Материал: Методы регистрации частиц. Ускорители частиц

 [МэВ*Фм]/T[МэВ] (1)

Приведенная формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её кинетической энергией Е (использовано численное значение переходной константы МэВ.Фм≈200 МэВ.Фм и ультрарелятивистское приближение для импульса -).

В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой”, если длина волны де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т. е. при λ < R. При использовании в качестве зондирующих частиц электронов внутрь ядра можно “заглянуть”, если энергия электрона будет превышать 100 МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 109 эВ). Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ (1 ТэВ = 1012 эВ). Для сравнения укажем, что кинетическая энергия летящего москита приблизительно 1 ТэВ.

Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий взаимодействующих (сталкивающихся) частиц. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.

В принципе ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, потоком или интенсивностью, пространственными размерами и т. д.). Для ряда экспериментов необходим пучок, так называемых, поляризованных частиц, т. е. частиц, спины которых направлены в одну сторону (выстраивание спинов достигается пропусканием пучка частиц через сильное магнитное поле). В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны) и для многократного роста эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок (коллайдерах) после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные пучки).

Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить. Есть ускорители более тяжелых частиц - дейтронов (ядер дейтерия 2H), α-частиц (4He), а также ионов других ядер, в том числе и тяжёлых, таких как свинец. Современные ускорители высокой энергии оснащаются системами генерации пучков вторичных частиц. В качестве последних могут быть пионы, мюоны, нейтрино и др. С помощью пучков вторичных частиц (в частности, нейтрино и антинейтрино) выполнены многие важные эксперименты.

Рис. 37 - Ускоритель и его место в эксперименте

В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы. Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей (см. рисунок) - системы, где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы, где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных в пространстве сгустков) увеличивают энергию до проектной, и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.

Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса - линейные (и прямого действия) и циклические. Как следует из самих названий, в линейных ускорителях частицы в процессе ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических - либо по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки (синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль (циклотроны, микротроны).

2.  Ускорители

.1 Высоковольтные ускорители

Высоковольтный ускоритель - устройство для ускорения заряженных частиц электрическим полем, постоянным в течение всего времени ускорения частиц. Основные элементы высоковольтных ускорителей- источник заряженных частиц, ускоряющая система и высоковольтный генератор (рис. 1). Напряжение и, получаемое от высоковольтного генератора 1, подаётся на электроды ускоряющей системы 3 и создаёт внутри неё электрическое поле. Заряженные частицы из источника 2 ускоряются этим полем до энергии ε=enuэВ, где пе - заряд ускоряемой частицы (е - элементарный электрический заряд; и выражено в В). Используя перезарядку частиц, можно при том же и получить частицы с энергией, в несколько раз превышающей энергию в обычных В. у. (см. Перезарядный ускоритель).

Рис. 38 - Схема высоковольтного ускорителя (линия со стрелкой изображает траекторию частицы)

Основное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей - возможность получения пучков заряженных частиц с высокой стабильностью энергии и малым разбросом по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле, а также возможность создания установок с большой мощностью и высоким кпд. С помощью высоковольтного ускорителя может быть получена относительная нестабильность энергии ~10-4, а у отдельных высоковольтных ускорителей ~10-5-10-6. Благодаря этому высоковольтные ускорители нашли широкое применение как при исследованиях в атомной и ядерной физике, так и для решения различных прикладных задач.

Размеры высоковольтных ускорителей определяются его ускоряющим напряжением и электрической прочностью изоляции генератора и ускоряющей системы. Наибольшие достигнутые величины ускоряющего напряжения генератора около 20 MB, проектируются генераторы на напряжение до 30 MB.

При 1 MB в качестве высоковольтной изоляции В. у. часто используют воздух при атм. давлении. Ускорители с u>1 MB размещают в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5-15 раз превышающем атмосферное (0,5-1,5 МПа), который имеет более высокую электрическую прочность. Это значительно уменьшает размеры высоковольтных ускорителей и снижает его стоимость. Особенно эффективно применение электроотрицательных газов (SF6, фреона), подавляющих возникновение разряда в изоляционном промежутке, а также их смесей с азотом и углекислотой. Ускорители с импульсным ускоряющим напряжением размещают в камерах с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).

