ЛИНЕ́ЙНЫЙ УСКОРИ́ТЕЛЬ ЭЛЕКТРО́НОВ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ЛИНЕ́ЙНЫЙ УСКОРИ́ТЕЛЬ ЭЛЕКТРО́НОВ, устройство, в котором электроны ускоряются электромагнитными полями, двигаясь по прямолинейной траектории. Применим также для ускорения позитронов.
Возникновение Л. у. э. связано с развитием техники получения высоких напряжений, необходимых для разгона заряженных частиц. Первое устройство, позволявшее получать напряжения в неск. млн. В, – резонансный трансформатор – было создано и запатентовано Н. Теслой в 1896. В 1919 швейц. физик Г. Грейнахер построил первый каскадный генератор, работавший по схеме умножения напряжения, в которой набор конденсаторов заряжался через систему диодов от источника переменного тока. В 1931 амер. физик Р. Ван де Грааф создал первый электростатический генератор, позволявший получать напряжение до 80 кВ. В совр. устройствах такого типа достигается напряжение на ускоряющем зазоре до 20 МВ. Для ускорения электронов до бо́льших энергий используются принципы резонансного и индукционного ускорения. Активная разработка ускорителей такого типа началась после 2-й мировой войны в связи с бурным развитием техники генерации СВЧ-колебаний для целей радиолокации. В сер. 1960-х гг. в связи с прогрессом мощной высоковольтной импульсной техники возникло новое направление в ускорительной технике – получение пучков заряженных частиц с током до нескольких МА (см. Сильноточные ускорители). В кон. 20 в. началось широкое использование ускоряющих систем, включающих сверхпроводящие резонаторы. Такие системы позволяют уменьшить потери мощности, расходуемой на нагрев резонаторов.
Ускорители прямого действия
В таких Л. у. э. высокое напряжение создаётся несколькими способами. Сравнительно небольшие напряжения получают либо с помощью однофазных или трёхфазных трансформаторов с выпрямителем, либо с использованием схемы умножения напряжения. В электростатич. ускорителях для создания высоких напряжений заряд транспортируется к высоковольтному электроду на изолирующей ленте. Электронная пушка, создающая поток электронов, располагается на высоковольтном электроде. Ускоряются электроны в спец. вакуумной камере (ускорительной трубке). Для предотвращения электрич. пробоя элементы ускорителя располагаются в баке, заполненном электроизолирующим газом под давлением. Ускорители прямого действия используются при электронно-лучевой сварке, резке и плавке металлов, дефектоскопич. контроле изделий, очистке пром. отходов, а также для улучшения термомеханич. свойств полимерных материалов. Пучки ускоренных электронов и тормозное излучение применяются для стерилизации продуктов питания и мед. инструментов (см. Промышленные ускорители электронов).
Линейный индукционный ускоритель
(ЛИУ, или линейный бетатрон). Состоит из источника электронов, ускоряющей системы и источника импульсного напряжения, подаваемого на ускоряющую систему. Последняя представляет собой цепочку последовательно расположенных индукторов, состоящих из тороидального ферромагнитного сердечника и обмотки возбуждения. При подаче на обмотку импульса тока на оси индуктора возникает вихревое электрич. поле, которое и используется для ускорения электронов. В ЛИУ частицы ускоряются до энергии 50–100 МэВ, а ток в пучке достигает десятков кА. ЛИУ использовались в качестве инжекторов для формирования электронных колец при коллективном ускорении ионов (см. Коллективные методы ускорения). Направляя пучок, получаемый в ЛИУ, на спец. мишени, можно воспроизводить некоторые характеристики излучения, возникающего при ядерном взрыве, для исследования его воздействия на материалы и оборудование.
