировой практике не было еще случая отливки столь крупного оптического однородного стеклянного блока. Проектирование и постройка камеры выполнены учеными и инженерами ИФВЭ и НИИЭФА, инженерами и рабочими Ленинградского машиностроительного объединения «Электросила», Невского машиностроительного завода им. В.И. Ленина, Лыткаринского завода оптического стекла. Благодаря большим размерам камеры и выбору в качестве рабочего вещества тяжелой жидкости увеличивает количество вещества в мишени, а следовательно, и вероятность взаимодействия нейтрино. В среднем здесь получается одно событие на 30 импульсов ускорителя.

Обработав снимки с пузырьковой камеры, получим информацию о вероятности взаимодействия нейтрино, энергетическом и угловом распределении родившихся в реакциях с нейтрино вторичных частиц. Эта информация позволяет лучше понять природу слабого взаимодействия частиц.

Канал 9 подготовлен для ввода пучка в пузырьковую камеру «Людмила». Двухметровая жидководородная камера «Людмила» создана в ОИЯИ, а затем с большими предосторожностями перевезена в ИФВЭ. Она пущена в строй в 1971 г. Это огромная установка, в которой только магнит весит 700 т. В одном из первых экспериментов камера экспонировалась на пучке антипротонов с энергией 23 ГэВ. Получено более ста тысяч снимков, обработка которых дала первую информацию о взаимодействии антипротонов с энергией 23 ГэВ с протонами. Фотографии обрабатывали физические центры не только Дубны, но и Москвы, Тбилиси, Хельсинки.

В ИФВЭ создана большая теоретическая школа, развивающая исследования частиц при высоких энергиях. Анализируются новые экспериментальные результаты, получаемые на крупнейших ускорителях, сравниваются с теоретическими моделями. Так, серпуховский эффект показал ограниченность предположений модели полюсов Редже для высокоэнергетического рассеяния. В частности, выяснили, что возрастание сечений может быть получено из общих физических принципов. Повысился интерес к таким результатам теории, которые строго следуют из основных положений. Так, Г.Г. Волков, А.А. Логунов, М.А. Мествиришвили доказали в 1970 г., что если полное сечение рассеяния частиц с ростом энергии возрастает, то отношение этого сечения к сечению рассеяния античастиц стремится к единице с ростом энергии. Эта теорема доказывает отсутствие противоречий между основными принципами теории и современными экспериментальными данными по поведению сечений рассеяния частиц.

Циклический ускоритель

Рассмотрим устройство циклического ускорителя электронов[2].

Из инжектора 1(это, как правило, линейный ускоритель или микротрон) предварительно ускоренные электроны попадают на круговую орбиту ускорителя. Захват электронов в режиме синхротронного ускорения возможен при достижении релятивистских скоростей частиц, ибо синхротронная равновесная орбита, по которой электрон движется с постоянной средней угловой частотой и медленно меняющимся радиусом, требует уже в начальном периоде, чтобы энергия частицы была релятивистской (E>mc2). Поэтому синхротронному режиму ускорения предшествует предварительный этап ускорения либо в бетатроне, либо в специальном инжекторе типа линейного ускорителя или микротрона. На круговой орбите электроны 5 удерживаются магнитным полем поворотных магнитов 4. В индукционном ускорителе (бетатроне) и несущее, и ускоряющее поля магнитные. Предел энергии, до которой ускоряются электроны в бетатроне, равен примерно 300 МэВ. В синхротроне магнитное поле в поворотных магнитах увеличивается по мере увеличения энергии электронов, чтобы удержать электроны на равновесной синхротронной орбите (синхронно с ускорением – отсюда и название синхротрон). Обычно круговая камера 2 синхротрона разделяется на 4 части (квадранты 4), между которыми образуются прямолинейные промежутки 3. В один из них устанавливается резонатор с меняющимся электрическим поле, в котором электроны «подталкиваются» (ускоряются). Преимущества синхротрона существенны, так как магниты в отличии от бетатрона, установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Предел достижимой энергии теперь линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ. Итак, в синхротроне ускоренный электрон движется со скоростью υ, близкой к скорости света c.