Для повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции высоковольтный ускоритель с целью уменьшения их размеров большие изоляционные промежутки разделяют на ряд малых элементов с помощью металлических электродов, требуемое распределение потенциала на которых задаётся специальным делителем напряжения; при этом допустимая напряжённость электрического поля для всего промежутка оказывается близкой к допустимой напряжённости для отдельного элемента.

Уменьшить размеры Высоковольтного ускорителя можно также, используя перезарядку частиц во время их ускорения.

Источники заряженных частиц для высоковольтного ускорителя Источником электронов у большинства высоковольтных ускорителей служит термокатод с прямым или косв. накалом в сочетании с системой электродов, формирующих электронный пучок на начальном участке его движения. Часто используется конфигурация электродов, предложенная

Дж. Пирсом (J. Pierce), или её модификации, препятствующие расходимости пучка под действием его объёмного заряда (рис. 2). В ускорителях, работающих в непрерывном режиме, плотность электронного тока у поверхности катода составляет 0,5-1 А/см2; при работе в импульсном режиме она может быть в несколько раз выше.

Рис. 39 - Схема источника электронов с системой электродов Пирса: 1 - катод; 2 - прикатодный электрод; 3 - анод; 4 - граница электронного пучка

В импульсных сильноточных высоковольтных ускорителей используются катоды с автоэлектронной и взрывной эмиссией. Первоначальным источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи которых локальное электрическое поле достигает 107 В/см. Затем протекающий по микровыступам электрический ток вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение. Облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму, которая сама становится источником электронов и через нек-рое время, расширяясь, замыкает ускоряющий промежуток.

Рис. 40 - Схема высокочастотного источника ионов: 1 - разрядная камера; 2 - обмотка колебательного контура; 3 - изоляционная вставка; 4 - основание источника; 5 - отверстие для отбора ионов; 6 - вытягивающий электрод

Кроме положит. атомарных и молекулярных ионов в области разряда могут образовываться также и однозарядные отрицательные ионы элементов с положит. энергией сродства к электрону. Многие отрицательные ионы могут быть получены непосредственно из области разряда при изменении полярности напряжения на вытягивающем электроде. При этом отбор производится с периферии разряда, где концентрация таких ионов наиб. высока. Отрицательные ионы получают и перезарядкой пучка положит. ионов на газовой или пароструйной мишени, на покрытой атомами щелочных металлов поверхности и т. д. Источники отрицательных ионов широко применяются для инжекции в перезарядные ускорители.

Ускоряющая система высоковольтных ускорителей (ускорительная трубка) одновременно является частью вакуумной системы В. у. Давление в ней не должно превышать 10-3 Па (~10-5 мм рт. ст.) (т. к. иначе происходит значит. рассеяние ускоряемых частиц на молекулах газа). У большинства высоковольтных ускорителей она представляет собой цилиндр, состоящий из диэлектрических колец, разделённых металлическими электродами, с отверстием в центре для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутренней поверхностью трубки (рис. 4). Кольца и электроды вакуумно-плотно соединены друг с другом (спец. клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой). Электрическая прочность ускорительной трубки часто ограничивает энергию ускоренных частиц в высоковольтном ускорителе.

Рис. 41 - Схема ускорительной трубки: 1 - кольцевые изоляторы; 2 - металлические электроды; 3 - соединительные фланцы

В отличие от изоляционных конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорительной трубки металлическими электродами оказывается малоэффективным. При u>4-5 MB в трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а допустимая величина электрического поля в ней снижается. Это явление, получившее назв. эффекта полного напряжения, объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в котором происходит обмен вторичными заряженными частицами и их размножение. (Причины появления вторичных частиц - облучение поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изолятора и т. д.) Для борьбы с этим эффектом предлагались различать конструкции ускорительных трубок. Наибольшую известность получили трубки с "наклонным полем", предложенные P. Ванде-Граафом (R. Van de Graaf). B них электроды устанавливаются под небольшим углом к плоскости поперечного сечения трубки, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие большую энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а вторичные частицы с меньшей энергией, возникающие внутри трубки, задерживаются электродами.

