Ускоритель заряженных частиц

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Ускори́тель заря́женных части́ц — экспериментальная установка, разновидность вакуумного электронного прибора, служащая для ускорения заряженных частиц, в том числе, элементарных частиц и атомных ядер, до высоких энергий. Современные ускорители являются огромными дорогостоящими машинами, которые зачастую не может позволить себе даже крупное государство. Например, возводимый в настоящий момент Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, представляет собой кольцо периметром 27 километров, потребляющее 120 МВт.

В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, определяя, таким образом, траекторию движения частицы.

Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки по многу раз.

[править] Конструкции ускорителей

[править] Электростатический ускоритель

Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Высоковольтное электрическое поле создаётся т.н. генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов транспортёрной лентой. Максимальные электрические напряжения ~20МВ определяют максимальную энергию частиц ~20МэВ.

[править] Каскадный ускоритель

Основан на использовании каскадного генератора, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ преобразуя низкое переменное напряжение с помощью специальных схем.

[править] Циклотрон

Устройство циклотрона. 1 - место поступления частиц, 2 - траектория их движения, 3 - электроды, 4 - источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Идея циклотрона проста. Между двумя полукруглыми полыми электродами, т.н. дуантами, приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии, на каждом обороте, радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.

Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1931 году Лоуренсом, за что ему была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50МэВ/нуклон.

Подробнее см. Циклотрон.

[править] Бетатрон

Другое название: индукционный ускоритель. Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100МэВ.

Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д.В.Керстом лишь в 1940—1941 гг. в США.

[править] Микротрон

Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

[править] Фазотрон

Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.

[править] Синхрофазотрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами.

[править] Линейный ускоритель

[править] Коллайдер (ускоритель на встречных пучках)

[править] Применение

Кроме научных исследований, небольшие линейные ускорители электронов находят широкое применение в пищевой промышленности (для стерилизации продуктов питания как замена кипячению и добавлению консервантов).

[править] См. также

• Детектор частиц
• Бэватрон

[править] Ссылки

• Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин, Эксперимент (Web-публикация)

Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.