Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
59 тормозное и аннигиляционное излучение можно сделать пренебрежимо малым.
Применяются ?-источники в основном для градуировки экспериментальных устройств.
3.1.2. Ускорители заряженных частиц
Для того чтобы с заметной вероятностью наблюдать ядерное взаимодействие частицы с ядром, необходимо ускорить частицу до энергии, достаточной для преодоления силы отталкивания между заряженной частицей и заряженным ядром. Эта энергия по порядку величины равна кулоновскому барьеру, т. е. нескольким мегаэлектронвольтам. Поэтому в ядерной физике при изучении реакций с заряженными частицами используют ускорители с конечной энергией примерно от IjМэв вплоть до энергий около нескольких гигаэлек-тронвольт*. Лишь в тех ускорителях, которые применяются для генерации нейтронов в реакциях с легкими ядрами, заряженные частицы могут иметь энергию существенно ниже 1 Мзв.
Существует много способов классификации ускорителей: по способу ускорения (постоянным или ВЧ-полем), по траектории движения частицы в процессе ускорения (линейные или циклические), по типу ускоряемых частиц (протонный или электронный), по методу удержания частицы на нужной траектории (ускоритель с жесткой или слабой фокусировкой) и т. д. Естественно, что здесь можно привести лишь очень краткое описание некоторых основных типов ускорителей. Хорошим введением к обширной литературе об ускорителях может служить книга Е.Г. Комара «Основы ускорительной техники» [2].
Ускорители прямого действия (электростатические). В таких устройствах ускоряемая частица движется в постоянном во времени электрическом поле, причем в однокаскадных ускорителях (без перезарядки) конечная энергия ускоренных частиц в электронволь-тах равна реально существующему в ускорителе напряжению в вольтах. Типичная машина прямого действия — ускоритель Ван-де-Граафа, в котором высоковольтный потенциал создается на изолированном электроде с помощью движущейся ленты, переносящей заряд от источника к электроду. Электрод заряжается до тех пор, пока не возникнет пробой или пока ток нагрузки не станет равным току, переносимому лентой. Все устройство заключается в стальную камеру высокого давления и различными методами предохраняется от электрического пробоя. В такой машине на ускоряющем электроде достигается потенциал 8—10 Мв.
В последнее время широко применяются тандемные ускорители, в которых энергия ускоренных частиц соответствует удвоенному напряжению на ускоряющем электроде. Удвоение достигается тем,
* Ускорители на большие энергии пока используются только в физике элементарных частиц.
€0 что в процессе ускорения частица меняет свой заряд. Вначале из источника ионов выпускаются отрицательные ионы, которые при движении к положительно заряженному высоковольтному электроду приобретают энергию, соответствующую его потенциалу. Затем внутри электрода, проходя через тонкий слой вещества, они теряют два электрона, превращаясь в положительные ионы, и снова при движении от электрода приобретают еще такую же энергию. Возможны системы с утроением энергии.
Генераторы Ван-де-Граафа — наиболее усовершенствованные и самые распространенные ускорители прямого действия. С их помощью получена основная масса наиболее точных и тонких результатов в физике низких и средних энергий. Основные достоинства таких ускорителей ¦— это возможность плавного изменения энергии пучка ускоренных частиц и малый энергетический разброс в энергии частиц (обычно не превышает 0,01—0,1%).
Хотя в электростатических ускорителях можно ускорять ионы с любым отношением заряда к массе, в том числе и электроны, чаще всего ускоряются протоны и дейтоны. В однокаскадных машинах токи ускоренных протонов достигают сотен микроампер при работе в режиме непрерывного ускорения и десятков миллиампер — в импульсном режиме. В тандемах токи пока значительно меньше из-за трудностей в создании мощных источников отрицательных ионов. В электростатических ускорителях диаметр пучка ускоренных частиц можно сделать существенно меньше 1 см при малом угловом разбросе в пучке.
Циклические ускорители с постоянным во времени магнитным полем. Если изменить траекторию ускоряемой частицы так, чтобы заставить ее проходить многократно один и тот же ускоряющий промежуток, то можно получить частицы с энергиями, значительно большими, чем в электростатических ускорителях, при гораздо меньших ускоряющих напряжениях. Однако в этом случае ускоряющее напряжение должно изменяться во времени, чтобы частица при каждом прохождении ускоряющего промежутка попадала в электрическое поле нужного направления. Период обращения частицы T с зарядом ze в постоянном магнитном поле с напряженностью H зависит только от ее массы M:
T = 2л Mc/(zeH). (3.2)
Круговая частота ускоряющего напряжения должна быть равна zeH/Mc. Эта идея используется в циклических ускорителях, в которых искривление траектории частицы осуществляется магнитным полем. Если магнитное поле постоянно во времени, то траектория ускоряемой частицы представляет развернутую спираль. Ускорение-частиц в таких машинах происходит за счет высокочастотного электрического напряжения (около десятка мегагерц) с амплитудой в десятки и сотни киловольт.
