Страница:
(6)Эти частоты меньше частоты обращения w, т. е. за оборот частица совершает меньше одного бетатронного колебания. Фокусирующие силы ограничены предельно допустимыми значениями n.Такая фокусировка называется однородной, или слабой.
Для того чтобы увеличить фокусирующую силу по вертикали, надо применить сильно спадающее поле ( n> 1). Напротив, для получения большой фокусирующей силы по радиусу надо применить поле с большими отрицательными значениями n(т. е. сильно возрастающее по радиусу). Эти требования одновременно несовместимы. Однако оказывается, что при определённых ограничениях их можно реализовать поочерёдно, обеспечив тем самым сильную фокусировку и по радиусу, и по вертикали. На этом основан принцип знакопеременной фокусировки ( рис. 3 ). Вся длина равновесной орбиты разбивается на большое число одинаковых периодов, в которых устанавливаются магниты, сильно фокусирующие попеременно то по радиусу, то по вертикали. При определённом соотношении между значениями показателя спада магнитного поля, длиной магнитов и числом периодов такая система обладает сильным фокусирующим действием по обоим поперечным направлениям. Физически это объясняется тем, что в фокусирующих магнитах частица оказывается дальше от равновесного положения, чем в дефокусирующих (т.к. предшествующий дефокусирующий магнит отклонил её от орбиты), поэтому действие фокусирующих магнитов сильнее действия дефокусирующих. Частота колебаний частиц при такой фокусировке получается существенно выше частоты обращения, так что за один оборот частица совершает несколько колебаний. Увеличение фокусирующей силы приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц под действием различных раскачивающих факторов, что позволяет уменьшить поперечные размеры вакуумной камеры и магнитов, а следовательно, существенно уменьшить вес и стоимость установки. Поэтому во всех крупных циклических ускорителях на большие энергии применяется знакопеременная (сильная) фокусировка. Неприятная особенность сильной фокусировки — наличие многочисленных резонансов, обусловленных большой частотой колебаний частиц: если число колебаний частицы по вертикали или по радиусу за один полный оборот частицы или их сумма или разность оказываются целыми или полуцелыми числами, то происходит резонансная раскачка колебаний. В связи с этим необходимо предъявлять большие требования к точности изготовления магнитов.
Знакопеременная фокусировка магнитным полем применяется и в линейных ускорителях с той разницей, что на равновесной орбите (прямая) магнитное поле равно нулю. Система фокусировки представляет собой в этом случае набор магнитов (магнитных квадрупольных линз), создающих магнитное поле, равное нулю на оси О системы и линейно нарастающее при отклонении от оси ( рис. 4 ). В одной плоскости магниты фокусируют частицы (сила Fнаправлена к оси), в другой — дефокусируют ( Fнаправлена от оси). Эти плоскости фокусировки чередуются от магнита к магниту, что и приводит к знакопеременной фокусировке.
При малых энергиях частиц наряду с магнитной фокусировкой применяется (как в циклических, так и в линейных ускорителях) фокусировка электрическим полем, для чего используется ускоряющее электрическое поле установки. Принцип фокусировки пояснён на рис. 5 . В обычном ускоряющем зазоре электрическое поле обычно «провисает» внутрь в центре зазора. Поэтому в первой части зазора оно имеет составляющую, направленную к оси зазора (фокусирующую), во второй — от оси зазора (дефокусирующую). Результирующий фокусирующий эффект получается, если фокусирующее действие оказывается больше дефокусирующего. Поскольку частица, проходя зазор, ускоряется, то во второй части зазора она летит быстрее, т. е. находится там меньшее время, чем в первой, поэтому фокусирующее действие преобладает. Этот эффект, основанный на изменении скорости частицы, называется электростатической фокусировкой. Он имеет заметную величину лишь для малых скоростей частиц, так что его применение в ускорителях ограниченно. Разность действия электрического поля в первой и во второй части зазора может быть обусловлена также изменением электрического поля во времени (электродинамическая фокусировка): если за время пролёта электрическое поле уменьшается, то дефокусирующее действие оказывается меньше фокусирующего. Фокусировка такого типа имеет место в циклотроне и фазотроне как дополнит. фактор к магнитной фокусировке. Однако в линейных ускорителях протонов устойчивой является отрицательная фаза j 0(см. выше), при которой поле растет со временем. Поэтому в линейных ускорителях электрическое поле дефокусирует и нужны специальные дополнительные меры для фокусировки частиц.
