Материал: l_02
Каскадный
Каскадный
генератор
генератор
John
Douglas
Cockcroft
(1897-1967)
Нобелевская
премия
по
физике
1951
г
.
–
Дж
.
Кокрофт
и
Э
.
Уолтон
За
пионерскую
работу
по
трансмутации
атомных
ядер
с
помощью
искусственно
ускоренных
атомных
частиц
.
Ernest
Thomas
Sinton
Walton
(1903-1995)
Широко
используемым
ускорителем
прямого
действия
является
электростатический
генератор
(
генератор
Ван
де
Граафа
)
,
в
котором
частицы
или
ионы
ядер
ускоряются
непосредственно
за
счет
одно
-
или
двукратного
(
в
тандемах
)
прохождения
постоянной
разности
потенциалов
V
,
достигающей
20
миллионов
вольт
.
Генератор
Генератор
Ван
Ван
де
де
Граафа
Граафа
Генератор
Генератор
Ван
Ван
де
де
Граафа
Граафа
Основная
проблема
при
создании
высоковольтных
ускорителей
заключается
в
том
,
как
обеспечить
между
двумя
электродами
высокую
разность
потенциалов
и
избежать
при
этом
электрического
пробоя
изолятора
,
разделяющего
электроды
.
Для
этого
электроды
выполняются
в
виде
огромных
шаров
,
что
обеспечивает
минимальную
утечку
заряда
с
поверхности
.
Для
того
,
чтобы
получить
высокую
разность
потенциалов
,
используется
принцип
электростатической
машины
.
Внутри
колонны
из
изолятора
протянута
широкая
лента
из
непроводящего
материала
(
резина
,
шелк
).
В
верхней
и
нижней
частях
установки
расположены
гребенки
с
металлическими
остриями
,
которые
соприкасаются
с
лентой
.
Нижняя
гребенка
соединена
с
выпрямителем
,
дающим
напряжение
несколько
тысяч
вольт
,
верхняя
—
с
внутренней
поверхностью
металлической
сферы
.
При
вращении
ленты
заряд
переносится
с
нижней
гребенки
вверх
и
заряжает
металлическую
сферу
.
Частица
,
имеющая
заряд
Ze
,
приобретает
в
таком
ускорителе
кинетическую
энергию
T
=
ZeV
.
Существенным
преимуществом
ускорителей
прямого
действия
является
непрерывность
,
высокая
интенсивность
и
высокая
стабильность
по
энергии
ускоренного
пучка
(
≈
0.01%).
Ток
пучка
на
ускорителях
Ван
-
де
-
Граафа
может
достигать
нескольких
миллиампер
.
Однако
,
в
таких
ускорителях
трудно
обеспечить
энергию
частиц
больше
40–50
МэВ
для
протонов
.
Циклотрон
Циклотрон
В
1930
году
Э
.
Лоуренс
(
США
)
построил
первый
циклический
ускоритель
–
циклотрон
на
энергию
протонов
1
МэВ
(
его
диаметр
был
25
см
).
Помимо
протонов
он
позволял
получать
дейтроны
с
энергией
до
6
МэВ
.
Схема
устройства
циклотрона
показана
на
рисунке
.
Тяжелые
заряженные
частицы
(
протоны
,
ионы
)
ускоряются
в
циклотроне
переменным
ускоряющим
полем
фиксированной
частоты
,
приложенным
к
ускоряющим
электродам
(
их
два
и
они
называются
дуантами
).
Частицы
с
зарядом
Ze
и
массой
m
движутся
в
постоянном
однородном
магнитном
поле
напряженности
B
,
направленном
перпендикулярно
плоскости
движения
частиц
,
по
раскручивающейся
спирали
.
Радиус
R
траектории
частицы
,
имеющей
скорость
v
,
определяется
формулой
mvc
R
ZeB
=
.
1 –
источник
тяжелых
заряженных
частиц
;
2 –
орбита
ускоряемой
частицы
;
3 –
ускоряющие
электроды
(
дуанты
);
4 –
генератор
ускоряющего
поля
.
Однородное
магнитное
поле
направлено
перпендикулярно
плоскости
рисунка
.
Циклотрон
Циклотрон
В
циклотроне
для
нерелятивистской
(
1
γ
≈
)
частицы
период
обращения
Т
2
2
R
mc
Т
v
ZeB
π
π
=
=
не
зависит
от
энергии
частицы
.
Частицы
попадают
из
инжектора
в
ускорительную
камеру
вблизи
её
центра
и
начинают
вращаться
по
орбите
малого
радиуса
.
В
зазоре
между
дуантами
частицы
ускоряются
импульсным
электрическим
полем
(
внутри
полых
металлических
дуантов
электрического
поля
нет
).
В
результате
энергия
и
радиус
орбиты
возрастают
.
Повторяя
ускорение
электрическим
полем
при
каждом
прохождении
ускоряющего
зазора
между
дуантами
,
энергию
и
радиус
орбиты
доводят
до
максимально
возможных
значений
.
На
последнем
витке
спирали
отклоняющее
электрическое
поле
выводит
пучок
ускоренных
частиц
наружу
.