Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 135
Текст из файла (страница 135)
В этот момент поле Е всюду меняет направление на противоположное, так что оно будет ускорять частицу и между узлами 1 и з. К узлу 2 частица должна подходить в момент, когда снова происходит изменение направления электрического поля. Поэтому за узлом е ее движение снова будет ускоренным. То же справедливо н для движения между узлами е и 3 и т.д. Чтобы частица всюду двигалась ускоренно, ее скоросгь и дысжна определяться условием Л Т Л и=--: --=-„- =ифат, 2 2 Т (84.1) где иф„ фазовая скорость электромагнитной воляы вдоль трубы.
Но фазовая скорость в трубе (не заполненной веществом) всегда превьппает скорость света в вакууме с. Поэтому частица со скоростью иф, двигаться не может. При реальном движении она должна будег последовательно проходить и через ускоряющие и через замедляющие участки. Альварец преодолел агу трудное гь, поместив на замедляющих участках дрейфовые трубки и тем самым обратив в нуль электрическое поле на этих участках. Эти трубки ни к каким источникам высокого напряжения присоединять не надо — они сами заряжаются колеблющимся электромагнитным полем.
Конечно, электромагнитное поле в трубе, нагруженной дрейфовыми трубками, не имеет столь же простой формы, что в их отсутствие. Поле вытесняется из участков, занятых трубками, в промежутки между ними. Но это обстоятельство не играет роли. Существенно только, чтобы частица всегда попадала в ускоряющие промежутки между трубками и двигалась в отсутствие поля внутри самих трубок.
Для Ускорители 539 Т исТ иЛ 2 с 2 с 2 (84.2) Такое соотношение справедливо и в случае неравномерного движения ускоряемой частицы. Только в этом случае под и надо понимать скорость частицы в момент прохождения ее через рассматриваемую дрейфовую трубку. То же соотношение справедливо и в случае ускорителя Видерое. 5. Действие полого электромагнитного резонатора как ускорителя можно объяснить и с другой точки зрения. Для этого представим стоячую волну в резонаторе в виде суперпозиции двух бегущих волн одинаковых частот, распространяющихся навстречу друг другу: А А А соэ Их соз ы~ = — соэ (ы~ — йх) + — соэ (ы4 + йх). 2 2 Первая волна называется попутной, вторая — встречной.
Пусть частица движется с фазовой скорос"гью и = ы/Й, все время находясь на гребне попутной волны (А/2) сов (ы2 — йл). Тогда эта волна будет непрерывно ускорять частицу. Встречная же волна будет оказывать на частицу ускоряющее и замедляющее действия, с большой частотой сменяющие друг друга.
В результате возникнут небольшие, но быстрые колебания около некоторого усредненного плавного движения частицы, не играющие существенной роли. Конечно, для объяснения таких колебаний нет необходимости разлагать стоячую волну на сумму двух бегущих. Достаточно заметить, что отнюдь не все частицы пучка подходят к узлам электрического поля точно тогда, когда происходит изменение направлений поля.
Это приводит к отставанию таких частиц от частицы, приходящей к узлам в моменты таких изменений, к ухудшению монохроматичности пучка и к явлениям колебательного характера. Для ускорения частиц можно использовать только одну попутную волну, устранив вредное влияние всгречиой волны. Такой ускоритель называется ускорителем с бегущей волной. Для реального ускорения частиц требуется еще замедление попутной волны — снижение ее фазовой скорости до величины, меньшей скорости света в вакууме. Для эгого применяются «нагруженныек волноводы, заполненные., например, перегородками с достаточно большими отверстиями. Этим можно также достигнуть того, чтобы фазовая скорость волны, а с ней и скорость частицы медленно возрастали вдоль волновода.
Такое возрастание скорости волны не требуется только в случае ультрарелятивистских электронов, когда их скорости практически уже достигли релятивистского предела -- скорости света в вакууме. Но и волноводы с медленно нарастающей фазовой скоростью можно использовать для этого длины дрейфовых трубок должны определенным образом возрастать со скоростью частицы. Именно, через дрейфовые трубки частица должна проходить за те полупериоды, когда в ненагруженном резонаторе электрическое поле се тормозило бы. Поэтому длина дрейфовой трубки связана со скоростью движущейся частицы соотношением 540 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл.