Можно и к электрическому полю применить принцип знакопеременной фокусировки. Например, с помощью электродов сложной формы можно обеспечить изменение знака фокусирующей силы от зазора к зазору или, меняя от зазора к зазору знак равновесной фазы, можно получить систему со знакопеременной фокусировкой и знакопеременной фазировкой. Такие системы были предложены и разработаны, но они имеют весьма ограниченное применение.
При больших интенсивностях ускоряемых пучков начинает сказываться взаимодействие между отдельными частицами пучка; расталкивание по закону Кулона одноимённо заряженных частиц приводит к ослаблению фокусирующих сил. В циклическом У. з. ч. испускаемое частицами электромагнитное излучение (т. н. синхротронное излучение,см. ниже) также может вызвать неустойчивость движения. В различных ускорителях взаимодействие заряженных частиц сказывается по-разному, но почти всегда именно оно определяет предельно достижимую интенсивность (наряду с ним иногда оказывается определяющей мощность, необходимая для ускорения пучка).
IV. Основные типы современных ускорителей
А. Циклические ускорители
Синхрофазотрон(протонный синхротрон) — циклический резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магнитным полем (5) и изменяющейся частотой ускоряющего электрического поля (w у). При этом w yи Вменяются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты Rоставался постоянным. В синхрофазотроне частота обращения частиц w = w y /qи ср. значение магнитной индукции < В> на орбите связаны соотношением:
. (7)Это условие вытекает из формул (3) и (2). Из формулы (7) видно, что с ростом магнитного поля частота обращения сначала увеличивается пропорционально полю, а затем меняется всё медленнее, приближаясь к предельному значению
,отвечающему движению частицы со скоростью света; соответственно должна изменяться частота ускоряющего поля w
у= w
q.Постоянство радиуса равновесной орбиты позволяет сделать магнит синхрофазотрона в виде сравнительно узкого кольца, что сильно удешевляет установку. Из всех современных У. з. ч. синхрофазотроны позволяют получать самые высокие энергии частиц. До 1972 самым большим ускорителем в мире являлся Серпуховский синхрофазотрон (СССР), ускоряющий протоны до энергии 76
Гэв.В 1972 в США (Батейвия) запущен синхрофазотрон на 200
Гэв,в 1975 его энергия была увеличена до 400
Гэв,а в 1976 — до 500
Гэв.В 1976 введён в строй ускоритель на 400
Гэвв
Европейском центре ядерных исследований
(ЦЕРН, близ Женевы). Проектируются синхрофазотроны на 1000
Гэви выше.Поскольку предельное значение магнитного поля ограничено техническими возможностями, то, как следует из соотношения (2), увеличение энергии неизбежно сопряжено с увеличением радиуса установки. Для максимальных достигнутых энергий радиус ускорителей составляет сотни м,а в проектируемых ускорителях на сверхвысокие энергии — несколько км.Именно размер установки, а следовательно и её стоимость, ограничивает предельную достижимую энергию в ускорителе. Наименьшая энергия, для получения которой применяют синхрофазотроны, составляет примерно 1 Гэв,для получения протонов меньшей энергии целесообразно применять фазотроны (см. ниже).
