Ускоритель заряженных частиц Ускоритель частиц заряженных — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Тур Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими не комплексами, которые может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе собой представляет кольцо длиной почти 27 километров. В основе работы ускорителя туры заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. способно Электрическое поле напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая Лоренца, силу лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, точно по которой движутся частицы. Ускорители можно принципиально разделить на двум большие группы. линейные ускорители, Это где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых движутся пучки по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по коллайдеры, назначению: источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители. Ускорители заряженных частиц — устройства получения для заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического способного поля, изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, меняя не величины их скорости, поэтому в оно ускорителях применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). возможно Но ускорение с помощью полей, создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У. ч. з. следует отличать от плазменных в ускорителей, которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы). У. з. ч. — один из основных инструментов физики. современной Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц нейтронов, (мезонов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных частиц ускоренных с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, ядерной в физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение з. У. ч. различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), деревообделочной в промышленности — для быстрой высококачественной изделий, обработки в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — во исполнение лучевой терапии, для «бескровной и хирургии» в ряде др. отраслей. 1. развития История ускорителей Толчком к развитию У. з. ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. вначале Применявшиеся естественные источники заряженных частиц — радиоактивные элементы — ограничены были как по интенсивности, так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока a-частиц от радиоактивного начались источника поиски способов пучков получения ускоренных частиц. В начальный период (1919—32) развитие ускорителей шло по пути получения высоких и напряжений их использования для непосредственного ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, в а 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из Резерфорда лаборатории разработали каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервой была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая ускоренными искусственно частицами, — раскалывание ядра лития протонами. Период 1931—44 — время зарождения расцвета и резонансного метода ускорения, при котором ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую даже энергию при умеренном ускоряющем напряжении. на Основанные этом методе циклические ускорители — циклотроны (Э. О. Лоуренс)— вскоре обогнали в своём развитии электростатические ускорители. К концу периода на циклотронах была достигнута протонов энергия порядка 10—20 Мэв. Резонансное ускорение и возможно в линейных ускорителях Однако линейные резонансные ускорители не получили те в годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик Д. У. Керст циклический реализовал индуктивный ускоритель электронов (бетатрон), идея которого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; физик швейц. Р. Видероэ, 1928). Разработка ускорителей современного типа началась с 1944, когда сов. физик В. И. Векслер независимо и от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно энергию повысить ускоренных частиц. На основе этого были принципа предложены новые типы резонансных ускорителей — синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных ускорителей линейных электронов и заряженных тяжёлых частиц. В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. 1952), Снайдер, существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и У. линейных з. ч. В 1956 Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута идея когерентного, коллективного, или метода ускорения частиц. Последующие два десятилетия можно назвать годами этих реализации идей и технического усовершенствования У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные резонансные ускорители. Крупнейший из них, сверху Гэв, 22 был запущен в 1966 амер. физиком В. (США, Панофским Станфорд). Для протонов наибольшие энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен самый крупный ради того синхрофазотрон времени — на энергию 10 Гэв. Через несколько лет в Швейцарии и вступили США в строй синхрофазотроны с сильной фокусировкой получи Гэв, 25—30 а в 1967 в СССР по-под Серпуховом — синхрофазотрон на 76 Гэв, в который течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 в США был создан синхрофазотрон на 200—400 Гэв. В СССР США и разрабатываются проекты ускорителей на 1 000—5 000 Гэв. Современное ускорителей развитие идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы и тока) длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка разброса (уменьшения по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиционные методы: исследуются возможности применения сверхпроводящих материалов (и соответствующей им низких техники температур) в магнитах и системах, ускоряющих позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетические расходы; расширяется область применения методов автоматического управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия встречных во пучках (см. Ускорители на встречных пучках). При особое этом внимание уделяется уменьшению стоимости установок.
|