Лазерный ускоритель на биениях

Рассмотрим поведение плазмы в поле двух лазерных пучков с близкими частотами ω1 и ω2, распространяющихся в одном и том же направлении (с линейно поляризованным электрическим полем, ориентированным вдоль оси y). Суммарное электрическое поле

E = E1 cos (ω1t – k1x) + E2 cos (ω2 t – k2 x) (2)

Может быть в этом случае представлено в виде высокочастотной синусоиды, промодулированной в пространстве и во времени на разностной частоте. Максимумы и минимумы модуляции (волны биений) двигаются в направлении x со скоростью υгр =( ω1 – ω2)/( k1 – k2), которая при близких частотах ω1 и ω2 называется групповой скоростью. В плазме групповая скорость несколько меньше скорости света и определяется выражением

(3)

где ωc = (ω1 + ω2)/2 – средняя частота электромагнитных волн.

На заряженную частицу в этом поле действует обычная сила Лоренца. В нерелятивистском случае, который реализуется при плотностях потока энергии лазерного излучения, много меньшей 1019 Вт/см2, уравнение движения электрона имеет вид

(4)

Где B – магнитное поле лазерных волн, ν – вектор скорости. Под действием электрического поля электроны совершают колебательное движение в направлении электрического поля волны

(5)

и, кроме того, на них действует усредненная по высокой частоте сила, являющаяся результатом комбинированного действия обеих лазерных волн (слагаемое ν х B). Эта сила, называемая обычно усредненной пондеромоторной силой или силой Миллера, направлена вдоль x и изменяется в пространстве и времени с частотой биений (разностной частотой ω1 - ω2 и разностным волновым числом k1 – k2 )

(6)

Эта сила приводит к выталкиванию электронов из областей с более сильным полем и создает неравномерность распределения электронов в пространстве, то есть возбуждает в плазме коллективное пространственно-периодическое электрическое поле на частоте биений.

Таким образом, два лазерных пучка создают в плазме бегущую волну силвого поля, распространяющуюся в направлении x с групповой скоростью лазерной волны. Если эта сила окажется в резонансе с плазменными колебаниями, то есть частота лазерных биений совпадет с плазменной частотой, а групповая скорость лазерной волны совпадает с фазовой скоростью плазменной волны, то даже при сравнительно малой величине силы Миллера возможно резонансное возбуждение плазменной волны с большой амплитудой[3].

Это явление аналогично резонансному возбуждению колебаний вынуждающей силой в обычном колебательном контуре.

Позже Т. Таджима и Дж. Даусон предложили использовать возбуждаемое таким образом электрическое поле в плазме для ускорения заряженных частиц. Чтобы ответить на вопрос о реальной возможности ускорения, необходимо определить максимальную величину электрического поля в плазменной волне, возбуждаемой на частоте биений двух лазерных волн. Если в формулу

E = 4π σ = 4π℮Ν∆x, (7)

Вместо ∆x подставить ∆x =λp/(2π) = с/ω пл, где lp – длина плазменной волны, то получим

(8)

Здесь α – максимальная глубина модуляции плотности в волне α = NM/N. Численно это дает значение EM = α N В/см, где N выражается в см-3. Величина α обычно определяется нелинейными процессами, нарушающими резонансные условия и приводящими к насыщению роста возмущения плотности. Наиболее существенным из них является сдвиг собственной частоты плазменных колебаний от значения ωпл,связанный с релятивистским утяжелением массы электронов, осциллирующих в поле сильной плазменной волны. Как показывает компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, при использовании релятивистски сильных лазерных пучков с плотностью потока энергии до 1018 – 1020 Вт/см2, модуляция плотности может достигать 30 %, то есть при концентрации N = 1017 см-3 электрическое поле может иметь аномально высокую напряженность 1011 В/м.

