ЛИНЕ́ЙНЫЙ УСКОРИ́ТЕЛЬ ПРОТО́НОВ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ЛИНЕ́ЙНЫЙ УСКОРИ́ТЕЛЬ ПРОТО́НОВ, устройство, в котором протоны ускоряются электромагнитными полями, двигаясь по прямолинейной траектории. Применяется также для ускорения ионов. Используется два осн. типа Л. у. п.: ускорители прямого действия (или высоковольтные ускорители), конструкция которых аналогична высоковольтным линейным ускорителям электронов, и высокочастотные резонансные ускорители.
В ускорителях прямого действия заряженная частица один раз проходит через ускоряющий зазор, к которому приложено макс. напряжение. В 1932 Дж. Кокрофт и Э. Уолтон создали такой Л. у. п. на основе схемы умножения напряжения. На этом ускорителе они осуществили первую искусств. ядерную реакцию – расщепление ядра лития протонами, ускоренными до энергий 700 кэВ. Практически сразу этот эксперимент был повторен в Украинском физико-технич. ин-те (Харьков). После 1932 началось активное использование ускорителей в ядерной физике.
Развитие высокочастотных резонансных ускорителей связано с разработкой ядерного оружия: предполагалось получать плутоний, облучая природный уран ускоренным пучком протонов (или дейтронов). В резонансном ускорителе частица проходит последовательность ускоряющих зазоров, приобретая на каждом из них относительно небольшую энергию. Электрич. поле в зазоре изменяется во времени, но частица проходит зазор всегда при ускоряющем направлении поля (т. е. движение частицы находится в резонансе с полем). Первую такую ускоряющую систему создал норв. физик Р. Видероэ в 1928 и ускорил в ней ионы калия и натрия. В ускорителе Видероэ использовался ряд металлич. трубок (трубок дрейфа), на которые подавалось напряжение низкой частоты от обычной двухпроводной линии. Осн. назначение трубок дрейфа – экранирование частицы от действия поля в тот момент, когда оно имеет тормозящее направление. В 1945 в США была предложена идея Л. у. п., который позднее был построен в Ливерморе (штат Калифорния) группой под рук. Л. Альвареса. Этот ускоритель был сооружён на основе цилиндрич. резонатора, на оси которого создавалось продольное переменное электрич. поле высокой частоты. Заряженные частицы, предварительно ускоренные высоковольтным генератором, инжектировались в резонатор. На оси резонатора последовательно располагались трубки дрейфа. Длина резонатора составляла ок. 17 м, диаметр – 18 м. Трубки дрейфа подвешивались к потолку резонатора на штангах и имели внешний диаметр 3 м. Внутри трубок размещались соленоиды с продольным магнитным полем для фокусировки пучка, что и определяло большой диаметр трубок и, соответственно, всего ускорителя. На этом Л. у. п. исследовались ядерные реакции в области энергий до 32 МэВ.
В 1952 амер. физик Дж. Блюэтт предложил использовать для фокусировки пучка квадрупольные линзы, что в конечном итоге привело к уменьшению внешнего диаметра резонатора до 1,5–2 м. Достигнутые параметры позволили использовать такие Л. у. п. в качестве инжекторов частиц для протонных синхротронов, рассчитанных на высокие энергии. Первый отеч. ускоритель такого типа был разработан под рук. К. Д. Синельникова для инжекции частиц в синхрофазотрон Объединённого ин-та ядерных исследований (Дубна).
Ускоряющие системы Л. Альвареса используются для ускорения частиц до энергий 200–300 МэВ. Для более высоких энергий применение цилиндрич. резонаторов становится энергетически неэффективным. Ускорение до энергий 0,8–1,5 ГэВ осуществляется в ускоряющих системах, в которых протоны получают энергию от бегущей электромагнитной волны. Для ускорения протонов до энергий св. 1,5 ГэВ используются циклические ускорители.
