ЛИНЕ́ЙНЫЙ УСКОРИ́ТЕЛЬ ЭЛЕКТРО́НОВ

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.