Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 138
Текст из файла (страница 138)
Этот недостаток в бетатронах еще более сущесгвен, чем в фазотронах, так как среднее магнитное поле в бетатронах должно быть вдвое больше поля, необходимого для удержания электрона на стационарной орбите. Кроме того, при энергиях от 100 МэВ и выше режим ускорения электронов в бетатронах существенно ухудшается из-за электромагнитного излучения. К недостаткам бетвтронов относится трудность и даже практическая невозможность вывода пучка из камеры. Бетатроны часто применяюгся для получения г-квантов высоких энергий.
В таких случаях ускоренные электроны направляются на специальную мишень, расположенную в камере. Это достигается с помощью обмогки, создающей магнитное поле, нарушающее условие (84.6). В результате радиус орбиты увеличивается или уменьшается, и электроны попадают на мишень, где и генерируются Г-кванты. 10. Импульс частицы связан с ее полной энергией 6 соотношением р = (Ф/сг)и нлн рс = оД, где Д = и/с. С другой стороны, б — (рс)г = 2 = бе. Из этих двух соотношений получается 550 Источники и мегаоды регистрации ядерных частиц ( Гл. ХП Таким образом, если энергия электрона больше примерно 10 МэВ, то его скорость практически постоянна н не отличается от скорости света с. Поэтому и период обращения электрона по круговой орбите практически постоянен.
Это используется в синхротронат, — циклических кольцевых резонансных ускорителях электронов с орбитой почти постоянного радиуса, в которых частота ускоряющего электрического поля постоянна, а напряженность удерживающего магнитного поля изменяется во времени. В синхротроне магнитное поле надо создавать только вдоль ускоряющего кольца, а не в его середине, что существенно уменьшает массу магнита и уменьшает его стоимость. В синхротроне могут ускоряться только ультрарелятивистские частицы. Это осложняет инжекцию (впуск) частиц в синхротрон. В крупных синхротронах применяется инжекция уже предварительно ускоренных (до энергий 1 — 50 МэВ) электронов, в меньших бетатронная инжекция. Ускоритель сначала работает как бетатрон до достижения ультрарелятивистских энергий, а затем переходит на синхротронный режим.
Выпуск ускоренных частиц из синхротрона также осложнен из-за постоянства радиуса орбиты. Тем не менее он осуществляется в большинстве современных синхротронов. Часто пучок ускоренных электронов не выпускается из камеры, а направляется на расположенную в ней мишень, где генерируются тормозные у-квантьц используемые в различных исследованиях. В синхротронах высоких энергий число частиц в импульсе составляет примерно 10'а, а чишю импульсов в секунду -- несколько десятков, так что получается средний ток около О,! мкА. Ультрарелятивистские электроны, движущиеся в синхротроне по круговым орбитам (из-за наличия у них нормальных ускорений), являются мощными источниками ш|ектромагнитного излучения.
Излучаемая энергия за один оборот электрона возрастает пропорционально четвертой степени энергии самого электрона при заданном радиусе (т.е, заданном И) '). Потеря энергии на излучение приводит к затуханию колебаний электронов около равновесной орбиты, а квантовый дискретный характер излучения — к их раскачке. Трудности создания мощных ускоряющих устройств, компенсирующих потери на излучение, ограничивают предельно достижимые энергии. В синхротронах достигнуты максимальные энергии 5 — 10 ГэВ. При меньших эноргиях более экономичны бетатроны и микротроны, а при больших -- линейные резонансные ускорители.
Правда, существуют проекты синхротронов на 100 — 150 ГэВ. 11. Для ускорения тяжелых частиц (протонов или ионов) до максимшгьных энергий применяются синхрофазотроны. Синхрофазотрон —- эго циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц, в котором меняются во времени как магнитное поле, так и частота ускоряющего и ) Синхротронное излучение можно уменьшить, взяв больший И (меиьшее Н). В ЦЕРНе сооружается ускоритель ЛЭП со встречными е+е -пучками по 50 ГэВ в каждом (в дальнейшем по 100 ГэВ). Длина его окружности около 30 км. Потери на синхронное излучение достигают десятков мегаэлектроивольт. Ускорители электрического поля, и притом так, что радиус равновесной орбиты остается почти постоянным.
Изменять частоту электрического поля в синхрофазотроне необходимо потому, что протоны с энергией 1 ГэВ еще не являются достаточно ультрарелятивистскими, тк что период обращения их по орбите постоянного радиуса меняется с энергией (Д = = 0,767 при У „„= 1 ГэВ). Движение частиц происходит в кольцевой вакуумной камере, помещенной в магнитное поле системы магнитов, расположенных в определенном порядке по кольцу. Магнитное поле синхронно меняется с энергией частиц. В прямолинейных промежутках между магнизвми (служащих для размещения ускоряющих электродов, а также устройств ввода и вывода пучка) магнитное поле спадает до нуля.