В ускоряющих структурах с трубками дрейфа используются и др. типы объёмных резонаторов. Чаще всего применяется т. н. Н-резонатор, представляющий собой полый цилиндр с двумя рёбрами, на которых крепятся трубки дрейфа. Такие резонаторы эффективны для ускорения частиц до энергий ок. 50 МэВ. Для ускорения тяжёлых ионов до энергий в неск. МэВ используются цепочки последовательно расположенных одно- или двухзазорных резонаторов, питаемых от независимых источников поля высокой частоты (см. Тяжёлых ионов ускорители). Возможно также использование сверхпроводящих резонаторов, что позволяет резко снизить потери мощности на нагрев резонатора.
Для упрощения конструкции Л. у. п. были предложены методы фокусировки пучка, не требующие размещения в трубках дрейфа спец. фокусирующих устройств. Наиболее известные из них – фазопеременная фокусировка (ФПФ) и высокочастотная квадрупольная фокусировка (ВЧК). ФПФ, предложенная амер. физиком М. Л. Гудом (1953) и Я. Б. Файнбергом (1956), основана на периодич. изменении длин трубок дрейфа на протяжении длины резонатора таким образом, чтобы обеспечить знакопеременную фокусировку радиальными компонентами электрич. поля на входе и выходе ускоряющего зазора. Такой тип фокусировки применяется в осн. в ускорителях лёгких и тяжёлых ионов. Идея ВЧК была предложена в 1956 рос. физиком В. В. Владимирским и основана на отказе от аксиальной симметрии высокочастотного электрич. поля в зазорах; при этом фокусировка обеспечивается квадрупольной компонентой поля. Эта идея была развита рос. физиком В. А. Тепляковым и доведена до реализации в ускорителе, работающем в составе ускорительного комплекса Серпуховского синхротрона (Протвино).
К недостаткам ускоряющих структур с трубками дрейфа относятся необходимость предварительного ускорения пучка до энергий 600–700 кэВ в высоковольтном ускорителе и невысокая доля частиц, захватываемых в режим ускорения из исходного непрерывного пучка. В 1969 В. В. Владимирский, И. М. Капчинский и В. А. Тепляков предложили ускоряющую структуру с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, которая решает эти проблемы. Такой ускоритель представляет собой четырёхпроводную линию, провода которой питаются переменным напряжением со сдвигом по фазе на 180°. Тем самым создаётся квадрупольная симметрия электрич. поля вдоль оси линии, где движутся ускоряемые частицы. Продольная ускоряющая компонента электрич. поля создаётся за счёт периодич. изменения расстояния между противоположными электродами одной полярности. Такая структура, называемая также RFQ (Radio Frequency Quadrupole), наиболее широко применяется на начальном участке ускорения частиц (до энергий ок. 1 МэВ), т. к. она не требует высокой энергии инжектируемых частиц и способна ускорять импульсные токи величиной до нескольких А (частицы внутри пучка распределены неравномерно, поэтому характеристикой пучка является как импульсный ток, определяемый по движению сгустка частиц, так и средний по времени ток).
Совр. Л. у. п. используются в осн. в качестве инжекторов частиц для протонных синхротронов. Л. у. п. с высоким средним током применяются для наработки короткоживущих изотопов, используемых в медицине. Л. у. п. с энергией ок. 1 ГэВ применяются в качестве генераторов мезонов (см. Мезонная фабрика). На основе Л. у. п. создаются интенсивные нейтронные генераторы для изучения структуры и динамики конденсированных сред. Ускорение отрицательно заряженных ионов водорода (Н–) используется для генерации ускоренных пучков нейтральных частиц, при этом после ускорения ионы проходят сквозь мишень и теряют лишний электрон. Интенсивные пучки нейтральных частиц планируется использовать для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и для передачи на большие расстояния энергии в космич. пространстве. Исследуются возможности создания эффективной и безопасной ядерной энергетики на базе комплекса Л. у. п. и подкритич. реактора на быстрых нейтронах. Возможно использование интенсивных пучков протонов для создания фабрик μ-мезонов и нейтрино (см. Нейтринная фабрика) для исследований слабых взаимодействий.