phisics_gak/adddd/81.tex

\subsection*{Принципы и методы ускорения заряженных частиц}
\index{Ускоритель|(textbf}
Ускоритель заряженных частиц~--- установка, служащая для ускорения заряженных
частиц (элементарных частиц, ионов) до высоких энергий. Простейшее представление
об ускорителе дает устройство электронно-лучевой трубки телевизора. Современные
ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может
позволить себе даже крупное государство. Например, возводимый в настоящий момент
Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, представляет собой кольцо периметром 27~км,
потребляющее 120~МВт электроэнергии.

В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с
ЭП и МП. ЭП способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать
ее энергию. МП же, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее
энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы: линейные ускорители,
где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители,
в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие
промежутки много раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры,
источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии
рака, промышленные ускорители.

Идеологически наиболее простым является\ж линейный ускоритель\н. Высоковольтное
ЭП создается т.н.\ж генератором
Ван~де~Граафа\н\index{Генератор Ван~де~Граафа}, основанном на механическом переносе
зарядов транспортерной лентой. Максимальные электрические напряжения~$\sim20\,$МВ
определяют максимальную энергию частиц:~$\sim20\,$МэВ.

Идея\ж циклотрона\н\index{Циклотрон} проста. Между двумя полукруглыми полыми
электродами, т.н. дуантами, приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты
помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное МП.
Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте
ЭП 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. Энергия частиц~--- до 50\,МэВ на нуклон.

\bf Бетатрон\н~--- циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется
вихревым ЭП, индуцируемым изменением магнитного потока,
охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого ЭП
необходимо изменять МП сердечника, а МП в несверхпроводящих
машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне $\sim20\,$кГс,
возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны
используются преимущественно для ускорения электронов до энергий $10\div100\,$МэВ
(максимум достигнутой в бетатроне энергии~--- 300\,МэВ).

Принципиальное отличие\ж фазотрона\н\index{Фазотрон} от циклотрона~--- изменяемая в
процессе ускорения частота ЭП. Это позволяет, за счет автофазировки,
поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением
для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает $600\div700\,$МэВ.

\bf Синхрофазотрон\н\index{Синхрофазотрон}~--- циклический ускоритель с постоянной
длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же
орбите, изменяется как ведущее МП, так и частота ускоряющего
ЭП. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими
синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота
обращения практически не меняется, и используются\ж синхротроны\н\index{Синхротрон}~---
циклические ускорители с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего
ЭП, но изменяющимся ведущим МП.

Кроме научных исследований, небольшие линейные ускорители электронов находят
широкое применение в пищевой промышленности (для стерилизации продуктов питания)
и медицине (лечение рака).
\index{Ускоритель|)textbf}