Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
2,5-3 МэВ. Ускорители собираются внутри колпака, выдерживающего давление
10-15 атм. и наполняются
§88. Ускорители заряженных частиц
463
О Д " %
О Я
о " ~
3
CQ С
^ Я * О
Входящий
пучок
CD
>=3
(D
>=3
<т>
Ускоренные
частицы
Рис. 183. Схема расположения электродов в ускорителе прямого действия.
азотом с примесью газов, повышающих пробойную прочность. Ускорители
прямого действия использовались ранее как для получения ускоренных
частиц, например, протонов с небольшой энергией, так и для
предварительного ускорения частиц перед вводом в более мощные ускорители.
Сейчас они уступили место линейным ускорителям.
соединительный
в.ч. напряжения Рис. 184. Схема расположения электродов в линейном
ускорителе.
Линейные ускорители. Синхротронные колебания. Более высокие энергии могут
быть получены только с помощью переменных электрических полей. Рассмотрим
рис. 184. На нем изображена установка, содержащая пять ускоряющих зазоров
и столько же дрейфовых трубок. Ускоряемые частицы, скажем, протоны,
попадают в первый ускоряющий зазор, когда напряжение в нем имеет нужный
знак (верхние обозначе-
464
Глава 16
ния полярности). Пройдя через него, электроны получают первую порцию
энергии. Пролетев через дрейфовую трубку частицы попадают во второй
ускоряющий зазор. Пока частицы движутся через трубку, напряжение успевает
переменить полярность и теперь соответствует уже нижним обозначениям
(частицы, движущиеся в металлической трубке, перемены напряжения не
замечают). В зазоре напряжение снова имеет "правильный" знак, и частицы
получают вторую порцию энергии. Затем следует новая дрейфовая трубка, за
ней - следующий ускоряющий зазор, и т. д. Такие ускорители носят название
линейных ускорителей со стоячей волной.
Энергия, приобретаемая в каждом зазоре, не очень велика. Она может лежать
в пределах нескольких сотен килоэлектронвольт, а полная энергия,
приобретаемая частицей, ограничена только числом ускоряющих зазоров, т.
е., в конечном счете, длиной ускорителя. Пролетные трубки и ускоряющие
зазоры должны, конечно, располагаться в вакуумной камере, откачанной до
высокого вакуума, поскольку движение ускоряемых частиц может происходить
только в высоком вакууме. Сейчас используется несколько типов линейных
ускорителей; среди них ускорители с бегущей волной, резонансные линейные
ускорители и т. д. Мы их устройство разбирать не будем.
Линейные ускорители применяются для ускорения электронов и в качестве
инжекторов в кольцевые ускорители тяжелых частиц. Наиболее крупный из
действующих линейных ускорителей находится в Стенфорде (США) и позволяет
ускорять электроны до 36 ГэВ. Длина его ускоряющей системы равна 3,5 км.
Этот ускоритель эффективно используется для экспериментов в области
физики элементарных частиц.
Рассмотрим динамику ускоряемых частиц в линейном ускорителе. Зависимость
переменного напряжения от времени изображена на рис. 185. Частицы,
прошедшие ускоряющий зазор при напряжении, близком к максимальному,
получают почти максимальную энергию. Частицы, получившие существенно
меньшую энергию, выбывают из режима ускорения. Так образуется сгусток
частиц, захваченных в режим ускорения. Но и в этом сгустке одни частицы
имеют энергию, превышающую среднее значение, а другие - не дотягивают до
нее. Необходимо, чтобы частицы с недостаточной энергией в следующих
зазорах получили большую энергию, чем "средняя частица", а частицы,
перебравшие энер-
Рис. 185. Зависимость от времени напряжения в ускорительном зазоре.
§88. Ускорители заряженных частиц
465
гию, недополучили ее. Если это так, то через некоторое время ситуация
изменится на обратную, отстававшие частицы обгонят средние, а имевшие
слишком много энергии отстанут от средних и т.д. Так возникают
синхротронные колебания.
Разберемся в этом подробнее. Напряжение на ускоряющих зазорах и длина
дрейфовых трубок подбираются таким образом, чтобы "правильную" энергию
получали частицы, подходящие к зазору, когда напряжение на нем близко к
максимальному, но все таки не максимально, как это, например, имеет место
для частиц (1) и (3) на рис. 185. Назовем эти частицы "средними".
Рассмотрим частицу, движущуюся в окрестности точки (1), но пришедшую к
зазору с небольшим опозданием, когда напряжение на нем уже выше, чем в
точке (1). Эта частица получит большую энергию, чем средняя, и начнет
догонять ее. Когда эта частица перегонит среднюю, она попадет в зазор при
более низком напряжении и начнет возвращаться к средней. Синхротронные
колебания частиц, движущихся в окрестности точки (1), оказываются
устойчивыми.
Повторяя те же рассуждения для частиц, движущихся в окрестности точки
(3), мы увидим, что их движение неустойчиво, они будут потеряны.
Обратимся теперь к пространственной устойчивости ускоряемого пучка. Ясно,
что не все частицы, введенные в ускоритель, движутся по одной и той же -
центральной - траектории. Существует некоторый разброс как в начальных
координатах, так и в углах ввода. Частицы, движущиеся под некоторым углом
