Ускорители заряженных частиц – установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.
 Место ускорителя в физическом эксперименте. |
Роль ускорителя в современном физическом эксперименте
поясняется рисунком. Коллимированный пучок пробных частиц от ускорителя
направляют на исследуемую тонкую мишень, содержащую, например, ядра какого-либо
химического элемента, и рассеянные мишенью пробные частицы или другие продукты
их взаимодействия с ядрами мишени регистрируют детектором или системой детекторов.
Анализ результатов эксперимента даёт сведения о природе взаимодействия и
структуре исследуемого объекта.
Необходимость использования ускорителей для исследования таких
микрообъектов как атомные ядра и элементарные частицы обусловлена следующим.
Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают малые области пространства
(R < 10-12 см), и проникновение в эти области требует высокой
разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей
взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых,
чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой
или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей
энергии.
Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных
частиц, необходимую, для его изучения. Частицы обладают волновыми свойствами.
Длина волны частицы
зависит от её импульса р и даётся формулой де Бройля
Здесь h – постоянная Планка, а 1 Фм = 10-13 см. Приведённая
формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её
кинетической энергией Е в мегаэлектронвольтах.
В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой”
(посредством, например, дифракции дебройлевских волн), если длина волны
де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т.е. при λ
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками
пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены
ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего
приготовить. В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных
частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения
эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых
коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные
пучки).
Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы,
где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы,
где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных
в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной,
и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются
в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса – линейные
(и прямого действия) и циклические. В линейных ускорителях частицы в процессе
ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той
же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки
(синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль
(циклотроны, микротроны, фазотроны).
Подробнее см. раздел "Ускорители".