Высокочастотные резонансные ускорители
Это наиболее универсальный тип Л. у. э., который находит применение в самых разных областях – от технологии до физики высоких энергий. Ускоряющая система таких Л. у. э. состоит из одной или нескольких последовательно расположенных секций. В совр. Л. у. э. используются две схемы подачи ВЧ-мощности в ускоряющую секцию: с бегущей и со стоячей волной. В ускорителе с бегущей волной мощность от генератора подаётся на вход ускоряющего волновода, а оставшаяся неиспользованной мощность поглощается на выходе в нагрузке. В ускорителях со стоячей волной ускоряющая секция представляет собой резонатор, образованный из закороченного с обоих концов волновода, используются также одно- или многозазорные резонаторы. Частицы ускоряются электромагнитной волной, фазовая скорость которой совпадает со скоростью частиц (движение частиц в резонансе с волной). Волна создаётся генератором высокой частоты (неск. ГГц) и распространяется внутри волновода. В гладком волноводе фазовая скорость волны всегда больше скорости света и, соответственно, больше скорости частиц. Поэтому в Л. у. э. используются разнообразные виды замедляющих структур, простейшая из которых – т. н. круглый диафрагмированный волновод (КДВ). В КДВ для уменьшения фазовой скорости бегущей волны цилиндрич. ускорительная камера разделяется дисками с концентрич. отверстиями. На начальном участке ускорения скорость электронов возрастает, соответственно, должна возрастать и фазовая скорость волны. Изменение фазовой скорости волны достигается за счёт изменения расстояния между соседними дисками. Однако уже при энергии электронов в неск. МэВ их скорость приближается к скорости света и мало изменяется при дальнейшем ускорении. Поэтому в осн. части ускорителя используется регулярная структура с одинаковыми расстояниями между дисками и фазовой скоростью, равной скорости света. В этом случае условие синхронизма движения частиц и волны выполняется независимо от энергии электронов.
При малых энергиях электронов (до 5–10 МэВ) устойчивость их поперечного движения обеспечивается использованием продольного магнитного поля (соленоиды располагаются непосредственно на секциях ускоряющей системы). При высоких энергиях для обеспечения фокусировки достаточно разместить квадрупольные линзы в промежутках между секциями ускоряющей системы.
Высокочастотные Л. у. э. применяются в пром-сти так же, как и ускорители прямого действия. Этот тип ускорителей, наряду с бетатронами, является наиболее распространённым в клинических условиях для радиационной терапии онкологич. заболеваний. Кроме того, одной из важнейших областей применения таких Л. у. э. является генерация когерентного электромагнитного излучения в лазерах на свободных электронах. В этих приборах последовательность ускоренных сгустков электронов направляется в вигглер – устройство со знакопеременным поперечным магнитным полем. Длина волны когерентного излучения определяется энергией электронов и периодом изменения поля в вигглере. Л. у. э. на основе сверхпроводящих резонаторов принят за основу проекта рентгеновского лазера на свободных электронах, реализуемого в лаборатории DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Германия).
Для генерации лазерного излучения ИК- и оптич. диапазонов получили применение Л. у. э. с рекуперацией энергии – т. н. ERL (Energy Recovery Linac). В ERL ускоренный пучок электронов после его использования направляется в ту же самую ускоряющую систему, где сгустки электронов попадают в тормозящую фазу поля высокой частоты. Взаимодействуя с электромагнитным полем, пучок тормозится и передаёт полю свою энергию. Одно из возможных применений ERL – электронное охлаждение ионных пучков высокой энергии. В 2000 ERL с ускоряющей системой на сверхпроводящих резонаторах введён в эксплуатацию в Лаборатории Джефферсона (штат Вирджиния, США) для исследований в области физики элементарных частиц. При энергии пучка в неск. десятков ГэВ Л. у. э. становится более эффективен, чем циклич. ускоритель, поскольку в Л. у. э. отсутствуют потери энергии на синхротронное излучение. Крупнейший в мире (на нач. 21 в.) Л. у. э. находится в Станфорде (США). Его длина составляет 3,2 км; он ускоряет как электроны, так и позитроны до энергии 50 ГэВ. На основе Л. у. э. разрабатываются проекты линейного коллайдера с энергией пучков до 1 ТэВ и выше.