Ускорение - протон
Cтраница 3
Идея синхротрона с переменным градиентом поля, несомненно, может быть использована для ускорения протонов до 100 - 1000 Бэв, и соответствующие исследования подобного рода машин уже были выполнены. Одна из проблем, возникших при работе с пучками частиц все возрастающей энергии, состоит в том, что далеко не вся энергия бомбардирующей стационарную мишень частицы идет на образование другой частицы или на осуществление других ядерных процессов; сохранение импульса требует, чтобы некоторая часть исходной энергии перешла в кинетическую энергию продуктов взаимодействия, причем эта часть быстро увеличивается с ростом энергии падающей частицы, особенно по мере приближения ее скорости к скорости света. Эти эффекты побудили к серьезному рассмотрению различных предложений о создании ускорителей с встречными пучками, в которых два протонных пучка сталкивались бы в лоб и, таким образом, не происходило бы потери энергии на движение центра масс. Недостатком такого принципа является относительно малое число регистрируемых взаимодействий. [31]
С другой стороны, для ускорения протонов до очень высоких энергий ( 100 Мэв) в силу экономических соображений более предпочтительными могут оказаться ускорители циклического типа. Однако, несмотря на это, очевидные достоинства хорошо сфокусированных прямолинейных пучков побудили некоторые группы физиков к сооружению линаков для ускорения протонов до - 1 Бэв. Создание такого рода машин с технической точки зрения вполне возможно. [32]
Однако применение принципа синхротрона, позволяющего осуществлять ускорение электронов на орбитах постоянного радиуса, не дает этой возможности при ускорении протонов и более тяжелых частиц. Причина этого состоит в том, что для протонов, энергия покоя которых почти в две тысячи раз больше энергии покоя электронов, время обращения по орбитам постоянного радиуса становится практически постоянным при гораздо больших энергиях, чем для электронов, так как выражения (8.23) и (8.24) переходят в (8.25) и (8.26) для электронов при энергиях в несколько Мэв, а для протонов - при энергиях в несколько Гэв. Поэтому при ускорении протонов от начальных энергий, гораздо меньших, чем энергия покоя, увеличение напряженности магнитного поля, обеспечивающее постоянство радиуса орбиты, не обеспечивает постоянства периода обращения по этой орбите, так как связь между Т и Я, обеспечивающая постоянство R в (8.23) и обеспечивающая постоянство Н в (8.24), различна. [33]
Несмотря на невысокие эффективные сечения реакций ( р, п) и ( р, 2п), они все-таки широко используются в промышленном производстве радиоактивных изотопов на циклотронах. Это объясняется тем, что напряженность магнитного поля циклотрона, необходимая для достижения заданного значения энергии, для протонов значительно ниже, чем для дейтонов. Естественно, что это обстоятельство позволяет резко уменьшить вес магнита в случае конструирования циклотрона, предназначаемого для ускорения протонов, а следовательно и стоимость ускорителя. [34]
Первый циклотрон, построенный в Калифорнийском университете в 1936 г., обошелся в 50000 долл. После 1936 г. было сконструировано много других ускорителей положительно заряженных частиц, большую часть которых использовали для ускорения протонов. Основные узлы ускорителя протонов схематически показаны на рис. 8.4. Сравнительно недавно было создано два мощных синхротрона, позволяющих получать протоны очень высокой энергии; один из них ( стоимостью 35 млн. долл. Швейцарии ( Женева), а второй ( стоимостью 33 млн. долл. [35]
Ко второй группе относятся новейшие наяб. Один из таких ускорителей работает в Лос-Аламосе ( США, энергия 800 МзВ, ср. Ускорители рассчитаны на ускорение протонов и отрицат. Она состоит из двух частей. В первой части протоны и ионы Н - ускоряются до энергии 100 МэВ в ускорит, канале, состоящем из 5 резонаторов с трубками дрейфа. Резонатор ы на этом участке работают на более высокой частоте / 2990 МГц, кратной / IP Фокусировка пучка осуществляется с помощью дублетов из квадрупольных электромагнитов, установленных между резонаторами и их секциями. Поскольку при переходе из первой части во вторую скачком меняется длина периода фокусировки, то для уменьшения возрастания радиуса пучка на переходе включено согласующее устройство по поперечному движению, состоящее из ряда квадрупольных линз с раздельной регулировкой в них магн. Ускоритель имеет общий задающий генератор со стабилнзиров. В каждом канале ВЧ-питания включены прецизионные системы автоматич. ВЧ-поля и осуществляющие настройку резонаторов в резонанс. [36]
