Просмотр кода страницы Ускоритель заряженных частиц

[[Файл:Fermilab.jpg|thumb|250px|Вид на ускорительный центр [[Fermilab]], [[США]]. [[Тэватрон]] (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор]]
'''Ускори́тель заря́женных части́ц''' — класс устройств для получения [[Электрический заряд|заряженных]] частиц ([[элементарная частица|элементарных частиц]], [[ион]]ов) высоких энергий.  Самые крупные ускорители являются дорогостоящими комплексами, требующими международного сотрудничества. К примеру, [[Большой адронный коллайдер]] (БАК) в [[ЦЕРН]], представляющий собой кольцо длиной почти в 27 километров, является результатом работы десятков тысяч учёных из более чем ста стран. БАК сделал возможным столкновения [[протон]]ов с суммарной энергией 13 [[ТэВ]] в [[центр масс|системе центра масс]] налетающих частиц, что является мировым рекордом<ref>{{cite news|url=https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-32809636|title=LHC smashes energy record with test collisions|date=2015-05-21|last1=Webb|first1=Jonathan|archive-date=2015-09-08|archive-url=https://web.archive.org/web/20150908070017/http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-32809636|access-date=2021-12-25}}</ref>.

Ускоренные частицы сравнительно низких энергий применяют для получения изображения на экране телевизора или [[электронный микроскоп|электронного микроскопа]], получения [[рентгеновские лучи|рентгеновских лучей]] ([[электронно-лучевые трубки]]), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении же заряженных частиц до энергий свыше 1 [[мегаэлектронвольт]] (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, [[атомное ядро|атомных ядер]]) и природы [[фундаментальные силы|фундаментальных сил]]. В ряде установок, называемых [[коллайдер]]ами, для увеличения эффективности использования энергии частиц их пучки сталкиваются (встречные пучки)<ref>{{Cite web |url=http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e170.htm |title=Ускорители заряженных частиц |access-date=2021-12-25 |archive-date=2021-12-25 |archive-url=https://web.archive.org/web/20211225221758/http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e170.htm |url-status=live }}</ref>. 

Работа ускорителя основана на взаимодействии заряженных частиц с [[Электрическое поле|электрическим]] и [[Магнитное поле|магнитным]] полями. Электрическое поле способно совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая [[Сила Лоренца|силу Лоренца]], только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это ''линейные ускорители'', где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и ''циклические ускорители'', в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: [[коллайдер]]ы, источники [[нейтрон]]ов, бустеры, источники [[Синхротронное излучение|синхротронного излучения]], установки для терапии [[Карцинома|рака]], [[Промышленный ускоритель|промышленные ускорители]].

== Конструкции ускорителей ==
[[Файл:Az első magyar gyorsító Van de Graaff-generátora(2).jpg|thumb|[[Генератор Ван де Граафа]] для первого в [[Венгрия|Венгрии]] линейного ускорителя. На нём было получено напряжение 1 МВ в 1952 году]]
[[Файл:Aust.-Synchrotron,-Linac,-14.06.2007.jpg|thumb|Линейный ускоритель электронов для [[Австралийский синхротрон|Австралийского синхротрона]]]]
[[Файл:Lineaer accelerator ru.svg|thumb|Схема устройства линейного ускорителя частиц]]

=== Линейные ускорители ===

==== Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия) ====
{{main|Высоковольтный ускоритель}}
Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким [[КПД]] (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих [[высокое напряжение]]:
* '''Ускоритель Ван де Граафа'''. Ускоряющее напряжение создаётся [[генератор Ван де Граафа|генератором Ван де Граафа]], основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях ([[пеллетрон]]ах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.
* '''Каскадный ускоритель'''. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, [[Генератор Кокрофта — Уолтона|генератором Кокрофта-Уолтона]], который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.)
* '''Трансформаторный ускоритель'''. Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.
* '''Импульсный ускоритель'''. Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

==== Линейный индукционный ускоритель ====
Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

==== Линейный резонансный ускоритель ====
Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем [[Объёмный резонатор|высокочастотных резонаторов]]. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых [[эмиттанс]]ов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.

=== Циклические ускорители ===

==== Бетатрон ====
{{main|Бетатрон}}
Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в [[Сверхпроводимость|несверхпроводящих]] машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Впервые бетатрон был разработан и создан [[Видероэ, Рольф|Рольфом Видероэ]] в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан [[Керст, Дональд Вильям|Дональдом Керстом]] лишь в 1940–1941 годах в США.

==== Циклотрон ====
{{main|Циклотрон}}
[[Файл:Принципиальная схема циклотрона.svg|thumb|Устройство циклотрона. 1 — место поступления частиц, 2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 — источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка]]

В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. ''[[дуант]]ов'', к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является ''резонансным ускорителем''. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.

Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1930 году [[Лоуренс, Эрнест Орландо|Лоуренсом]] и [[Ливингстон, Милтон Стэнли|Ливингстоном]], за что первому была присуждена [[Нобелевская премия по физике|Нобелевская премия]] в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.

==== Микротрон ====
{{main|Микротрон}}
Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

==== FFAG ====
{{main|FFAG}}
Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.

==== Фазотрон (синхроциклотрон) ====
{{main|Фазотрон}}
Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт [[принцип автофазировки|автофазировки]], поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.

==== Синхрофазотрон ====
{{main|Синхрофазотрон}}
Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.

[[Файл:BEP 900 MeV booster of electrons and positrons.jpg|thumb|Небольшой 900 МэВ синхротрон — бустер электронов и позитронов БЭП в [[Институт ядерной физики СО РАН|ИЯФ СО РАН]], [[Новосибирск]]]]

==== Синхротрон ====
{{main|Синхротрон}}
Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.

==== Ускоритель-рекуператор ====
По существу — это линак, но пучок после использования не сбрасывается, а направляется в [[Объёмный резонатор|ускоряющую структуру]] в «неправильной» фазе и замедляется, отдавая обратно энергию. Кроме того, бывают многопроходные ускорители-рекуператоры, где пучок, по принципу микротрона, совершает несколько проходов через [[Объёмный резонатор|ускоряющую структуру]] (возможно — по разным дорожкам), сперва набирая энергию, потом её возвращая.

== Ускорители по назначению ==

=== Лазер на свободных электронах ===
{{main|Лазер на свободных электронах}}
Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.

=== Коллайдер ===
{{main|Коллайдер}}
Ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

== Применение ==
* [[Физика элементарных частиц|Научные исследования]]
* [[Стерилизация (микробиология)|Стерилизация]] пищевых продуктов, медицинского инструмента
* [[Медицина]] (лечение [[Радиотерапия|онкологических заболеваний]], [[радиодиагностика]])
* Производство [[транзистор|полупроводниковых]] устройств ([[инжекция]] [[Примесь (химия)|примесей]])
* [[Радиационная дефектоскопия]]
* [[Радиационное сшивание полимеров]]
* [[Радиационная очистка топочных газов и сточных вод]]

== См. также ==
* [[Список ускорителей частиц]]
* [[Ускорительно-накопительный комплекс]]
* [[Сильноточный импульсный ионный ускоритель]]
* [[Нуклотрон]]

== Литература ==
* {{БРЭ|автор=Сидорин А. О.|статья=Ускорители заряженных частиц|ссылка=https://old.bigenc.ru/physics/text/4702177|архив=https://web.archive.org/web/20221021043959/https://bigenc.ru/physics/text/4702177|архив дата=2022-10-21}}
* Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И. Индукционный ускоритель электронов — бетатрон. [[Госатомиздат]], 1961.
* Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: [[Физматгиз]], 1962.
* A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
* {{книга|автор= Бабат Г. И.|заглавие= Ускорители|место= [М.]|издательство= Мол. гвардия|год= 1957|страниц= 80|тираж=50000}}
* {{книга
|автор= Ратнер, Б. С.
|заглавие=Ускорители заряженных частиц
|ссылка = 
|место={{М.}}
|издательство=Наука
|год=1966
|страниц=151
|isbn=
}}
* {{книга
|автор=  Комар, Е. Г.
|заглавие=Ускорители заряженных частиц
|ссылка = 
|место={{М.}}
|издательство=Атомиздат
|год=1964
|страниц=388
|isbn=
}}
* {{книга
|автор= Ливингстон, М. Стенли
|заглавие=Ускорители. Установки для получения заряженных частиц больших энергий
|ссылка = 
|место={{М.}}
|издательство=Изд-во иностр. лит.
|год=1956
|страниц=148
|isbn=
}}
* {{книга
|автор=Быстров Ю. А., Иванов С. А. 
|заглавие=Ускорительная техника и рентгеновские приборы
|ссылка = 
|место={{М.}}
|издательство=Высшая школа
|год=1983
|страниц= 288
|isbn=
}}
* {{БМЭ3|название=Ускорители заряженных частиц|ссылка=https://бмэ.орг/index.php/УСКОРИТЕЛИ_ЗАРЯЖЕННЫХ_ЧАСТИЦ|том=26|соавторы=Жулинский С. Ф., Пархоменко Г. М.}}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. [http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/ Эксперимент]
{{вс}}
{{Типы ускорителей заряженных частиц}}

[[Категория:Электродинамика]]
[[Категория:Ускорители частиц| ]]
[[Категория:Физика ускорителей]]
[[Категория:Вакуумные электронные приборы]]
[[Категория:Частицы (физика)]]