ХВ ускорения только уже достаточно быстрых частиц, так как большого замедления волн (по сравнению с вакуумом) в таких волноводах получить не удается. В ускорителе Альвареца труба (объемный резонатор) закрывается с концов проводящими крышками, от которых электромагнитные волны отражаются, в результате чего образуются стоячие волны. В ускорителях с бегущей волной отражение от внешнего конца надо устранить.
Для этого с заднего конца к трубе присоединяется резонатор определенных размеров, в который уходит падающая волна, выделяя джоулево тепло. Большой линейный ускоритель с бегущей волной для ускорения электронов до 1,8 ГзВ сооружен в 1964 г. в Физико-техническом институте АН УССР в Харькове. Его длина 240 м. Самый большой в мире линейный ускоритель с бегущей волной, ускоряющий электроны до 22,3 ГэВ, построен в Стэнфорде (США). Его длина 3,05 км. Для замедления электромагнитных волн в волноводе устанавливают специальные диафрагмы, делящие его на отдельные ячейки.
Последние можно рассматривать как линейные полые резонаторы, в которых бегущая волна возбуждает электромагнитное поле. Из-за неизбежных потерь в стенках амплитуда волны непрерывно падает вдоль волновода. Для ее поддержания применяются специальные генераторы расположенные по всей длине ускорителя. В Стэнфордском линейном ускорителе таких генераторов более 80 тысяч. Линейные ускорители стоят очень дорого. В мощных протонных ускорителях приращение энергии протона составляет 1-1,5 МэВ на каждый метр ускорителя, а в электронных — 10 МэВ. Предельно допустимая энергия пучка частиц определяется почти исключительно стоимостью ускоряющих резонаторов и связанных с ними радиочастотных источников энергии.
В настоящее время на основе Стэнфордского линейного ускорителя, энергия которого увеличена до 50 ГэВ, заканчивается сооружение установки для встречных электрон — позитронных пучков. Электроны и позитроны будут ускоряться в линейном ускорителе, а затем их траектории будут разводиться по разным окружностям, в месте пересечения которых будут возникать встречные столкновения. В Институте ядерной физики СО АН СССР разработан проект линейного ускорителя (ВЛЭП), позволяющего получать встречные е и е+-пучки при темпе ускорения 100 МэВ/м.
Это позволит при сравнительно малых размерах ускорителей получать встречные пучки е и е+ с энергией 500 и даже 1000 ГэВ в каждом пучке. При таком темпе ускорения в линейном ускорителе можно будет ускорять до 1000 ГэВ даже нестабильные частицы, например хх-мезоньь Создание таких высоких градиентов полей потребовало новой технологии (вакуум, чистота поверхностей и т.д.).
Важным достоинством линейных ускорителей электронов является то, что из-за прямолинейности траектории ускоренных частиц они практически свободны от электромагнитного излучения. Линейные ускорители обладают высокой интенсивностью, могут иметь большое з 84) Ускорители 541 практическое значение, например, для выработки ядерного топлива (зз"Рп аззВ) из 'зе11 ззаТ8 (см. 8 дб, п.11). 6. В циклических ускоригаеллх частица не проходит однократно через длинный ряд ускоряющих резонаторов, а многократно периодически возвращается к одним и тем же ускоряющим промежуткам.
Таким путем достигается значительное снижение размеров и стоимости ускорителя. Первый циклический ускоритель был построен в 1930 г. Лоуренсом (1901-1958) и назван циклотроном. г1тобы понять идею циклотрона, напомним, что в однородном постоянном магнитном поле Н заряженная частица, если ее скорость перпендикулярна к Н, равномерно вращается по окружности с циклической частотой П=-- —, (84.3) т.е. с периодом обращения Т = 2к/П.
Существенно, что при нерелятивистском движении период Т не зависит от скорости движения частицы. Это и используется в циклотроне. Циклотрон представляет собой сплющенную цилиндрическую металлическую коробку, в которой вдоль диаметра имеется прорезь, разделяющая коробку на две половины А и В, называемые фантами (рис. 149). Коробка помещается в постоянное однородное магнитное поле между противо- 4 В положными полюсами магнита (электромагнита). Между дуавтвми А и В прикладывается электрическое напряжение от высокочастотного генератора с частотой П (84.3). Источником ионов (положительных) служит небольшая дуга, горящая в центре циклотрона между накаленным катодом и стенкой полости, служащей анодом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