Синхрофазотроны на очень высокие энергии построены по многастпутгенчатому принципу: линейный ускоритель (инжектор) впускает частицы в малый синхрофазотрон (бустер), где они ускоряются до промежуточной энергии, а затем нос гупают в большой синхрофазотрон для дальнейшего ускорения. В синхрофазотронах меньших энергий инжекция частиц производится непосредственно из линейного ускорителя.
Интенсивность ускоренных пучков в синхрофазотронах относи гель- но низка, особенно при высоких энергиях. Так, синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ за импульс дает около 10'~ протонов (7,5 импульсов в минуту). Он позволяет ускорять не только протоны, но и атомные ядра до энергии 10 ГэВ на один протонный заряд. Например, полностью ионизованный атом изотопа углерода 1ь1С ускоряется на этом ускорителе до энергии 60 ГэВ, т.с. до 5 ГэВ на нуклон (интенсивность 10 ядер '~~С в импульсе). В 1967 г.
в Серпухове был запущен синхрофазотрон на 76 ГэВ. Радиус ускорительного кольца в нем 236,14 м, средний ток 2. 10 '" мкА (10ш частиц в импульсе, 8 импульсов в минуту), Прирост энергии за один оборот 190 кэВ, твк что за полный цикл ускорения частица совершает в ускорителе (76 10э): (190 10з) = 400000 оборотов. До 1972 г. Серпуховский синхрофазотрон был самым большим ускорителем протонов в мире. К 1980 г.
максимальная энергия, достижимая на синхрофазотроне, достигла 500 ГэВ (Батавия, США и ЦЕРН), проектируются синхрофазотроны на несколько тысяч гигаэлектронвольт. Предельная достижимая энергия ограничена в первую очередь технико-экономическими возможностями (размерами установки и ее стоимостью).
Минимальная энергия, для получения которой применяются синхрофазотроны, равна около 1 ГэВ, для меныпих энергий целесообразнее применять фазотроны. На основе ускорителя на 500 ГэВ (ЦЕРН) были созданы встречные рр-пучки по 200 и 310 ГэВ, на которых удалось открыть |У+-, /е-бозоны. В 1985 г. в Батавии запущен ускоритель (со сверхпроводящими магнитами) на энергию 1000 ГэВ и вводятся в строй встречные пучки по 800 ГэВ. В Серпухове сооружается ускорительно-накопительный комплекс, основу которого составит протонный ускоритель со сверхпроводящими магнитами на 3-3,5 ТэВ с организацией встречных пучков рр и рр.
Длина окружности основного ускорителя равна примерно 552 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл. ХН 20 км, а в качестве бустера будет использоваться синхрофазотрон на 76 ГэВ. В ФРГ сооружается ускоритель НЕВА со встречными ерпучками (11, = 20 — 30 ГэВ, бр —— 800 ГэВ). Создается проект протонного ускорителя (США) на 20 ТэВ со встречными пучками. 12.
Существенное значение для повышения энергии ускоряемых частиц в синхрофазотроне и других ускорителях на высокие энергии имело применение жесткой (иначе называемой сильной) фокусировки, предложенной в 1950 г. Н. Кристофилосом (р. 1917) и независимо от него в 1952 г. Э. Курантам, Х. Снайдером (р. 1913) и М. Ливингстоном (р. 1917). Идея жесткой фокусировки была уже изложена нами в т. Гч', 5 12. Она основана на том, что две линзы собирающая и рассеивающая с одинаковыми фокусными расстояниями всегда образуют собирающую систему, если первая линза рассеивающая. Если же первая линза собирающая, то это свойство сохраняется, когда расстояние между линзами меньше фокусного расстояния одной линзы. Результат был получен нами для тонких линз, \' но он (в несущественно уточненной ф форме) остается верным и для тол- Я стых линз.
В синхрофазотроне жесткая фо- кусировка осуществляется магнит- % х х ' а ° М ными квадрупольнь ми линз ми. Од,с '~ на из таких линз схематически изображена на рис.153. Четыре магнитных наконечника обращены друг ,Я к другу противоположными полюсаХ ми, так что в центре квадрупольной линзы магнитное поле равно нулю.
На рисунке показаны магнитРис. 153 ные силовые линии. Предполагается, что положительная частица движется в направлении к читателю. Маленькие стрелки показывают направление лоренцсвых сил, действующих на частицы со стороны магнитного поля квадрупольной линзы. Из рисунка видно, что в направлении оси Х лоренцсва сила стремится приблизить частицу к оси линзы (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
