Страница:

• << Первая
• « Предыдущая
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• Следующая »
• Последняя >>

     Для того чтобы обеспечить непрерывный физический эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение которого интенсивность пучка уменьшается в е(2,7 раз) зависит от ряда эффектов. Главные из них – однократное и многократное рассеяние ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для электронов и позитронов – синхротронное излучение и квантовые флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка – относительная величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе) – 0,1%/ч при токе 22 а]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10 ^-11 мм рт. ст.в объёме камеры и 10 ^-12 мм рт. ст.в зонах встречи пучков.
     Необходимым элементом ускорителя со встречными е ^-е ⁺пучками является электрон-позитронный конвертер – металлическая мишень (с толщиной около 1 радиационной длины; на рис. 1 на прямом пучке), в которой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь, – пары электрон-позитрон. Коэффициент конверсии – отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона – при энергии электронного пучка в сотни Мэвможет достигать величины 10 ^-4для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.
     Для схемы протон-протонных столкновений ( рис. 2 ), реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить несколько физических экспериментов.
     Типичные параметры наиболее крупных У. на в. п. приведены в таблице.
   Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры

Установка	Тип встречных пучков	Энергия, Мэв	Средний радиус орбиты, м	Светимость, см -2Чсек -1	Год запуска
ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск)	е +е -	2 ґ700	1,9	~ 10 29	1966
ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск)	е +е -	2 ґ3500	12,0	~ 10 30	заканчивается сооружение
SPEAR (США, Станфорд)	е +е -	2 ґ4500	37,2	6Ч10 30	1972
АСО (Франция, Орсе)	е +е -	2 ґ540	3,5	10 29	1966
ADONE (Италия, Фраскати)	е +е -	2 ґ1500	16,4	6 Ч10 29	1969
ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева)	рр	2 ґ31400	150	6,7 Ч10 30	1971
ISABELLE (США, Брук-хейвен)		2 ґ200 Ч10 3	428		проектируется
РЕР (США, Станфорд)	е +е -	2 ґ15 Ч10 3	350	10 32	проектируется
SUPER ADONE (Италия, Фраскати)	е +е -	2 ґ12 Ч10 3	136	10 32	проектируется

      Краткая история развития У. на в. п.Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956 во многих лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956–66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам – электронам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для которых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв.Первые установки на встречных е ^-е ^-и е ^-е ⁺пучках были созданы в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных ускорителей (амер. физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей в Орсе (П. Марин и др., Франция).
     В связи с запуском в 1959–60 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэви в США на 33 Гэвоткрылись реальные возможности для создания накопительных колец на встречных рр пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопительных кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв(К. Йонсен с сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22–25 аи светимости 6,7-10 ³⁰ см ^-2 сек ^-1стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, р и pe ^—накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании, реализация которых предполагается в 1980–90.
     Лит.:Kerst D. W., Properties of an intersectingbeam accelerating system, CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36; Будкер Г. И., Наумов А. А. и др., Работы по встречным электрон-электронным, позитрон-электронным и протон-протонным пучкам в Институте ядерной физики СО АН СССР, в кн.: Труды Международной конференции по ускорителям. Дубна. 1963, М., 1964, с. 274–87; Jonsen К. [а. о.], Some problems connected with the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312–25; Будкер Г. И., Ускорители и встречные пучки, в кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва. 1974, М., 1975, т. 2, с. 300–318.
      В. П. Дмитриевский.
   Рис. 1. Схема ускорителя на встречных электрон-позиторонных пучках. Пучок ускоренных в синхротороне С электронов (е ^-) выводится по каналу 1 и попадает на мишень М, в которой рождаются позитроны (е ⁺). В течение некоторого времени позитроны накапливаются в накопительном кольце НК, после чего включаются поворотные магниты ПМ, с помощью которых электронный пучок из С направляется по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение пучков е ⁺е ^-(КЛ — фокусирующие магнитные квадрупольные линзы).
   Рис. 2. а — схема расположения синхрофазотрона (СФ) и двух пересекающихся накопительных колец НК, в которых происходят протон-протонные столкновения (установка в ЦЕРНе); 1—8 — места пересечения колец; стрелки указывают направление движения протонов (р); K ₁, K ₂— каналы для ввода протонов в НК (в бустере производится предварительное ускорение протонов; в НК протоны дополнительно ускоряются до 31,4 Гэв). б — деталь пересечения пучков протонов между сечениями AA'; 1 — элементы структуры магнита, фокусирующего пучки протонов.