Фазовая скорость возбуждаемой волны несколько меньше скорости света. Для электронов, синхронных с волной, то есть имеющих начальную скорость, равную фазовой скорости волны, действующее на них электрическое поле оказывается независящим от времени и периодическим в пространстве. Максимальное увеличение энергии электрона в ускоряющем поле можно определить, если вычислить энергию, приобретенную им при скатывании с потенциального барьера в системе координат, движущейся вместе с волной, и пересчитать эту энергию в лабораторную систему координат. В результате максимальное приращение энергии ∆Е = 2αγ2mc2, где γ = ω/пл. Приобретая эту энергию, электрон начинает двигаться быстрее волны и выходит из ускоряющей фазы. Длина на которой это происходит, Lуск = γ2c/ωпл. Именно таким размером и следует ограничить ускоряющую область. Например, при использовании излучения газового CO2 лазера с длинами волн около 10 мкм в плазме с плотностью электронов N = 1017 см-3 длина ускорения составляет 3 см, а максимальная приобретаемая электроном энергия при этом может достигать величины 1 ГэВ.

Заключение

Изложенные выше ключевые физические идеи о способах возбуждения в плазме релятивистски сильных плазменных волн и их использовании для ускорения заряженных частиц позволили реализовать в первых экспериментах рекордно сильные электрические поля (вплоть до 1011 В/м), более чем на три порядка превышающие уровень, достижимый в вакуумных системах в радиодиапазоне. Эти результаты существенно усиливают интерес к исследованию ускорителей, использующих коллективные электрические поля в плазме и уже позволяют рассматривать конкретные проекты ускорителей.

Только дальнейшие исследования могут ответить на возникающие вопросы. В то же время полученные результаты уже сегодня позволяют построить компактные ускорители с умеренной энергией частиц (порядка 1 ГэВ), не требующие сложных и громоздких высоковольтных устройств. Подобные ускорители могут найти широкое применение в науке, медицине и промышленности, открывая подчас совершенно новые возможности, неосуществимые при использовании традиционных систем.

Список используемой литературы

1. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М: Издательский дом

Магистр-Пресс,2000. –т.4 – Физика элементарных частиц. Астрофизика – 280 с: иллюстр.

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для ВУЗов – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. – 639 с.

3. Дубовой Э.И. таинственный мир элементарных частиц. – М.: Атомиздат, 1979, - 144 с.

4. Мякишев Г.Я. Элементарные частицы, изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Наука,1979. – 176 с.

5. Белокуров В.В. Ширков Д.В. Теория взаимодействий частиц. – М.: Наука, гл. ред. Физико-математическая литература, 1986. – 160 с.

6. Ахиезер А.И. Рекало М.П. Элементарные частицы. – М.: Наука. 1986.

www.referatmix.ru

Доклад - Ускорители заряженных частиц

<img src="/cache/referats/20685/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> УСКОРИТЕЛЬЧАСТИЦ,

ВИДЫУСКОРИТЕЛЕЙ

ЛИНЕЙНЫЕУСКОРИТЕЛИ

Влинейных ускорительных системах

Рассмотрим сгустокнерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью

ЦИКЛИЧЕСКИЕУСКОРИТЕЛИ

Протонныйциклотрон.

где

Протонныйсинхротрон.

В синхротронахпервого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР

Первым синхротроном,основанным на этом принципе, был

УСКОРИТЕЛИСО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ

Циклическиеколлайдеры.

Таким образом, вэкспериментах с покоящейся мишенью на

«Теватроне»полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ.

–9–10–7 Па (10–11–10–9 мм рт. ст.) в зависимости отсветимости.

Линейныеколлайдеры.

Новыетехнологии.

ЭЛЕКТРОННЫЕНАКОПИТЕЛИ

Средняя энергияфотонов синхротронного излучения пропорциональна (

www.ronl.ru

Реферат - Ускорители заряженных частиц

<img src="/cache/referats/20685/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> УСКОРИТЕЛЬЧАСТИЦ,

ВИДЫУСКОРИТЕЛЕЙ

ЛИНЕЙНЫЕУСКОРИТЕЛИ

Влинейных ускорительных системах

Рассмотрим сгустокнерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью

ЦИКЛИЧЕСКИЕУСКОРИТЕЛИ

Протонныйциклотрон.

где

Протонныйсинхротрон.

