линейные ускорители

ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ - ускорители заряженных частиц ,в к-рых траектории частиц близки к прямым линиям. Л. у. образуют 4 обособленные группы: высоковольтные ускорители, линейные индукц. ускорители, линейные резонансные ускорители, коллективные ускорители (см. Коллективные методы ускорения ).Термин "Л. у." чаще применяется ко 2-й и 3-й группам. Широкое развитие Л. у. связано с рядом их преимуществ перед циклич. ускорителями: возможностями получения пучков ускоренных частиц повышенной интенсивности и высокой плотности, простотой вывода пучка, практич. отсутствием тормозного излучения частиц.

Несмотря на различие в схемах построения во всех Л. у. в связи с однократным прохождением заряж. частиц через ускоряющие зазоры применяют сильные ускоряющие поля. Ото приводит к необходимости использовать мощные генераторы для создания ускоряющих полей, тем самым ограничивая применение Л. у. для ускорения тяжёлых частиц (протонов и ионов) в области высоких энергий (>1-2 ГэВ), где более выгодно применять циклические ускорители. В последнем случае Л. у. тяжёлых частиц используются как инжекторы-цредускорители. Это ограничение не распространяется на электронные Л. у., которые находят применение вплоть до самых высоких энергии.

Л. у. используются как для фундам. физ. исследований, так и в прикладных целях (в медицине, в дефектоскопии, материаловедении, для ионной имплантации, при радиац--хим. обработке материалов, стерилизации продуктов и т. д.). Особенно широко распространены Л. у. электронов.

Линейный индукционный ускоритель - Л. у., в к-ром для ускорения используется эдс индукции, возникающей при изменении во времени магн. потока, охватывающего прямолинейные траектории частиц. Ускоряющее поле в индукц. Л. у. за время пролёта частиц существенно не меняется.

Идея индукц. Л. у. предложена А. Бауэрсом (A. Bowers) в 1923 и впервые реализована в нач. 60-х гг. Н. Кристофилосом (N. Christophilos) в США. Первый индукц. Л. у. в СССР был построен (в те же годы) под руководством В. И. Векслера. Принцип действия ускорителя легко понять на примере упрощенной схемы, показанной на рис. 1. Вдоль оси ускорителя установлены ферромагн. кольца (индукторы) 1, охватываемые токовыми обмотками 2. На индукторах размещены также вторичные витки 3 с разрывами - ускоряющими зазорами. При подаче на обмотки 2 импульса напряжения u_ген в индукторах происходит изменение магн. потока, к-рое по закону эл--магн. индукции создаёт в ускоряющих зазорах электрич. напряжение

где 5 - площадь сечения сердечника, dB/dt - скорость изменения магн. индукции. Для обеспечения моноэнергетичности ускоренных частиц в пучке в течение времени ускорения т необходимо поддерживать линейное во времени изменение индукции. В этом случае

где - суммарное изменение потока индукцпи в сердечнике. Частица с зарядом q (для электронов и протонов где е - элементарный электрич. заряд), прошедшая N ускоряющих зазоров, получит приращение энергии (в эВ)

Величина представляет собой скорость изменения полного магн. потока, сцепленного с траекторией заряж. частицы при прохождении ею всей цепочки индукторов. Она численно равна сумме напряжений ускоряющих зазоров. Если длину ускорителя обозначить через L_у, то среднее по длине ускоряющее поле, характеризующее темп ускорения частиц, будет равно

Для создания сильных полей (порядка 0,2-1 МВ/м) при сохранении приемлемых габаритов индукторов длительность цикла ускорения не должна превышать неск. мкс. При длительности импульса меньше десятков нс потери энергии на перемагничивание достигают значений, при к-рых использование сердечника становится малоэффективным. В этом случае применяют безжелезные индукц. Л. у. В них, как правило, ускоряются пучки с очень большими токами (до неск. МА).

Рис. 1. Упрощённая схема линейного индукционного ускорителя (разрез): 1 - ферромагнитные индукторы; 2 - обмотка возбуждении магнитного потока; 3 - вторичные витки с ускоряющими зазорами; u_y - ускоряющее напряжение (эдс индукции); АВ - траектория ускоряемой частицы; 4-4 - клеммы генератора импульсного напряжения; О - апертурные отверстия для прохода пучка.

