Большая Советская Энциклопедия (УС) - БСЭ БСЭ

  В. П. Дмитриевский.

Рис. 1. Схема ускорителя на встречных электрон-позиторонных пучках. Пучок ускоренных в синхротороне С электронов (е- ) выводится по каналу 1 и попадает на мишень М, в которой рождаются позитроны (е+ ). В течение некоторого времени позитроны накапливаются в накопительном кольце НК, после чего включаются поворотные магниты ПМ, с помощью которых электронный пучок из С направляется по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение пучков е+ е- (КЛ — фокусирующие магнитные квадрупольные линзы).

Рис. 2. а — схема расположения синхрофазотрона (СФ) и двух пересекающихся накопительных колец НК, в которых происходят протон-протонные столкновения (установка в ЦЕРНе); 1—8 — места пересечения колец; стрелки указывают направление движения протонов (р); K1 , K2 — каналы для ввода протонов в НК (в бустере производится предварительное ускорение протонов; в НК протоны дополнительно ускоряются до 31,4 Гэв ). б — деталь пересечения пучков протонов между сечениями AA'; 1 — элементы структуры магнита, фокусирующего пучки протонов.

Ускоритель высоковольтный

Ускори'тель высоково'льтный, устройство для ускорения заряженных частиц электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Основные элементы У. в. – высоковольтный генератор, источник заряженных частиц и система, предназначенная для ускорения частиц (рис. 1 ). Напряжение, получаемое от высоковольтного генератора, подаётся на электроды ускоряющей системы и создаёт внутри этой системы электрическое поле. Заряженные частицы из источника ускоряются этим полем до энергии Е = enu эв, где e – элементарный электрический заряд, n – число элементарных зарядов ускоряемой частицы, u – напряжение (в в ) высоковольтного генератора. Давление внутри ускоряющей системы не должно превышать 10-4 –10-5 мм рт. ст., т.к. иначе происходит значительное рассеяние ускоряемых частиц на молекулах газа.

  Важное преимущество У. в. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. С помощью У. в. легко может быть достигнут относительный разброс энергии ~ 10-4 , а у отдельных ускорителей 10-5 – 10-6 . Благодаря этому У. в. нашли широкое применение при исследованиях в атомной и ядерной физике. Др. преимущество У. в. – возможность создания установок с большой мощностью и высоким кпд, что весьма важно при использовании ускорителей в прикладных целях.

  Виды У. в. В зависимости от типа используемого высоковольтного генератора различают электростатические, каскадные, трансформаторные и импульсные У. в.

  1) В электростатическом ускорителе (ЭСУ) напряжение создаётся электростатическим генератором – генератором, основанным на переносе зарядов механическим транспортёром. Генератор с гибким транспортёром из диэлектрической ленты называется генератором Ван-де-Граафа (рис. 2 ). Электрические заряды наносятся на поверхность движущегося транспортёра зарядным устройством, состоящим из системы игл и плоского электрода, между которыми создаётся коронный разряд . Затем заряды переносятся к высоковольтному электроду, где при помощи др. аналогичного устройства они снимаются, а вместо них на поверхность транспортёра наносятся заряды противоположного знака, снимаемые первым устройством. Существуют также генераторы с транспортёром в виде жёсткого диэлектрического ротора (роторные электростатические генераторы). С 1960-х гг. в некоторых ЭСУ используется цепной транспортёр с металлическими электродами, соединёнными между собой диэлектрическими звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества которого – высокая стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее напряжение, полученное с иомощью электростатических генераторов, составляет около 20 Мв ; проектируются установки на напряжение до 30 Ме.

  2) В каскадном ускорителе источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное путём последовательного включения постоянных напряжений, получаемых в отдельных каскадах схемы. Существует несколько схем каскадных генераторов, среди которых наиболее известен генератор Кокрофта – Уолтона с последовательным питанием каскадов (см. Каскадный генератор ). В 60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивнои связью каскадов с источником питания (рис. 3 ); их преимущество – равномерное распределение напряжения по каскадам, а недостаток – необходимость изоляции каскадов на полное рабочее напряжение установки. Современные каскадные генераторы позволяют получать напряжение до 4 Ме при мощности установок в несколько десятков квт.

  3) В трансформаторных ускорителях генератором высокого напряжения является высоковольтный трансформатор, питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система таких ускорителей имеет устройство отсечки, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно малый разброс энергии ускоряемых частиц. Высоковольтный трансформатор практически не имеет ограничений по мощности и является наиболее перспективным типом генератора для мощных и сверхмощных У. в. с энергией ускоренных частиц до 2–3 Мэв.

  4) В импульсных ускорителях источником напряжения служат импульсные трансформаторы различных типов (например, Тесла трансформатор ), а также ёмкостные генераторы импульсного напряжения. В последних большое число конденсаторов заряжается параллельно от общего источника, затем при помощи разрядников осуществляется их переключение на последовательное, и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой до нескольких Мв.

  Линейные размеры У. в. определяются напряжением высоковольтного генератора и электрической прочностью его изоляции и ускоряющей системы. Ввиду малой электрической прочности воздуха при атмосферном давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией свыше 1 Мэв обычно нецелесообразно. Ускорители на большую энергию размещаются в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5–15 раз превышающем атмосферное. Это значительно уменьшает размеры ускорителей и снижает стоимость их сооружения. Особенно эффективно применение электроотрицательных газов (фреона и шестифтористой серы), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).

  Основной способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции – секционирование изоляционных конструкций, т. е. разделение больших изоляционных промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлических электродов с заданным распределением потенциала.

  Перезарядный ускоритель (тандем). Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа (рис. 4 ), называемых тандемными, или перезарядными, отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положительные ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или плёнку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных ускорителей (рис. 5 ). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, которые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицательные ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной энергией.

  Источники заряженных частиц для У. в. Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно по катоду, либо отдельным подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная эмиссия ) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи которых электрическое поле усиливается до ~ 10 7 в/см. Затем электрический ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму , которая сама становится источником электронов.