ЛИНЕ́ЙНЫЙ УСКОРИ́ТЕЛЬ ПРОТО́НОВ

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.