Совр. индукц. Л. у. состоят из ряда секций, каждая из к-рых содержит неск. индукторов, параллельно соединённых с импульсным генератором. Ускорит. тракт объединён ускорит. трубкой, внутри к-рой поддерживается высокий вакуум. Секция вместе с импульсным генератором составляет модуль, а сам ускоритель представляет собой набор модулей, кол-во к-рых определяется заданной энергией частиц. В ускорителях, индукц. секция к-рых находится в воздухе, напряжённость E₀ лежит в пределах от 0,2 МВ/м до 0,75 МВ/м. Дальнейшее повышение Е₀ ограничено поверхностной электрич. прочностью ускорит. трубки. В случае размещения индукц. секции в специальной изолирующей среде (напр., в фреоне под давлением) значения Е₀ достигают 1 МВ/м. При совр. состоянии техники пндукц. Л. у. могут иметь большие средние и импульсные мощности в пучке (10-100 МВт), хотя ср. мощность в пучке действующих ускорителей сравнительно невелика (5-200 кВт). Наиб. крупным ускорителем этого типа является сооружаемый в США ускоритель электронов "АТА", в к-ром энергия электронов равна 50 МэВ,,. ток пучка 10 кА, длительность импульса 70 нc. Пачки из 10 импульсов следуют с частотой 5 Гц, импульсы внутри пачки - с частотой 1000 Гц. При большой мощности пучка важной характеристикой индукц. Л. у. является кпд пндукц. системы, к-рый повышается с увеличением интенсивности пучка.

Для фокусировки сильноточных электронных пучков используются продольные магн. поля, создаваемые соленоидами. В нек-рых случаях при ускорении (М пучков электронов большой интенсивности их объёмный заряд на нач. участке компенсируют ионами плазмы, образующейся за счёт ионизации газа. В этом случае ускоритель наз. плазменным индукционным Л. у.

К достоинствам индукц. Л. у. относится возможность ускорения сильноточных импульсных пучков со сравнительно высокими значениями кпд и частотами повторения импульсов, к недостаткам - малые длительности импульсов и невысокий темп ускорения.

Хотя принцип ускорения не содержит ограничений на тип ускоряемых частиц, все действующие индукц. Л. у. являются ускорителями электронов. Они применяются как источники интенсивных электронных пучков в установках для коллективного ускорения ионов и для исследований прикладного характера (в т. ч. по термоядерному синтезу, в радиац. химии и т. п.).

Линейный резонансный ускоритель - Л. у., в к-ром частицы ускоряются электрич. ВЧ-полем, двигаясь в ср. синхронно (в резонанс) с изменениями поля. В зависимости от способа реализации принципа резонансного ускорения различают два типа резонансных Л. у.: с бегущими и стоячими волнами.

Рис. 2. Ускорение на бегущей волне: 1 - диафрагмированный волновод; 2 - ускоряемый сгусток заряженных частиц. Стрелками показано распределение напряжённости электрического поля Е, бегущего вдоль волновода.

Рис. 3. Фазовые колебания на бегущей волне: 1 - положение равновесной частицы; 2 и 3- неравновесные частицы.

В ускорителе с бегущей волной (волноводном ускорителе) условие синхронизма соблюдается, если заряж. частицы движутся на гребне эл--магн. волны, распространяющейся вдоль оси ускорителя с фазовой скоростью достаточно близкой к скорости перемещения заряж. частиц Это условие обычно записывают для безразмерных величин в випе