коронный разряд.Затем заряды переносятся к высоковольтному электроду, где при помощи др. аналогичного устройства они снимаются, а вместо них на поверхность транспортёра наносятся заряды противоположного знака, снимаемые первым устройством. Существуют также генераторы с транспортёром в виде жёсткого диэлектрического ротора (роторные электростатические генераторы). С 1960-х гг. в некоторых ЭСУ используется цепной транспортёр с металлическими электродами, соединёнными между собой диэлектрическими звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества которого – высокая стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее напряжение, полученное с иомощью электростатических генераторов, составляет около 20 Мв; проектируются установки на напряжение до 30 Ме.
     2) В каскадном ускорителе источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное путём последовательного включения постоянных напряжений, получаемых в отдельных каскадах схемы. Существует несколько схем каскадных генераторов, среди которых наиболее известен генератор Кокрофта – Уолтона с последовательным питанием каскадов (см. Каскадный генератор ) .В 60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивнои связью каскадов с источником питания ( рис. 3 ); их преимущество – равномерное распределение напряжения по каскадам, а недостаток – необходимость изоляции каскадов на полное рабочее напряжение установки. Современные каскадные генераторы позволяют получать напряжение до 4 Мепри мощности установок в несколько десятков квт.
     3) В трансформаторных ускорителях генератором высокого напряжения является высоковольтный трансформатор, питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система таких ускорителей имеет устройство отсечки, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно малый разброс энергии ускоряемых частиц. Высоковольтный трансформатор практически не имеет ограничений по мощности и является наиболее перспективным типом генератора для мощных и сверхмощных У. в. с энергией ускоренных частиц до 2–3 Мэв.
     4) В импульсных ускорителях источником напряжения служат импульсные трансформаторы различных типов (например, Тесла трансформатор ) ,а также ёмкостные генераторы импульсного напряжения. В последних большое число конденсаторов заряжается параллельно от общего источника, затем при помощи разрядников осуществляется их переключение на последовательное, и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой до нескольких Мв.
     Линейные размеры У. в. определяются напряжением высоковольтного генератора и электрической прочностью его изоляции и ускоряющей системы. Ввиду малой электрической прочности воздуха при атмосферном давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией свыше 1 Мэвобычно нецелесообразно. Ускорители на большую энергию размещаются в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5–15 раз превышающем атмосферное. Это значительно уменьшает размеры ускорителей и снижает стоимость их сооружения. Особенно эффективно применение электроотрицательных газов (фреона и шестифтористой серы), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).
     Основной способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции – секционирование изоляционных конструкций, т. е. разделение больших изоляционных промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлических электродов с заданным распределением потенциала.
     Перезарядный ускоритель (тандем). Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа ( рис. 4 ), называемых тандемными, или перезарядными, отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положительные ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или плёнку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных ускорителей ( рис. 5 ). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, которые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицательные ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной энергией.
     Источники заряженных частиц для У. в.Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно по катоду, либо отдельным подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная эмиссия ) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи которых электрическое поле усиливается до ~ 10 ⁷ в/см.Затем электрический ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму,которая сама становится источником электронов.
     В ионных источниках заряженные частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или парами вещества при давлении 10 ^-1–10 ^-3 мм рт. ст.,содержащими атомы соответствующего элемента. Первичная ионизация происходит под действием электрического разряда: высокочастотного (ВЧ источники; рис 6 ) дугового разряда в неоднородном электрическом и магнитном полях (дуоплазматрон, предложенный нем. физиком М. Арденне) и т.д. Ионы, образующиеся в области разряда, извлекаются оттуда полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Положительные ионы получают из центральной части области разряда, где их концентрация выше, а отрицательные – с периферии этой области. Отрицательные ионы для перезарядных ускорителей могут быть получены также перезарядкой пучка положительных ионов на газовой или пароструйной мишени, при взаимодействии положительных ионов с твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т.д.
     Ускоряющая система У. в. (ускорительная трубка).Ускорительная трубка является частью вакуумной системы У. в., давление в которой не должно превышать 10 ^-5 мм рт. ст.У большинства У. в. она представляет собой цилиндр, состоящии из диэлектрических колец, разделенных металлическими электродами с отверстием в центре, служащим для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутренней поверхностью системы ( рис. 7 ). Кольца и электроды соединены друг с другом специальным клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой, обеспечивающими вакуумное уплотнение. Ускорительная трубка – один из основных элементов У. в., недостаточная электрическая прочность которого часто ограничивает энергию ускоренных частиц.
     В отличие от изоляционных конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорительной трубки металлическими электродами оказывается малоэффективным. При напряжении высоковольтного генератора более 4–5 Мвв трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а её электрическая прочность снижается. Это явление, получившее название «эффект полного напряжения», объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в котором происходит обмен вторичными заряженными частицами и их размножение. Причины появления таких частиц – облучение внутренней поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изоляторов и т.д. Для борьбы с «эффектом полного напряжения» предлагались различные конструкции ускорительных трубок. Наиболее известны ускорительные трубки с «наклонным полем», в которых электроды трубки устанавливаются под небольшим углом к плоскости её поперечного сечения, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие значительную энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а возникающие внутри трубки вторичные частицы с меньшей энергией задерживаются электродами. Устранения «эффекта полного напряжения» удалось добиться также в ускорительных трубках с плоскими электродами, у которых электроды и изоляторы соединены пайкой, а рабочий вакуум составляет 10 ^-8–10 ^-9 мм рт. ст.
     Успехи в разработке новых конструкций высоковольтных генераторов и ускорительных трубок позволили повысить энергии протонов, получаемых в перезарядных У. в. до 40 Мэв.Многозарядные тяжёлые ионы могут быть ускорены до значительно больших энергий. Ток пучка крупнейших У. в. ионов составляет единицы – десятки мкапри размерах пучка на мишени несколько мми его расходимости менее 10 ^-3 рад.
      Краткая история развития У. в.Первый У. в. каскадного типа на энергию 700 кэвбыл построен в 1932 англ. физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. В предвоенные годы наибольшее развитие получили ЭСУ с высоковольтными генераторами Ван-де-Граафа. К 1940 благодаря применению для изоляции сжатого газа и использованию секционированных высоковольтных конструкций энергия ускоренных частиц была повышена до ~ 4 Мэв.В СССР первые ЭСУ были разработаны в Украинском физико-техническом институте под рук. А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых с помощью У. в., удалось добиться путём применения перезарядных ускорителей и ускорительных трубок с наклонным полем, предложенных Р. Ван-де-Граафом (США). Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСУ были предложены Р. Хербом (США) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить мощность У. в. (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником), были разработаны в 1960–65 К. Моргенштерном (США) и Ван-де-Граафом. Большинство современных советских У. в. для научных исследований и использования в технике разработаны коллективом Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг. коллективом института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР под руководством Г. И. Будкера .
     Применение У. в.На протяжении ряда лет, начиная с создания в 1932 первого У. в., основной областью их применения была ядерная физика. С помощью У. в. получены важные сведения о внутреннем строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной и объёмной структуре твёрдых тел и т.д. Помимо непосредственного использования в физических экспериментах, У. в. применяются для предварительного ускорения заряженных частиц в крупнейших циклических и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т.д.
     Благодаря низкой стоимости и компактности У. в. нашли широкое применение в различных технологических процессах на промышленных предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100–200 кэвприменяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий, ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы) могут быть использованы, например, для проведения активационного анализа различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов к нейтронному облучению и т.д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками свыше 10 ¹²нейтронов/сек.
     Ускорители электронов с энергией 1–2 Мэви мощностью в несколько квтмогут служить генераторами рентгеновского тормозного излучения в промышленной дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, например вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.
     Перспективное направление практического использования электронных ускорителей с энергией 0,2–3 Мэви мощностью 10–100 квт –обработка электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств путём радиационной полимеризации, радиационной вулканизации, деструкции и т.д.
     Лит.:Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Ускорители. Сб., пер. с англ. и нем., под ред. Б. Н. Яблокова, М., 1962; Электростатические ускорители заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, М., 1963.
     М. П. Свиньин.

   Рис. 3. Схема каскадного генератора с параллельным питанием каскадов. а — схема с ёмкостной связью (динамитрон): 1 — конденсаторы; 2 — выпрямители; 3 — вторичные обмотки; 4 — выпрямительные устройства (U _вх, U _вых— входное и выходное напряжения).

   Рис. 1. Схема высоковольтного ускорителя: 1 — высоковольтный генератор; 2 — источник заряженных частиц; 3 — ускоряющая система; 4 — траектория частицы.

   Рис. 7. Ускорительная трубка: 1 — кольцевые изоляторы; 2 — металлические электроды; 3 — соединительные фланцы.

   Рис. 4. Схема перезарядного (тандемного) ускорителя: 1 — источник отрицательных ионов; 2 — высоковольтный генератор; 3 — высоковольтный электрод; 4 — мишень для перезарядки ионов; 5 — пучок отрицательных ионов; 6 — пучок положительных ионов.

   Рис. 6. Схема ВЧ источника ионов: 1 — разрядная камера; 2 — обмотка колебательного контура ВЧ генератора; 3 — изоляционная вставка; 4 — основание источника; 5 — отверстие отбора ионов; 6 — вытягивающий электрод.

   Рис. 5. Сдвоенный перезарядный ускоритель: 1 — источник нейтральных частиц; 2, 4 — высоковольтные генераторы первого и второго ускорителей; 3, 5 — высоковольтные электроды; 6, 7 — первая и вторая мишени соответственно для получения и перезарядки ионов; 8 — пучок нейтральных частиц; 9 — пучок отрицательных ионов; 10 — пучок положительных ионов.

   Рис. 2. Схема генератора Ван-де-Граафа: 1 — ленточный транспортер зарядов; 2 — устройство для нанесения и съема зарядов; 3 — шкивы транспортера; 4 — высоковольтный электрод генератора.