Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова - Квантовая физика. Вводный курс (1129347), страница 96
Текст из файла (страница 96)
и наполняются $ 88 Усковитвли злгяжвнпых чхстиц 463 Входящий пучок Ускоренные частицы Рис. !83. Схема расположения электродов в ускорителе прямого действия. азотом с примесью газов, повышающих пробойную прочность. Ускорители прямого действия использовались ранее как для получения ускоренных частиц, например, протонов с небольшой энергией, так и для предварительного ускорения частиц перед вводом в более мощные ускорители. Сейчас они уступили место линейным ускорителям.
соединительный источник вл. напряжения Рнс. 184. Схема расположения электродов в линейном ускорителе. Линейные ускорители. Сннхротронные колебания. Более высокие энергии могут быть получены только с помощью переменных электрических полей. Рассмотрим рис. !84. На нем изображена установка, содержащая пять ускоряюших зазоров и столько же дрейфовых трубок.
Ускоряемые частицы, скажем, протоны, попадают в первый ускоряющий зазор, когда напряжение в нем имеет нужный знак (верхние обозначе- ГлАвл 16 ния полярности). Пройдя через него, электроны получают первую порцию энергии. Пролетев через дрейфовую трубку частицы попадают во второй ускоряющий зазор. Пока частицы движутся через трубку, напряжение успевает переменить полярность и теперь соответствует уже нижним обозначениям гчастицы, движущиеся в металлической трубке, перемены напряжения не замечают). В зазоре напряжение снова имеет эправильный» знак, и частицы получают вторую порцию энергии. Затем следует новая дрейфовая трубка, за ней — следующий ускоряющий зазор, и т.д.
Такие ускорители носят название л и н ей н ы х ус к орителей со стоячей волной. Энергия, приобретаемая в каждом зазоре, не очень велика. Она может лежать в пределах нескольких сотен килоэлектронвольт, а полная энергия, приобретаемая частицей, ограничена только числом ускоряющих зазоров, т.е., в конечном счете, длиной ускорителя. Пролетные трубки и ускоряющие зазоры должны, конечно, располагаться в вакуумной камере, откачанной до высокого вакуума, поскольку движение ускоряемых частиц может происходить только в высоком вакууме. Сейчас используется несколько типов линейных ускорителей; среди них ускорители с бегущей волной, резонансные линейные ускорители и т.д.
Мы их устройство разбирать не будем. Липейные ускорители применяются для ускорения электронов и в качестве инжекторов в кольцевые ускорители тяжелых частиц. Наиболее крупный из действующих линейных ускорителей находится в Степ- форде 1США) и позволяет ускорять электроны до 36 ГэВ. Длина его ускоряющей системы равна 3,5 км. Этот ускоритель эффективно используется для экспериментов в области физики элементарных частиц. Рассмотрим динамику ускоряв емых частиц в линейном ускорителе. Зависимость переменного напряжения от времени изображена на рис.
185. Частицы, прошедшие ускоряющий зазор при напряжении, близком к максимальному, получают почти максимальную энергию. Частицы, получившие существенно Рис. 185. Зависимость от времени меньшую энергию, выбывают из ренапряжевня в ускорнтельном зазоре. жима ускорения. Так образуется сгу- сток частиц, захваченных в режим ускорения. Но и в этом сгустке одни частицы имеют энергию, превышающую среднее значение, а другие — не дотягивают до нее. Необходимо, чтобы частицы с недостаточной энергией в следующих зазорах получили большую энергию, чем «средняя частицагч а частицы, перебравшие энер- 465 $88 Ускогитвли злияжшшых чхстиц гию, недополучили ее.
Если это так, то через некоторое время ситуация изменится на обратную, отстававшие частицы обгонят средние, а имевшие слишком много энергии отстанут от средних и т.д. Так возникают синхротронные колебания. Разберемся в этом подробнее. Напряжение на ускоряющих зазорах и длина дрейфовых трубок подбираются таким образом, чтобы «правильную» энергию получали частицы, подходящие к зазору, когда напряжение на нем близко к максимальному, но все таки не максимально, как это, например, имеет место для частиц (1) и (3) на рис.
185. Назовем эти частицы средннмиь. Рассмотрим частицу, движущуюся в окрестности точки (1), ио пришедшую к зазору с небольшим опозданием, когда напряжение иа нем уже выше, чем в точке (1). Эта частица получит болыпую энергию, чем средняя, и начнет догонять ее. Когда эта частица перегонит среднюю, опа попадет в зазор при более низком напряжении н начнет возвращаться к средней. Синхрогронные колебания частиц, движущихся в окрестности точки (1), оказываются устойчивыми.