где =v_B/c и Для создания направленной эл--магн. бегущей волны применяют волноводы, оканчивающиеся согласованной нагрузкой. Но т. к. фазовая скорость волны в волноводе с гладкими стенками больше скорости света, то его периодически (по длине) нагружают, устанавливая, напр., внутри волновода металлич. диафрагмы с отверстиями (рис. 2). Изменением геометрии диафрагм вдоль волновода достигают необходимой зависимости скорости волны от продольной координаты в соответствии с условием синхронизма (4). При ускорении частиц в интервале энергий, при к-рых скорость частиц заметно отличается от скорости света, для действия механизма автофазировки фаза идеальной (равновесной) частицы ф_р должна быть опережающей в пространстве по отношению к гребню бегущей волны (рис. 3). В этом случае равновесная частица с зарядом q на длине ускорителя будет получать приращение энергии

где Е₀ - амплитуда ускоряющего поля, усреднённая но длине ускорителя. Др. частицы, захваченные в ускорение, но пришедшие с фазой отличной от будут совершать колебания около равновесной частицы, в ср. набирая примерно равную с ней энергию. В интервале энергий, где механизм автофазировки перестаёт действовать, т. к. частицы практически не смещаются по фазе в процессе ускорения и поэтому набирают энергию, пропорциональную где - фаза, в к-рой "застыла" частица.

Рис. 4. Схема ускорителя Видероэ с дрейфовыми трубками: 1 - дрейфовые трубки; 2 - источник переменного напряжения; 3 - область действия электрического поля В; 4 - пучок.

Работа ускорителя на стоячей волне принципиально не отличается от рассмотренного способа ускорения, поскольку стоячую волну можно разложить на две волны, бегущие в противоположных направлениях, одна из к-рых, синхронная с движением частиц, будет передавать им энергию в соответствии с условием резонансного ускорения, а другая, движущаяся в противоположном направлении, не будет оказывать заметного влияния на процесс ускорения. Однако техн. реализация Л. у. на стоячей волне имеет существ. отличия. Рассмотрим их на примере одной из первых схем такого ускорителя (рис. 4). Ускоритель состоит из источника заряж. частиц и ряда дрейфовых трубок, расположенных вдоль оси и присоединённых через одну к одноимённым клеммам ВЧ-генератора. Поле внутри трубок практически отсутствует и сосредоточено в зазорах между ними. Частица, ускоренная в одном зазоре, будет ускоряться и в след. зазорах, если к моменту её прилёта к след. зазору напряжение на трубках изменит знак, т. е. частица должна пролетать расстояние между двумя зазорами l_y (наз. периодом ускорения) за время, равное полупериоду ВЧ-поля Т/2. Величины l_y, Т ина каждом участке ускорения связаны соотношением

где- сТ - длина волны ускоряющего поля в свободном пространстве. В совр. ускорителях аналогич. распределение ускоряющих полей создаётся в многозазорных резонаторах (рис. 5, а) или в цепочке связанных резонаторов (рис. 5, 6)путём возбуждения в них ВЧ- генераторами стоячих волн с необходимой конфигурацией поля; для них условие резонансного ускорения записывается в более общем виде

где n - целое число, если поля Е в соседних зазорах в фазе, и полуцелое, если эти поля в противофазе. Обычно Длины периодов ускорения и длины трубок дрейфа увеличиваются с ростом скорости частиц. Из-за трудностей создания равномерного и стабильного распределения ускоряющего поля вдоль многозазорного ускорителя длины резонаторов в резонансном Л. у. на стоячих волнах ограничиваются значениями

Равновесная частица с зарядом q при пролёте го периода ускорения приобретает энергию

Здесь Е₀ - амплитуда усреднённого по периоду электрич. поля, - коэф. пролётного времени, учитывающий влияние конечных размеров зазора и канала дрейфовой трубки Если ускоритель содержит N периодов ускорения, то равновесная частица получит общее приращение энергии Благодаря механизму автофазировки равновесная фаза располагается на восходящем участке кривой изменения (во времени) напряжения в зазоре. В этом случае величина поля при пролёте частицей зазора растёт и поле оказывает дефокусирующее действие на пучок. Этот эффект учитывается при расчёте фокусирующей системы, к-рая является одной из основных в ускорителе.

Рис. 5. Типы ускоряющих структур на стоячей волне: а - резонатор с трубками дрейфа 1 и стабилизирующими стержнями 2 (3 - штанги трубок дрейфа); б - резонатор волноводного типа - ускоряющая структура с проводящими шайбами 1 и диафрагмами 2 (3 - штанги крепления шайб).