При увеличении энергии протонов скорость их значительно возрастает и время обращения по орбитам постоянного радиуса существенно уменьшается. Для поддержания синхронизма между периодом обращения протонов и периодом ускоряющего-электрического поля необходимо увеличивать частоту ускоряющего напряжения. При этом, если закон изменения напряженности магнитного поля Н ( () задан, то для движения частиц по орбитам постоянного радиуса необходимо, чтобы период ускоряющего напряжения т изменялся также по вполне определенному закону. Таким образом, для ускорения протонов ( или более тяжелых частиц) на орбитах постоянного радиуса одновременно сочетаются оба принципа, синхротрона и фазотрона. Ускорители, в которых сочетаются оба эти принципа, так называемые синхрофазотроны, являются наиболее совершенными из существующих ускорителей и позволяют сообщать протонам энергии свыше 70 Гэв. Таков наиболее мощный в мире ускоритель АН СССР в Серпухове. [37]
 |
Типы циклотронов. [38] |
Частицы инжектируются с помощью специальной пушки, и когда они достигают желаемой энергии, то выводятся через окно из тонкой фольги с помощью отклоняющей системы. Рабочая частота была около 20 Мгц при входной мощности приблизительно 300 кет; добротность электродного контура обычно имеет порядок нескольких тысяч. Практический верхний предел энергии протонов составляет около 50 Мэв при диаметре магнитных полюсов 1 м, и поскольку сгусток ускоренных частиц получается в каждом периоде, то средняя интенсивность пучка достигает 300 мка. Был сконструирован [73, 139, 154] трехфазный циклотрон для ускорения протонов, дейтронов и тритонов. [39]
Поэтому вес магнита пропорционален кубу энергии, так как магнитное поле должно создаваться во всей камере от центра до краев. Магнит делается из высококачественного трансформаторного железа и является самой дорогой частью ускорителя. Тем самым стоимость фазотрона, грубо говоря, пропорциональна кубу энергии. В области от 25 до сотен МэВ фазо-тронный метод ускорения протонов, дейтронов и а-частиц сейчас является основным. [40]
Кулиджу, создателю известной лучевой трубки, сэр Эрнст именно в такой мечтательной интонации говорил об изобильном снабжении экспериментаторов потоками заряженных частиц более энергичных, чем частицы в естественных альфа-и бета-лучах. В принципе все было легко достижимо; на деле - недоступно. В идее - заманчиво просто; технически - крайне сложно. Блэккет рассказывал, что в течение нескольких лет Резерфорд неизменно отклонял предложения Чадвика заняться ускорением протонов для бомбардировки ядер. [41]
Однако чаще всего ускорительные процессы в межпланетном пространстве связаны, по-видимому, с ударными волнами. Так, Армстронг и Кри-мигис ( 1976) в событии 29.10.72 наблюдали повышения интенсивности электронов с энергиями 0 2 - 0 5 МэВ и протонов с энергиями 1 85 - 25 2 МэВ, происходящие на фоне диффузионного спада интенсивности ( рис. 14.1), которые связываются ими с приходом межпланетных ударных волн. Померанц и Даггл ( 1974), Чирков и Филиппов ( 1977), основываясь на наблюдательном материале по вспышкам 04.08.72, 17.07.59, 12.11.60, развивали идею об ускорении протонов в межпланетном пространстве до релятивистских энергий между сходящимися ударными волнами. [42]
У бетатрона на энергию порядка 100 Мэв [ 171 ] магнит с полюсами диаметром 1 9 м весит 130 т и при полной нагрузке потребляет 200 кет. Электроны инжектируются с энергией около 50 кэв и совершают около 250 000 оборотов в магнитном поле, получая среднее приращение энергии за один оборот около 400 эв. В ускорителе использована батарея конденсаторов на 24 мегавольтампер. Бетатроны без железа [64, 256] могут работать на частотах в диапазоне 2 5 - 8 0 кгц. Для ускорения протонов бетатрон экономически не выгоден, поскольку при той же энергии, что и у электронов, радиус магнита должен быть в 40 раз больше. [43]
Первые научные исследования посвятил физике диэлектриков и полупроводников. Совместно с сотрудниками создал высоковольтную установку и трубку для ускорения протонов. Под его руководством был введен в действие ( 1939) самый мощный для того времени в Европе циклотрон. Совместно с сотрудниками открыл ( 1935) явление ядерной изомерии у искусственного радиоактивного изотопа бром-80. [44]
Дело в том, что в соответствии с (9.2) при скоростях, близких к с, радиус орбиты пропорционален энергии. Поэтому вес магнита пропорционален кубу энергии, так как магнитное поле должно создаваться во всей камере от центра до краев. Магнит делается из высококачественного трансформаторного железа и является самой дорогой частью ускорителя. Тем самым стоимость фазотрона, грубо говоря, пропорциональна кубу энергии. В области от 25 до сотен МэВ фазо-тронный метод ускорения протонов, дейтронов и а-частиц сейчас является основным. [45]
Страницы: 1 2 3 4