Лекция 15. Источники заряженных и нейтральных частиц

Ускорители заряженных частиц.

Общие принципы. Для того чтобы заряженная частица могла вступить в ядерную реакцию, она должна приблизиться к ядру на достаточно малое расстояние, а для этого — иметь высокую энергию. На ранних этапах изучения атомного ядра в распоряжении физиков были только a-частицы, образующиеся при распаде природных радионуклидов. Энергия таких а-частиц не превышает 9 МэВ. С появлением ускорителей частиц экспериментальные возможности ядерной физики выросли и позволили перевести исследования на качественно новый уровень.

Ускорители — установки, служащие для ускорения заряженных частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителем называется любая установка, рассчитанная на ускорение частиц до энергий более 10 МэВ. На рекордном ускорителе протонов — теватроне (Лаборатория им. Ферми, США) достигнута энергия 940 ГэВ. Во всех действующих ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием продольных (т.е. направленных вдоль их скорости) внешних электрических полей.

Ускорители — очень сложные установки. Их устройство и работа — вопрос не ядерной физики, а физической электротехники. Однако роль ускорителей в ядерной физике настолько велика (можно сказать — решающая), что понимание принципов их работы совершенно необходимо. Краткое изложение этих принципов и является целью данной лекции.

Ускоритель включает в себя следующие элементы: источник ускоряемых частиц; генераторы ускоряющих электрических или электромагнитных полей; вакуумную камеру, в которой движутся частицы в процессе ускорения;^[1] устройства, служащие для впуска (инжекции) и выпуска (эжекции) пучка частиц из ускорителя; фокусирующие устройства, обеспечивающие длительное движение частиц без ударов о стенки вакуумной камеры; магниты, искривляющие траектории ускоряемых частиц; устройства для исследования и коррекции положения и конфигурации ускоряемых пучков. В зависимости от типа и особенностей ускорителя один или несколько из перечисленных элементов в них могут отсутствовать.

В целях радиационной безопасности ускорители окружаются защитными стенами и перекрытиями (биологическая защита). Толщина и выбор материала защиты зависят от энергии и интенсивности ускоренных пучков. Ускорители на энергии выше нескольких ГэВ в целях безопасности располагают под землёй.

Современные ускорители делятся на два больших класса: линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются ускоряющие станции. Наибольший из действующих линейных ускорителей имеет длину более 3 км. Линейные ускорители позволяют получить мощные потоки частиц, но при больших энергиях оказываются слишком дорогими. В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свертывая их в окружности или спирали. Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла.

• [1] В плотной газовой среде ускорение заряженных частиц невозможно из-за их взаимодействия с молекулами газов, заполняющих камеру.