Хотя в каждом из описанных типов резонансных Л. у. принципиально можно ускорять любые заряж. частицы, обычно на бегущих волнах ускоряются лишь электроны, а для всех тяжёлых частиц, включая протоны, используются, как правило, Л. у. на стоячих волнах. Ускорение протонов и ионов на стоячей волне вызвано рядом причин, главная из к-рых связана с малой скоростью этих частиц (из-за их большой массы) на нач. участке ускорения 0,03-0,4). Реализация ускоряющей структуры, обеспечивающей сильное замедление синхронной с частицей волны, равномерное распределение ускоряющего поля по сечению апертуры и размещение фокусирующих линз, становится возможной лишь при использовании резонаторов, работающих в метровом диапазоне волн (для протонных Л. у. 1,5-2 м, для тяжёлых ионов до 12 м). Поскольку в процессе ускорения b увеличивается, то на последующих участках ускорения рабочую частоту, как правило, повышают (напр., при0,4).

Линейный ускоритель протонов (ЛУП). Идея создания ЛУП была высказана Г. Изингом (G. Ising) и впервые реализована в 1928 Р. Видероэ (R. Wideroe) по схеме, описанной выше (рис. 4). Протонные Л. у. можно разбить на две группы, существенно отличающиеся по схеме построения и характеристикам пучков. К первой группе в осн. относятся ускорители-инжекторы крупных протонных синхротронов. Они характеризуются след. данными: энергия протонов до 200 МэВ, импульсный ток до 100-300 мА, эмиттанс см*мрад, относит. разброс по энергиям ср. ток - от долей до единиц мкА. ЛУП работает в импульсном режиме - длительность импульсов пучка протонов не превышает 100 мкс, частота повторения равна частоте повторения циклов ускорения протонного синхротрона (до 1 импульеа в секунду). Все ускорители этой группы построены на основе ускоряющей структуры, представляющей собой цилиндрич. резонатор, нагруженный трубками дрейфа (рис. 5, а). В резонаторе возбуждается стоячая волна типа Фокусировка пучка осуществляется квадрупольными эл--магн. линзами, размещёнными в трубках дрейфа. Каждый резонатор возбуждается от отдельного лампового многокаскадного усилителя мощности (канал ВЧ-питания) на частоте 150 или 200 МГц. На входы усилителей колебания подаются от общего высокостабильного задающего генератора. Настройку резонаторов в резонанс и стабилизацию амплитуд и фаз ВЧ-полей в резонаторах осуществляют системы автоматич. регулирования. Инжектором служит высоковольтный ускоритель, в к-ром протоны предварительно ускоряются до энергии 500-750 кэВ. Для повышения захвата протонов в режим ускорения на входе ЛУП устанавливается группирователъ клистронного типа. Обычно коэф. захвата равен 0,6-0,8. Темп ускорения протонов лежит в пределах 1-1,2 МэВ на 1 м длины.

Ко второй группе относятся новейшие наиб. крупные Л. у., ускоряющие протонные пучки до энергий в неск. сотен МэВ при больших ср. токах. Один из таких ускорителей работает в Лос-Аламосе (США, энергия 800 МэВ, ср. ток пучка 1 мА), другой сооружается для Академии наук СССР в Москве (энергия 600 МэВ, ср. ток 0,5-1 мА; см. табл. 1). Оба Л. у. являются осн. установками ускорительно-накопит. комплексов физики ср. энергий, носящих назв. "мезонные фабрики". Ускорители рассчитаны на ускорение протонов и отрицат. ионов водорода Н^-(в т. ч. и на их одноврем. ускорение). Построение Л. у. этой группы существенно отличается от построения инжекторов. Для примера опишем схему Л. у. для московской мезонной фабрики. Она состоит из двух частей. В первой части протоны и ионы ускоряются до энергии 100 МэВ в ускорит. канале, состоящем из 5 резонаторов с трубками дрейфа. Эта часть ускорителя работает на частоте=198 МГц и строится аналогично Л. у. первой группы. Дальнейшее ускорение от 100 МэВ до 600 МэВ производится во второй (основной) части ускорит. тракта, состоящей из 28 резонаторов, представляющих собой цепочки сильносвязанных резонаторов (рис. 5, б). Резонаторы на этом участке работают на более высокой частоте f₂=990 МГц, кратной f₁. 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. поля. Ускоритель имеет общий задающий генератор со стабилизиров. частотой. В каждом канале ВЧ-питания включены прецизионные системы автоматич. регулирования, стабилизирующие ускоряющие ВЧ-поля и осуществляющие настройку резонаторов в резонанс. Стабильность ВЧ-полей составляет по амплитуде и по фазе стабильность настройки резонатора По аналогичной схеме построен и Л. у. в Лос-Аламосе.