Повторяя те же рассуждения для частиц, движущихся в окрестности точки (3), мы увидим, что их движение неустойчиво, они будут потеряны. Обратимся теперь к пространственной устойчивости ускоряемого пучка. Ясно, что не все частицы, введенные в ускоритель, движутся по одной и той же — центральной — траектории.
Существует некоторый разброс как в начальных координатах, так и в углах ввода. Частицы, движущиеся под некоторым углом к центральной траектории, со временем будут отклоняться от оси пучка все больше и, если не принять мер, вскоре попадут на стенки вакуумной камеры и будут потеряны.
В ускорителе должны иметься устройства, возвращающие отклопившиеся частицы к оси камеры. Под действием этих устройств частицы, отклонившиеся, например, влево, получат отклонение вправо. Со временем они окажутся справа от осевой линии камеры и попадут под действие снл, направляющих их влево и т.д. Так возникают б е та т р о н н ы е к о л е б а н и я частиц, а устройства, возвращающие пучек к оси камеры, называются ф о к у с и р у ю щ и м и.
Здесь следует отметить, что не существует эффективных устройств, одновременно обеспечивающих устойчивость в обоих перпендикулярных оси пучка направлениях: сверху вниз и справа налево. Ф о к у с и р о в к а п у ч к а в о д н о м н а- правлении всегда приводит к его дефокусировке в д р у г о м н а и р а в л е и и и. Мы рассмотрим бетатронные колебания подробнее на примере циклических ускорителей. Цнклотроны. Бетатронные колебания. Перейдем к циклическим ускорителям. Их идея заключается в том, чтобы с помощью магнитного поля возвращать ускоряемые частицы к одному и тому же — или к одним и тем же — ускорительным промежуткам. Простейшим цикли- 466 ГлАвх 16 б) и =цв/Л=.
о ~, где ц — скорость частицы, а ш — частота ее обращения в циклотроне. Ускорение, приобретаемое частицей в магнитном поле, равно: и .=- (еВп/с),'пц где  — величина магнитной индукции между полюсами, с — скорость света (мы использовали систему единиц Гаусса). ческим ускорителем является циклотрон (Лоуренс, 1932 г.). Схема его устройства изображена на рис. 186. Внешне циклотрон имеет форму циВакуумная Ярмо линдра, стоящего на основании. Маг- Полюс камера ' магнита нитное ярмо циклотрона в разрезе пред- ставляет собой две сросшиеся буквы Ш, 8 одна из которых расположена над другой. Средние части этих букв короче боковых и образуют магнитные полюса циклотрона.
Между полюсами расположена вакуумная камера, в которой пол~осКат~~цкапРоис..одиУскоРениеас'иц.Мани ное поле создается катушками, надетыми на полюса. В камере расположены дуанты — полые металлические полуцилиндры, между которыми создается высокочастотное электрическое поле. Вблизи центра в промежутке между дуантами размещается источник ускоряемых частиц.
Ускоряемые частицы движутся внутри дуантов по спирали. Через каждые пол-оборота они выходят в пространство между дуантами и попадают в Рис. 186. Схема устройства цпк- ускоряющее поле. Частота поля должна лотрона. соответствовать частоте обращения ча- стиц, чтобы частицы попадали в зазоры, когда электрическое поле имеет нужное направление и величину.
Рассмотрим динамику частиц в постоянном магнитном поле. Будем считать частицы нерелятивистскими. Круговое движение частиц возникает, если ускорение, приобретаемое частицами в магнитном поле, равно необходимому для движения по окружности центростремительному ускорению. Для движения по окружности радиуса г1 это ускорение равно: 46? $88 Ускогитвли зхгяжвнпых чхстиц Приравнивая величины ускорения, из этих двух равенств найдем: пш —.
(еВпг'с)?'т. Сокращая на и, получим: (16.22) ш =. еВ?тс. Полученная формула показывает, что в циклотроне (т.е, в постоянном магнитном поле) частота обращения нерелятивистских частиц, а значит и необходимая частота ускоряющего напряжения не зависят от скорости, а значит, и от энергии час т и ц ы. Радиус траектории, напротив, зависит от энергии очень сильно. В самом деле, ш = п?г, или г †' пГш.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