Протоны вводятся (инжектируются) в синхрофазотрон извне из др. ускорителя меньшей энергии. Таким предварительным ускорителем служит линейный ускоритель, а иногда также вспомогательный (бустерный) кольцевой ускоритель, для которого, в свою очередь, инжектором служит линейный ускоритель. Такая многоступенчатая схема, повышая энергию инжекции, облегчает условия работы основного ускорителя (легче выдержать допуски на точность воспроизведения магнитного поля при инжекции, в меньшем диапазоне нужно изменять частоту ускоряющего поля) и удешевляет его, а также повышает достижимую в ускорителе интенсивность ускоренного пучка.
В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магнитная система состоит из нескольких магнитных секторов ( рис. 6 ), разделённых прямолинейными промежутками. В промежутках располагаются системы ввода, ускоряющие устройства, системы наблюдения за пучком, вакуумные насосы и др. Вводное устройство служит для перевода частиц из инжектора в вакуумную камеру основного ускорителя. Обычно ввод производится с помощью импульсного отклоняющего устройства, электрическое или магнитное поле которого «заворачивает» впускаемые частицы, направляя их по орбите. В вакуумной камере, представляющей собой сплошную замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты, создаётся с помощью непрерывно действующих откачивающих насосов достаточно низкое (~10 -6 мм рт. ст.) давление, чтобы рассеяние ускоряемых частиц на остаточном газе не приводило к расширению пучка и потере частиц. Закруглённые участки камеры расположены в зазорах между полюсами электромагнитов, создающих внутри камеры магнитное поле, необходимое для управления движением частиц по замкнутой орбите (заворачивания частиц по орбите). Т. к. радиус равновесной орбиты должен оставаться постоянным, необходимо, чтобы магнитное поле росло в процессе ускорения от значения, соответствующего энергии инжекции, до максимального значения, соответствующего конечной энергии. Возрастание магнитного поля осуществляет ся увеличением силы тока, протекающего через обмотки электромагнитов. Форма полюсов магнитов подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание магнитного поля по радиусу в соответствии с условием (4), необходимое для устойчивого движения частиц в поперечном направлении. В одном или нескольких зазорах расположены ускоряющие устройства, создающие переменное электрическое поле. Частота поля изменяется в строгом соответствии с изменением магнитного поля [см. формулу (7)]. Необходимая точность воспроизведения частоты очень велика. Это достигается обычно с помощью системы автоматического слежения за частотой по данным о положении частиц: ошибка в частоте приводит к отходу частиц от равновесного положения, чувствительные датчики регистрируют этот отход, их сигнал усиливается и используется для введения необходимых поправок в частоту.
Под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения q.В процессе ускорения сгустки сокращаются по длине, сжимаясь к равновесной фазе. Одновременно происходит уменьшение поперечных размеров пучка, который в начале ускорения занимает почти всё сечение вакуумной камеры.
Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается прежде всего устройством магнитной системы, состоящей из большого числа магнитов, в которых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магнитного поля по радиусу. Фокусировка частиц в этом случае значительно сильнее, чем в слабофокусирующем ускорителе. Каждый магнит ( рис. 7 ) осуществляет две функции: заворачивает частицы по орбите и фокусирует их (система с совмещёнными функциями). Применяется также магнитная структура с разделёнными функциями, в которой для заворачивания частиц используются магниты с однородным полем, а фокусировка осуществляется с помощью магнитных квадрупольных линз, расположенных в промежутках между магнитами.
Переход к сильнофокусирующим магнитным системам сопряжён с повышением требований к точности изготовления и монтажа магнитов; при длине кольцевого магнита больше 1 кмточность монтажа измеряется десятыми и сотыми долями мм.Это обусловлено большой чувствительностью поведения частиц к различным случайным отклонениям магнитного поля, связанной с резонансной раскачкой пучка. Другая особенность ускорителя с сильной фокусировкой — наличие т. н. критической, или переходной, энергии. При энергии частицы меньше критической устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напряжения (фаза — j 0на рис. 1 ), т.к. с увеличением энергии период уменьшается (как в линейном ускорителе). При энергии частицы больше критической увеличение энергии приводит, напротив, к увеличению периода обращения (как в ускорителе со слабой фокусировкой) и равновесной становится фаза + j 0. Чтобы при прохождении критической энергии не происходили потери пучка, в момент перехода через критическую энергию в систему вводится быстрое смещение фазы колебаний на 2 j 0, так что ускоряемые частицы, которые до критической энергии были сгруппированы вблизи устойчивой фазы — j 0, оказываются в окрестности новой устойчивой фазы + j 0.
Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутреннюю мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в современных синхрофазотронах составляет 5—30 циклов минуту. В каждом цикле ускоряется 10 11—10 12частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространственного заряда.
В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, магнита), рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить магнитные поля по крайней мере в 3—4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автоматического управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).
Синхротрон— циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нём изменяется во времени лишь магнитное поле, а частота ускоряющего электрического поля остаётся неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц ( R= u/w), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэвскорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому магнит синхротрона (как и магнит синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и называется также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение ) .Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:
(8)( E 0= m 0 c 2 —энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв) ,т. е. очень быстро растет с увеличением энергии электрона. [В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжёлых частиц (протонов, ядер) E 0много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.] В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия eV 0jcos 0расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой — из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнительную раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энергии. К 1976 в синхротронах достигнуты максимальные энергии порядка 5—10 Гэв(см. табл. 2). Существуют проекты синхротронов на 100—150 Гэв.В синхротронах на меньшие энергии (сотни Мэв) вместо инжекции извне (как в синхрофазотроне) часто применяют бетатронную инжекцию: ускоритель сначала работает как бетатрон (см. ниже), а после достижения электроном релятивистских скоростей (u » c) включается ускоряющее ВЧ поле и ускоритель переходит на синхротронный режим.
Табл. 2. — Крупнейшие циклические ускорители
| Местонахождение | Максимальная энергия, Гэв | Диаметр установки, м | Сечение камеры, см | Тип инжектора | Энергия инжекции, Мэв | Год запуска |
| Синхрофазотроны | ||||||
| Дубна (СССР) | 10 | 72 | 35ґ120 | Линейный ускоритель | 9,4 | 1957 |
| Аргонн (США) | 12,7 | 55 | 15ґ82 | то же | 50 | 1963 |
| Женева (Швейцария) | 28 | 200 | 7ґ15 | то же Бустер | 50 800 | 1959 1972 |
| Брукхейвен (США) | 33 | 257 | 8ґ17 | Линейный ускоритель | 200 | 1960 |
| Серпухов (СССР) | 76 | 472 | 12ґ20 | « (строится бустер) | 100 | 1967 |
| Батейвия (США) | 500 (на 1976) | 2000 | 5ґ13 | Бустер | 8000 | 1972 |
| Синхротроны | ||||||
| Дарсбери (Великобритания) | 5,2 | 70 | (4—6) ґ(11—15) | Линейный ускоритель | 43 | 1966 |
| Ереван (СССР) | 6,1 | 69 | 3ґ10 | то же | 50 | 1967 |
| Гамбург (ФРГ) | 7,5 | 101 | (4—7) ґ(10—12) | « | 300-500 | 1964 |
| Корнелл (США) | 12,2 | 250 | 2,5ґ5,5 | « | 150 | 1967 |
| Фазотроны | ||||||
| Женева (Швейцария) | 0,60 | 5,0 | — | « | — | 1957 |
| Дубна (СССР) | 0,68 | 6,0 | — | « | — | 1953 |
| Ленинград (СССР) | 1,00 | 6,85 | — | « | — | 1968 |
Фазотрон(синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты) — третий основной тип резонансных циклических ускорителей, работающих на принципе автофазировки. В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется. Из соотношения (3') видно, что для увеличения равновесной энергии частоту следует уменьшать. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, a-частиц). Крупнейшие современные фазотроны дают протоны с кинетической энергией до 1000 Мэв.В фазотроне частицы движутся по спиральным траекториям от центра, где расположен ионный источник (газовый разряд), к периферии вакуумной камеры ( рис. 8 ). Энергию они приобретают за счёт многократного прохождения ускоряющего зазора. Ускоренные частицы либо используются внутри камеры, либо выводятся наружу с помощью отклоняющих систем. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора — конденсатора переменной ёмкости, включенного в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 Гэвотдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.