Табл. 1. -Крупнейшие линейные ускорители протонов

Местонахождение, назначение	Год запуска	Энергия, МэВ	Число резонаторов	Длина, м	Длительность импульса пучка, мкс	Импульгный ток пучка, мА	Средний ток пучка, мА
Серпухов (СССР), инжектор	1967	100	3	80	60	100	ю->
Батейвия (США), инжектор	1970	200	9	150	100	100-300	10-*
Лос-Аламос (США), мезонная фабрика	1972	800	4 + 44	800	500	17	1
Москва (СССР), мезонная фабрика	строится	600	5 + 28	450	100	50	0.5-1

Построение ускорит. тракта из двух частей вызвано след. причинами. На энергии до 100 МэВ мощность наиб. экономно расходуется в резонаторах с трубками дрейфа. С увеличением скорости частиц эффективность этой ускоряющей структуры падает (из-за возрастания ВЧ-потерь в ее стенках), и при энергиях МэВ становится более экономичным применение структуры типа цепочки связанных резонаторов. Переход на эту ускорит. структуру даёт и ещё ряд преимуществ: уменьшаются габариты структуры и её масса. Кроме того, на частоте f₂ в качестве усилителей мощности применяются клистроны, что упрощает систему ВЧ-питания второй части ускорителя и повышает надёжность.

Характерной особенностью ускорителей второй группы является большой ср. ток пучка. Это накладывает жёсткие требования на потери частиц пучка при ускорении. Интегральная величина потерь не должна превышать 0,01% от выходного тока пучка. Для уменьшения потерь предусмотрен ряд мер: на входе производится фильтрация поперечного эмиттанса пучка с целью очищения пучка от ореола; при переходе от первой части ускорит. тракта ко второй шестимерный фазовый объём пучка дополнительно согласовывается с последующим ускорительно-фокусирующим каналом; там же подавляются когерентные колебания частиц в пучке с помощью спец. системы автоматич. регулирования. Управление ускорителем осуществляется от ЭВМ.

Осн. направления дальнейшего развития ЛУП связываются с повышением импульсных и особенно ср. токов пучков. Проектируемые сильноточные ЛУП след. поколения предназначаются для ускорения пучков с током 0,3-1,0 А до энергии порядка 1 ГэВ в непрерывном режиме. В них предполагается применить осн. принципы построения, заложенные в ЛУП для мезонных фабрик. На пути их реализации стоят сложные проблемы, в т. ч. комплексные проблемы обеспечения экономичности, надёжности и радиац. чистоты ускорителя. Снижение потерь пучка до уровня позволило бы обслуживать ускоритель без манипуляторов.

Ведутся разработки сильноточных протонных и ионных источников непрерывного режима с повышенной фазовой плотностью пучков (под фазовой плотностью понимается отношение тока пучка к эмиттансу). Исследуются вопросы резонансного ускорения сильноточных пучков при пониженных энергиях инжекции (ускоряюще-фокусирующие структуры с квадрупольными составляющими ВЧ-полей, малогабаритные резонаторы со сверхпроводящими фокусирующими соленоидами и т. д.). Разработаны конструкции квадрупольных линз на пост. магнитах (сплавы самарий-кобальт). Созданы усилит. клистроны непрерывного режима с выходной мощностью 1 МВт и кпд, равным 70%, и т. п.