В синхротронахпервого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР

Первым синхротроном,основанным на этом принципе, был

УСКОРИТЕЛИСО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ

Циклическиеколлайдеры.

Таким образом, вэкспериментах с покоящейся мишенью на

«Теватроне»полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ.

–9–10–7 Па (10–11–10–9 мм рт. ст.) в зависимости отсветимости.

Линейныеколлайдеры.

Новыетехнологии.

ЭЛЕКТРОННЫЕНАКОПИТЕЛИ

Средняя энергияфотонов синхротронного излучения пропорциональна (

www.ronl.ru

Ускорители заряженных частиц | Рефераты KM.RU

Алексей Левин

В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочел в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчик сообразил, что скорость частиц и, следовательно, сила удара увеличатся, если разогнать их в постоянном электрическом поле. При этом Рольф достаточно разбирался в физике, чтобы понять, что этот путь не самый лучший, так как необходимую разность потенциалов в миллионы вольт получить чрезвычайно трудно. Рольф решил, что для разгона частиц стоит использовать следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал. После окончания школы Видероэ поехал в Германию изучать электротехнику в политехническом университете в Карлсруэ, а через три года набросал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны с помощью вихревого электрического поля, возникающего (в полном соответствии с уравнениями Максвелла!) при периодическом изменении магнитного потока. Фактически это обыкновенный электрический трансформатор, в котором одна из катушек заменена вакуумной камерой. Видероэ определил параметры магнитных полей, необходимые для того, чтобы все электроны могли набирать скорость на одной и той же круговой орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя элементарных частиц, причем с точки зрения теории абсолютно безупречный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года...

После защиты диплома Рольф вернулся на родину для прохождения военной службы, а затем опять поехал в Германию работать над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить свою схему в железе. Видероэ предполагал построить установку, разгоняющую электроны до 6 МэВ, но тут его постигло разочарование — электроны не желали оставаться на стабильной орбите. Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики осознали это лишь десять лет спустя: в 1940 году профессор университета штата Иллинойс Дональд Керст построил первый действующий индукционный ускоритель электронов на 2, 3 МэВ (сейчас такие машины называют бетатронами, в память о тех временах, когда электроны именовали бета-частицами; крупнейший в мире бетатрон на 300 МэВ, построенный тем же Керстом, был введен в действие в 1950 году).

Поскольку кольцевой ускоритель не действовал, а сроки защиты приближались, Видероэ решил построить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году придумал шведский физик Густав Изинг. Машина была недостаточно мощной и потому бесполезной для серьезных экспериментов, но она всё же ускоряла в бегущем электрическом поле ионы натрия до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась таким образом, чтобы оставаться в фазе с набирающими скорость частицами. В 1928 году Видероэ благополучно защитился и опубликовал свою работу.

В 1943 году он — кажется, первым в мире — понял, что для повышения энергии соударения частиц их можно сталкивать лоб в лоб, предварительно собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сегодня такие устройства называют накопительными кольцами, Видероэ же назвал их «ядерными мельницами». Он запатентовал свою конструкцию в Германии, но в условиях военного времени патент засекретили. Обе его идеи были осуществлены, но много позже и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было построено в 1961 году в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати под руководством Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ после войны успешно трудился в фирме, которая изготовляла бетатроны, применявшиеся в онкологических больницах как мощные источники рентгеновского излучения. Пришло к нему и научное признание, хотя и с запозданием — он стал консультантом в ЦЕРНе и в немецкой лаборатории физики высоких энергий DESY. Но так уж сложилось, что широкой публике этот ученый известен гораздо меньше, чем прочие классики ускорительных технологий.