В фазотронах с однородным по азимуту магнитным полем фокусировка по вертикали очень слабая, т.к. n< 1. Для её увеличения иногда применяют дополнительные модуляции магнитного поля по азимуту, т. е. используют знакопеременную фокусировку.
Описанные 3 типа резонансных ускорителей, основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: определённая группа захваченных в синхротронный режим частиц повышает свою энергию по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магнитного поля. После достижения максимальной энергии эта группа частиц либо используется внутри камеры, либо выводится из ускорителя; параметры ускорителя возвращаются к исходным значениям, и начинается новый цикл ускорения. Длительность импульса ускорения в синхротронах и фазотронах порядка сотых долей сек,в синхрофазотронах — несколько сек.
Циклотрон— циклический резонансный ускоритель протонов (или ионов), в котором и магнитное поле, и частота ускоряющего электрического поля постоянны. В отличие от ранее описанных ускорителей, циклотрон — ускоритель непрерывного действия. Конструктивно он весьма схож с фазотроном. Частицы из ионного источника непрерывно поступают в вакуумную камеру и ускоряются электродами, двигаясь по спирали. Однако поскольку в циклотроне с однородной фокусировкой w yи Впостоянны во времени, а энергия частиц растет, то условие резонанса (3') нарушается: резонансное ускорение может происходить лишь до тех пор, пока приобретённая кинетическая энергия Wмного меньше энергии покоя m 0 с 2 ,т. е. пока не сказывается эффект релятивистского возрастания массы частицы. Это и определяет предел достижимых энергий в циклотроне (для протонов примерно 10—20 Мэв) ,причём предельная энергия достигается при очень больших значениях напряжения на ускоряющих электродах. Зато циклотрон вследствие работы в непрерывном режиме обладает преимуществом по интенсивности. Магнитное поле в циклотроне очень слабо спадает по радиусу (сильное спадание поля ещё больше усилило бы отклонение от точного резонанса). Поэтому фокусировка магнитным полем в вертикальном направлении очень слабая ( n» 0) ,особенно в центре магнита. Однако в центральной области скорости частиц ещё малы и существенное влияние оказывает фокусировка электрическим полем.
Соблюдение точного резонанса между частицей и ускоряющим полем постоянной частоты можно обеспечить и в циклотроне, если магнитное поле будет расти по радиусу. В ускорителе с однородной фокусировкой это недопустимо из-за неустойчивости движения в вертикальном направлении. Если же использовать знакопеременную фокусировку, то можно реализовать устойчивое ускорение до значительно больших энергий, чем в обычных циклотронах. Такого типа установки (секторные, или изохронные, циклотроны), обладая преимуществом большой интенсивности, свойственным циклотронам, способны давать интенсивные пучки протонов при энергиях до 1000 Мэв.Изохронный циклотрон SIN(Швейцария) даёт протонный ток 12 мка(максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне — 590 Мэв).
Микротрон(электронный циклотрон) — циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q.Частица обращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. При этом, если частица с самого начала обращалась в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. Например, первый оборот частица проходит за один период ускоряющего поля (т. е. q= 1) ,второй за два ( q= 2), третий — за три ( q= 3) и т.д. Ясно, что частица попадает при этом в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. Микротрон — ускоритель непрерывного действия и способен давать токи порядка 100 ма,максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв(СССР, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.
Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили.