Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова - Квантовая физика. Вводный курс (1129347), страница 97
Текст из файла (страница 97)
При постоянной частоте обращения радиус траектории, описываемой частицей в циклотроне, пропорционален ее скорости и по мере увеличения энергии частицы быстро возрастает. Траектория ускоряемых частиц представляет собой, таким образом, не окружность, а спираль. Процесс ускорения в циклотроне происходит непрерывно. Когда одни частицы заканчивают ускорение (движутся по окружности максимального радиуса), другие начинают ускорение (движутся при небольших радиусах).
Это возможно потому, что ускоряющее напряжение должно иметь одну и ту же частоту для всех ускоряемых частиц. В непрерывном режиме ускорения заключается огромное преимущество циклотрана, главное его отличие от всех других циклических ускорителей.
К сожалению, наш вывод о постоянстве частоты обрашения справедлив только при нерелятивистских скоростях, когда массу частицы можно считать независяшей от скорости. Поэтому циклотроны, используемые для ускорения протонов, могут работать только при энергиях до 20 МэВ, а для ускорения электронов вообще не годятся. В циклотронах можно ускорять также дейтроны, о-частицы и тяжелые ионы, и они нередко используются для этой цели.
Прежде чем переходить к другим типам ускорителей, вернемся к устойчивости поперечных колебаний и к бетатронным колебаниям ускоряемых частиц. Рассмотрим вертикальную устойчивость частиц при ускорении. Вопрос о радиальной устойчивости в циклотроне не стоит остро потому, что для горизонтального движения имеется достаточно места.
Устойчивость движения может обеспечиваться только магнитными силами. Магнитные силы, действуюшие на частицу, перпендикулярны ее скорости и магнитному полю. В однородном вертикальном поле 1ЛАвл 16 эти силы направлены по радиусу, и вертикальной слагающей не имеют. Частицы, имевшие при инжекции даже небольшую вертикальную скорость, сохранят ее, пока не попадут на крышку дуантов и будут потеряны. Поэтому однородное магнитное поле в циклотроне применять нельзя.
Чтобы обеспечить вертикальную устойчивость частиц, магнитные силы должны иметь вертикальную слагающую, направленную к средней плоскости. Для этого магнитные полюса следует скашивать наружу, как это изображено на рис. 18?. Рис. !87. Форма магнитных полюсов циклотрона. Скос полюсов приводит к важным следствиям. С увеличением радиуса увеличивается зазор между полюсами магнита и уменьшается магнитное поле. Обратимся к формуле (16.22). Релятивистские эффекты приводят к увеличению с энергией, а значит и с радиусом, массы УскоРЯемой частицы. РелЯтивистскаЯ масса частицы Равна го~па =- (Т .1- + тося)/с'-. Именно это значение входит в формулу (16.22).
Значит, чтобы сохранить постоянной частоту обращения ускоряемых частиц, величину магнитного поля нужно с радиусом не уменьшать, а увеличивать, для чего следует скашивать полюса в обратную сторону, то-есть не в ту, которая нужна для радиальной устойчивости. При энергиях до 20 МэВ этот вопрос еще остро не стоит. Выход из этого положения был найден в изохронных циклотронах.
Разговор о них пойдет ниже. Скос магнитных полюсов влияет и на устойчивость радиальных колебаний. Мы уже отмечали, что в циклотронах радиальная устойчи- $88 Ускогитвли злвяжшшых чхстиц вость не является особенно актуальной. Однако посмотрим, что с ней происходит. Для такой устойчивости необходимо, чтобы частицы, удалившиеся наружу от равновесной, получили толчок внутрь, а частицы, ушедшие внутрь, — толчок наружу. Значит частицы, ушедшие наружу, должны попадать в более сильное поле, а не в более слабое, как это изображено на рис.
187. Этот пример иллюстрирует общую теорему, окотороймыужеупоминали: фокусировка частиц в одном пространственном направлении приводит к их деф окусировке в другом. Как строить циклотроны на энергии, превосходящие 20 МэВ? Для этого есть два пути: 1. отказ от постоянства частоты ускоряющего поля или 2. отказ от скашивания полюсов и обеспечение устойчивости вертикальных колебаний другими способами. При движении по первому пути возникают фазотроны — циклотроны с изменяющейся во время цикла частотой магнитного поля. Такие ускорители раньше активно строились. Некоторые из них (например, фазотрон в Гатчине под Петроградом, ускоряющий протоны до ! ГэВ) продолжают работать. При движении по второму пути отказываются от азимутальной симметрии магнитного поля.
