Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
63 электрона после прохождения ускоряющего промежутка. Условие синхронизма легко можно получить из формулы (3.2):
AT = 2лАМс2/(есН). (3.3)
Это условие легко выполняется для электронов. В микротроне прирост энергии электрона за оборот обычно равен 0,5—1,0 Мэв. Максимальная энергия ускоряемых частиц в микротроне, определяется экономическими соображениями и равна 50—100 Мэв. Средние токи пучка достигают десятков микроампер при энергии электронов 20—30 Мэв, а ток в импульсе — десятков миллиампер. Энергетический разброс в пучке около 0,2%.
Циклические ускорители с переменным во времени магнитным полем. Такие ускорители называют также синхротронами, протонными или электронными. В синхротроне частица во время ускорения движется по окружности с постоянным радиусом внутри тороидальной камеры. Магнит ускорителя не сплошной, а кольцевой, что позволяет довести его радиус до сотен метров, а энергию ускоренных частиц до десятков гигаэлектронвольт. Средний радиус орбиты частицы постоянен лишь в том случае,когда в течение всего времени ускорения напряженность магнитного поля растет. Каждому значению энергии ускоряемой частицы соответствует определенное значение напряженности магнитного поля и частоты ускоряющего напряжения. Поэтому в кольцевом ускорителе, так же как и в синхроциклотроне, возможен только импульсный режим работы. Число циклов ускорения в единицу времени определяется возможной скоростью увеличения магнитного поля в ускорителе.
В первых протонных синхротронах, рассчитанных на энергию до 10 Гэв, напряженность магнитного поля по азимуту (кроме прямолинейных участков, где оно отсутствует) не меняется, а по радиусу изменяется незначительно, и это приводит к тому, что фокусирующие силы, возвращающие частицу к равновесной траектории при малых возмущениях ее движения, слабы. Поперечные размеры вакуумной камеры у машин такого типа очень большие, например ускоритель в Дубне на 10 Гэв имеет сечение камеры 152x41 см, что приводит к громадной массе магнита — 36 000 т. Число циклов ускорения в протонных синхротронах со слабой фокусировкой равно 5—10 в 1 мин. В каждом цикле ускоряется 1010 — IO12 протонов. Протоны можно вывести из вакуумной камеры. Если процесс ускорения не доводить до конца, то можно получить протоны с энергией, меньшей максимальной; энергетический разброс частиц в пучке незначителен.
Сечение вакуумной камеры и массу магнита можно значительно уменьшить при использовании так называемой жесткой фокусировки, т. е. при резко меняющемся по азимуту магнитном поле. Отдельные секции кольцевого магнита ускорителя с жесткой фокусировкой спроектированы так, что в одной напряженность магнитного поля сильно уменьшается с ростом радиуса, и в этой секции действуют
64 силы, фокусирующие частицу к равновесной орбите в радиальной плоскости и дефокусирующие в вертикальной, а в соседней секции напряженность магнитного поля растет с радиусом и фокусировка осуществляется в вертикальной, а дефокусировка — в радиальной плоскости. В результате наблюдается сильная фокусировка в обеих плоскостях, что позволяет резко уменьшить размеры вакуумной камеры. Так, в протонном синхротроне на 76 Гэв, построенном в Серпухове, сечение камеры 19,5x11,5 см2, что позволило при общей длине магнита около 1,5 км сделать его легче, чем магнит протонного синхротрона в Дубне. Масса магнита ускорителя в Серпухове— 20 ООО т. Длительность цикла ускорения серпуховского ускорителя составляет 2,6 сек при восьми циклах ускорений в 1 мин. Число протонов, ускоряемых за цикл, достигает нескольких единиц на IO13 протон/(сек-ими.). Число циклов в 1 мин у протонных синхротронов с жесткой фокусировкой примерно то же, что и у синхротронов со слабой фокусировкой.
Электронные синхротроны по устройству подобны протонным. Отличие состоит втом, что частота ускоряющего напряжения у них практически постоянна, так как скорость электрона уже в самом начале ускорения близка к скорости света. Однако в отличие от протонных синхротронов для электронных существует предельная энергия, до которой еще разумно экономически ускорять электроны в ускорителе циклического типа. Предел энергии обусловливается тем, что для электронов, движущихся по окружности, велики потери энергии на излучение. Эти потери быстро растут с уменьшением радиуса орбиты и увеличением энергии электрона. Так, при энергии электрона 10 Гэв и радиусе окружности 30 м потери на излучение за 1 оборот составляют 29,5 Мэв. Следовательно, для продолжения ускорения необходимо, чтобы приращение энергии за оборот было больше 29,5 Мэв, что чрезвычайно сложно. Предельная энергия электронов в циклическом ускорителе примерно равна 7 Гэв. Ток ускоренных электронов в синхротронах достигает нескольких микроампер, число частиц в импульсе около IO12-IO13.
Электроны могут быть ускорены и без высокочастотного электрического поля в бетатроне, когда-то единственном циклическом электронном ускорителе. Электроны в процессе ускорения движутся в тороидальной вакуумной камере по окружности с постоянным радиусом в нарастающем во времени магнитном поле, которое существует и внутри орбиты электронов. Магнитное поле не только удерживает электроны на орбите, но и создает вихревую электродвижущую силу, ускоряющую электроны. Чтобы обеспечить устойчивое движение частицы в бетатроне, необходимо напряженность магнитного поля на орбите частицы иметь в два раза меньше, чем средняя напряженность магнитного поля внутри орбиты. Поскольку скорость нарастания магнитного поля ограничена и, следовательно, ограничено приращение энергии за 1 оборот, а радиус электронной орбиты невелик, то предельное значение конечной энергии электрона в бетатроне, определяемое радиационными потерями, гораздо