Устранения эффекта полного напряжения удалось добиться также в ускорительных трубках с плоскими электродами, в которых электроды и изоляторы соединены пайкой или сваркой. Ускоряющая и вакуумная системы высоковольтных ускорителей, в которых используются такие трубки, не имеют элементов, содержащих органиченные материалы, и допускают прогрев до температур в несколько сотен 0C. Благодаря этому рабочее давление в системе составляет 10-6- 10-7 Па и устраняется причина возникновения вторичных заряженных частиц в канале трубки.

Однако изготовление сварных и паяных ускорительных трубок технологически значительно сложнее.

2.2 Каскадный генератор

а        б

Рис. 42 - а - схема умножителя напряжения, б - фотография каскадного генератора

Каскадный генератор - ускоритель прямого действия, т.е. частицы в нем ускоряются непосредственно за счет прохождения высокой разности потенциалов. В каскадных генераторах высокое постоянное напряжение получают из низкого переменного напряжения c помощью умножителей напряжения, которые также называются каскадными генраторами.

Первый каскадный генератор (ускоритель) на энергию 700 кэВ - был создан в 1931 г. в Англии Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном.

На рис. 1а показана схема умножителя напряжения, который использовали Кокрофт и Уолтон*. Когда на входе отрицательная полуволна переменного напряжения, первый диод открыт и нижний левый конденсатор заряжается до пикового значения входного напряжения. При смене полярности первый диод закрывается, а второй открывается и левый конденсатор заряжается до двойного напряжения. При каждой смене полярности входного напряжения заряды емкостей последовательно суммируются. Таким образом выходное напряжение - удвоенное произведение входного напряжения на количество каскадов.

2.3 Электростатический генератор (генератор Ван де Граафа)

Наиболее известным ускорителем прямого действия является электростатический генератор (генератор Ван де Граафа), где частицы или ионы ядер ускоряются непосредственно за счет одно- или двукратного (в тандемах) прохождения огромной постоянной разности потенциалов V, достигающей 20 миллионов вольт. Частица, имеющая заряд Ze, приобретает в таком ускорителе кинетическую энергию T = ZeV. Cущественным преимуществом ускорителей прямого действия является непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка

(≈0.01%). Ток пучка на ускорителях Ван-де-Граафа может достигать нескольких миллиампер. Однако, в таких ускорителях трудно обеспечить энергию частиц больше 40-50 МэВ для протонов и для достижения ещё больших энергий используют линейные ускорители.

Рис. 43 - Схема генератора Ван-де-Граафа с диэлектрическим транспортёром зарядов: 1 - транспортёр; 2-устройства для нанесения и съёма зарядов; 3-валы транспортёра; 4 - высоковольтный электрод

2.4 Циклические ускорители

Циклический ускоритель - один из видов ускорителей заряженных частиц, в котором частицы во время ускорительного цикла движутся по траекториям, близким к окружности либо спирали. Все циклические ускорители (кроме бетатрона) резонансные: микротрон, синхротрон, циклотрон, фазотрон. В бетатроне частицы движутся по кольцевой орбите и ускоряются вихревым электрическим полем. В резонансных циклических ускорителей ускорение происходит в высокочастотном электрическом поле, в ускоряющих промежутках, к которым частицы многократно возвращаются. При этом частота обращения частиц и частота колебаний электрического поля должны быть так согласованы друг с другом (резонанс), чтобы при каждом последующем обороте частицы проходили ускоряющий промежуток при одной и той же равновесной фазе ускоряющего поля (или вблизи неё). Принцип многократного ускорения частиц небольшими электрическими полями позволил ускорять частицы в циклическом ускорителе до энергий, измеряемых сотнями ГэВ и даже несколькими ТэВ. Л. Л. Гольдин.

Циклотрон.

Циклотрон - циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель - циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). На рис.1 показана первая работающая модель циклотрона. На рис.2 циклотрон следующего поколения, который позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.

Рис. 44 - Первая работающая модель циклотрона