Полюсам циклотрона придается сложная форма, способствующая устойчивости колебаний. Частота магнитного поля при этом остается постоянной, сохраняется и высокая интенсивность пучка ускоренных частиц. Так возникают изохронные циклотроны. Их энергию удается поднять до 200 — 250 МэВ. Несколько ускорителей такого типа вводятся в строй каждый год (например, для протонной лучевой терапии раковых больных). Синхротроиы.
Квадрупольные линзы. Для ускорения частиц до больших энергий применяют с и н х р о т р о н ы. В синхротронах частицы движутся в вакуумной камере, имеющей форму узкого кольца. Магнитное поле в камере создается магнитами, которые располагаются вдоль всего периметра.
Цепочка магнитов периодически прерывается фокусирующими линзами, речь о которых пойдет впереди. Вакуумная камера, в которой движутся частицы, конечно, откачивается до высокого вакуума. Сипхротроны намого экономичнее циклотропов, потому что магнитное поле в них 1и лжелезо магнитов» ) занимает не всю площадь круга, по периметру которого движутся ускоряемые частицы, а только небольшую ее часть. Процесс ускорения частиц разбивается на циклы. В процессе цикла магнитное поле возрастает в соответствии с возрастающей энергией партии ускоряемых частиц. Соответственно, меняется и частота уско- Гллвл 18 ряющего напряжения.
Когда ускорение рассматриваемой партии заканчивается, они выводятся из ускорителя, величина магнитного поля и частота ускоряющего напряжения возвращаются к начальным значениям, в камеру вводятся (инжектируются) новые частицы, и начинается очередной цикл ускорения. Вернемся к проблеме устойчивости движения. В узкой вакуумной камере синхротрона устойчивость бетатронных колебаний должна быть обеспечена как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Как уже известно, эти задачи противоречат одна другой. Довольно долго из этого противоречия не было видно выхода.
Потом было обнаружено, что задача может быть решена при последовательном расположении линз, попеременно фокусирующих частицы то в одном, то в другом направлении. Каждая из линз, фокусируя в одном, дефокусирует частицы в другом направлении. Как показывает расчет, общее действие такой последовательности оказывается не очень сильным, но приводит к фокусировке в обоих направлениях. Этот способ обеспечения устойчивости движения получил название принципа ж е с т к о й ф о к у с и р о в к и. С его появлением появилась возможность строить ускорители на любые энергии. Рис. 188.
Геометрия магнитных полюсов квадрупольной линзы. Для фокусировки в синхротронах применяются квадрупольные линзы. Схема их устройства изображена на рис. 188. Обозначения полюсов 5' и Х написаны на них. В соседних линзах полюса должны иметь обратную полярность (для них знаки ~Ч и 5 взяты в скобки). Стрелки, 471 9 88 Ускогитвли злгяжпнпых частиц отходящие от силовых линий, указывают направление магнитных сил, действующих на частицы. В первой линзе частицы, отклонившиеся от оси У, заворачиваются к ней, но отклоняются от оси Х.
В следуюшей линзе направления отклонения меняются, и т.д. Как уже упоминалось выше, суммарное действие такой системы линз оказывается фокусируюшим, и поперечные сечения кольцевых вакуумных камер могут быть сделаны очень небольшими, порядка нескольких квадратных дециметров. Синхротроны применяются для ускорения любых стабильных частиц, протонов и антипротонов, ионов, электронов и позитронов. При ускорении электронов и позитронов процесс ускорения затрудняется, т.к, всякое искривление их траектории — а в циклических ускорителях оно возникает по необходимости — приводит к испусканию электромагнитного излучения.
Это излучение так и называется с и н х р о т р о ни ы м из луче н и ем. Оно не должно быть особенно большим, иначе ускорение станет неэффективным (или даже невозможным). Поэтому радиус электронных синхротронов — при той же энергии ускоренных частиц — намного превышает радиус протонных. А от ускорения электронов до рекордно больших энергий приходится вообше отказаться. лпнаки д, ионы е Рпс 189. Схема ускорительно-накопительного комплекса протонного синхротрона 8Р5.
В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) работает уникальный ускорительный комплекс. Схема его устройства приведена на рис. 189. Его центр составляют три гигантских коллайдера ЕЕР, ЯРК и РБ. К пуску готовится четвертый, самый большой коллайдер ЕНС. Эти коллайдеры пригодны для ускорения самых разных частиц: элск- 472 Глхвл 16 тронов и позитронов, протонов и антипротонов и тяжелых ионов вплоть до свинца. Но по порядку. Начнем с ускорителя Р5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