Линейные ускорители

Прибор Видероэ был чисто демонстрационным. Первый «рабочий» линейный ускоритель построили в 1932 году сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской премии. Эта машина разгоняла протоны до энергии в 500 КэВ, что позволило взломать ядра лития. В 1930-е годы эта система (так называемый каскадный генератор) использовалась довольно широко, но лишь для получения энергий до 1 МэВ (в этом качестве ее используют и поныне). А вот схема Изинга обладает куда лучшими возможностями. По идее она очень проста. Заряженная частица покидает источник и летит по вакуумной камере сквозь множество соосных полых металлических трубок, расположенных вдоль прямой линии. На эти трубки подается переменное электрическое поле, которое частица «ощущает», лишь когда пролетает через зазор (внутри трубок оно экранируется). Таким образом, в трубках частицы летят по инерции — дрейфуют (поэтому трубки и называют дрейфовыми). Частота колебаний электрического потенциала подобрана так, чтобы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась. Набрав расчетную энергию, частицы попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, например, с помощью магнитных линз). Понятно, что параметры дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц. Если это электроны, которые быстро набирают почти световую скорость, длина трубок может быть одинаковой. Тяжелые частицы, протоны и ионы, разгоняются постепенно, поэтому их надо прогонять через дрейфовые трубки возрастающей длины. Именно такую конструкцию и предложил Изинг. Через двадцать лет ее переоткрыл американец Луис Альварес, и теперь схема носит его имя. В 1946 году Альварес и Вольфганг Панофски построили в Беркли первый в мире линейный ускоритель, который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, вполне достаточной для экспериментов в области ядерной физики. Для создания ускоряющего поля они воспользовались деталями радиолокаторов, которых, конечно, не было во времена Изинга. Схема Альвареса хорошо работает для разгона протонов до 200 МэВ. Более высокие энергии получают с помощью волноводов с бегущей волной, которые используют и в электронных линейных ускорителях.

Протонная карусель

Рольф Видероэ косвенным образом приложил руку и к изобретению циклотрона. Как ни странно, стимулом для создания этой машины стала его статья о линейном ускорителе. Эта малоизвестная история хорошо иллюстрирует, сколь непростым путем развивается научное знание. Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по краям) полностью воплощал ключевую идею Изинга — частицы бОльшую часть пути проходят по инерции и только на определенных участках резонансно разгоняются электрическим полем. В 1929 году статья Видероэ попалась на глаза молодому профессору Калифорнийского университета Эрнесту Орландо Лоуренсу, который понял, что резонансное ускорение частиц не обязательно осуществлять на прямолинейной траектории. Он взял металлический полый цилиндр примерно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его вдоль оси и раздвинул половинки (их сейчас называют дуантами). Эту разрезанную банку надо вложить между полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не особенно быстрых заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В постоянном магнитном поле они станут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (разумеется, в камере должен быть вакуум).

В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в журнале Science. Годом позже он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали сильно разреженный водород, который внутри нее ионизировался электрическим полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон построили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1, 2 МэВ. Еще через год у них была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс поначалу называл свое изобретение протонной каруселью, но вскоре оно стало именоваться циклотроном.

Синхронные ускорители

Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться в резонансном режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры обоих полей.

Будем, например, действовать с помощью одного электрического поля. Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро выйдут из резонанса.

И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях).

После открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами.

Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового диаметра запустили в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла протоны до 2, 3 ГэВ, а после полной доводки — до 3, 3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позже вышел на энергию 6, 2 ГэВ (именно на нем впервые получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители — синхрофазотроны.

Фокусы фокусировки

Через несколько лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики осуществили новый прорыв на пути к более высоким энергиям.

Во всех резонансных циклических ускорителях магнитное поле не только заворачивает частицы, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое постепенно спадает при увеличении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразую форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; иначе говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты.

Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не идеальна. Она позволяет получать лишь довольно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки сильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства очень больших и потому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с существенно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы.

Эта проблема была решена в середине прошлого века. В 1949 году греческий физик Николас Христофилос показал, что движением частиц можно управлять с помощью большого числа прилегающих друг к другу электромагнитов, чередующих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным его нарастанием. Однако он изложил свои результаты лишь в форме патентной заявки, так что его открытие тогда осталось незамеченным. Три года спустя к той же идее пришли американцы Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Этот метод получил название сильной фокусировки (фокусировка посредством радиально спадающего поля называется слабой). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электрического поля, но зато позволил лучше фокусировать пучки по радиусу и вертикали и замедлил рост размеров ускорителей.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://theorphysics.info/

Дата добавления: 13.06.2012

www.km.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..