Линейный ускоритель электронов (ЛУЭ). В нём используется, как правило, резонансное ускорение на бегущей эл--магн. волне. Существ. преимущество ЛУЭ по сравнению с циклич. ускорителями - почти полное отсутствие излучения электронов вследствие практич. постоянства их скорости по величине и направлению на осн. части ускорителя. Поэтому именно в них целесообразно ускорять электроны вплоть до сверхвысоких энергий. Энергия действующих ЛУЭ лежит в пределах от единиц МэВ до 21,5 ГэВ. В СССР и США рассматриваются проекты линейных ускорителей электронов и позитронов на энергию 150-200 ГэВ для линейных коллайдеров (установок с линейными встречными пучками). Данные крупнейших ЛУЗ представлены в табл. 2.

На схему построения ЛУЭ оказывают влияние особенности динамики электронных пучков, связанные с близостью скорости электронов на осн. части ускорителя к скорости света: изменение энергии электрона не приводит к изменению скорости, а следовательно, не работает механизм автофазировки. Облегчаются требования к фокусировке пучка, т. к., с одной стороны, поперечное кулоновское расталкивание в пучке почти полностью компенсируется магн. притяжением параллельных токов, с другой - случайные поперечные скоростиэлектронов в пучке убывают с ростом их энергии (поперечный импульс постоянен, а масса т растёт). Типовая схема ЛУЭ включает в себя инжектор, группирователь и одну или неск. ускоряющих секций, возбуждаемых от СВЧ-генератора. Рабочая длина волны обычно 3-30 см. Темп ускорения - от неск. единиц до 10-15 МэВ на 1 м. Макс. длина ускоряющей секции зависит от выходной мощности генератора и интенсивности пучка. Кол-во секций и каналов их возбуждения зависит от требуемой энергии пучка. В малых ЛУЭ, широко применяемых для исследований по ядерной физике и для прикладных целей, генераторами служат магнетроны. В ЛУЭ, состоящих из неск. секций, в качестве генераторов используются усилит. клистроны, имеющие общий, стабильный по частоте задающий генератор. Для стабилизации фазы ВЧ-колебаний применяются системы автоматич. регулирования. Фокусировка пучка осуществляется продольными магн. полями, создаваемыми соленоидами. Одно из ограничений, накладываемых на интенсивность пучка электронов, особенно в ЛУЭ на большие энергии, связано с паразитными волнами, возбуждаемыми пучком в диафрагмиров. волноводе и раскачивающими пучок в поперечной плоскости (т. н. эффект обрыва импульса). Для подавления этого эффекта разработан ряд инженерных методов. ЛУЭ могут практически без переделок ускорять также пучки позитронов. Созданы ЛУЭ на стоячей волне (энергия до 20 МэВ, импульсный ток до 0,1 А), к-рые нашли применение в медицине и дефектоскопии.

Табл. 2.-Крупнейшие линейные ускорители электронов

	Местонахождение	Год запуска	Энергия, МэВ	Число ускоряющих секций	Общая длина, м	Длительность импульса, мкс	Импульсный ток пучка, мА	Частота повторения, Гц	Число каналов ВЧ-питания и мощность, МВт	Частота поля, МГц
	Харьков (СССР)	1964	1800	49	240	1.4	24	50	50x20	2797
	Станфорд (США)	1966	21 500	960	3050	1,6	42	360	240x21	2856
	Ок-Ридж (США)	1969	140	4	22,5	0,007	18.5Х103	1000	4x24	1300
	Москва (СССР)	1969	60	6	12	ДО 5, 5	10"	50-900	6x20	1818

* Ведутся работы по повышению энергии ускоренных электронов до 50 ГэВ.

Лит.: Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители. М., 1969; Линейные ускорители ионов, под ред. Б. П. Мурина, т. 1-2, М., 1978; Бахрушин Ю. П., Анацкий А. И., Линейные индукционные ускорители, М., 1978; Капчинский И. М., Теория линейных резонансных ускорителей, М., 1982.

Б. П. Мурин.

   <<      Предметный указатель      >>