Увеличение оптическое

Вид материала

Документы

Содержание Рис. 2. Распределение электрич. поля в ус­коряющем зазоре между электродами А и В; F Крупнейшие цикличе­ские резонансные ускорители F — сила действия магн. поля на ч-цу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (F Протонные резонансные линейные ускорители. Крупнейшие линейные ускорители Рис. 8. 1 — Схематич. разрез волновода с диафрагмами; стрелки указывают распреде­ление поля, бегущего вдоль волновода; 2 — ускор Индукционные ускорители Рис. 9. Схематич. разрез бетатрона: 1 — полюсы магнита; 2 — сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 — центр. сердечник; 4 — обмотк

Подобный материал:

• Оптическое оборудование, 171.18kb.
• Хованскова Инна Александровна, 37.43kb.
• Полиграфический словарь, 499.28kb.
• Увеличение продаж – возможно ли это сейчас?, 24.11kb.
• Оптическое оборудование, 440.32kb.
• Машиностроение, 219.74kb.
• Кроэкономической ситуации стало сохранение и увеличение денежных сбережений населения,, 61.54kb.
• Патофизиология регионарного кровообращения и микроциркуляции, 124.19kb.
• Увеличение пенсионного возраста для женщин, 218.59kb.
• Федеральная целевая программа «Жилище» на 2002-2010 годы и входящие в ее состав подпрограммы, 116.2kb.

F действия магн. поля на ч-цу, отклонённую от плоскости орбиты, имеет помимо составляющей F_R обес­печивающей обращение по окружно­сти, составляющую F_z, стремящуюся возвратить ч-цу к плоскости орбиты



Рис. 1. На отклонённую ч-цу 1, находя­щуюся в магн. поле бочкообразной формы, создаваемом полюсными наконечниками 2, действует сила F, имеющая помимо ради­альной составляющей F_R аксиальную со­ставляющую F_z, фокусирующую ч-цу по вертикали.


(рис. 1). Изменение поля по радиусу характеризуют т. н. показателем

спада n=-д(lnB)/д(lnR) . Т. о., для обес­печения фокусировки в аксиальном на­правлении необходимо выполнение ус­ловия n>0, т. е. убывания поля с уве­личением радиуса. Движение в ради­альном направлении определяется со­отношением между силой действия магн. поля eBv/c и центростремит. си­лой mv²/R, соответствующей радиусу R. Для устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила F=eBv/c убывала медленнее, чем mv²/R, т. е. чтобы магн. поле убывало мед­леннее, чем 1/R, что сводится к усло­вию n<1. Для одноврем. устойчивости в радиальном и аксиальном направле­ниях должно выполняться условие:

0<n<1. (5)

При этом ч-цы будут совершать около равновесной орбиты колебания (бетатронные колебания) с частотами

_r =(1-n); _z=n, (6)

меньшими частоты обращения . Фо­кусирующие силы, определяющие эти частоты, ограничены условием (5) для п. Такая фокусировка наз. одно­родной или слабой.

Чтобы усилить аксиальную фокуси­ровку, необходимо резко спадающее по радиусу поле (n<<1). Напротив, для усиления фокусировки по радиусу необходимо резко возрастающее по радиусу поле (n<<-1). Эти требования одновременно невыполнимы, но их можно реализовать поочерёдно. На этом основан принцип з н а к о п е-

792


р е м е н н о й, или сильной фокусировки. Вся орбита раз­бивается на большое число одинаковых периодов, в к-рых устанавливаются магниты, сильно фокусирующие по­переменно то в радиальном, то в акси­альном направлении. При определён­ных соотношениях между параметра­ми такая магн. система может обеспе­чить сильную фокусировку по обоим направлениям. Физически это объяс­няется тем, что в фокусирующих маг­нитах ч-ца оказывается дальше от не­равновесного положения, чем в дефокусирующих, так что действие фоку­сирующих магнитов сильнее. Усиле­ние фокусировки приводит к умень­шению амплитуды колебаний ч-ц под действием разл. раскачивающих фак­торов, что позволяет уменьшить попе­речные размеры вакуумной камеры и магнитов. Однако из-за большой час­тоты колебаний ч-ц появляются многочисл. резонансы: при определ. соот­ношениях между _r и _z возникает резонансная раскачка колебаний. Это заставляет предъявлять жёсткие тре­бования к точности изготовления и расстановки магнитов.

При малых энергиях наряду с магн. фокусировкой применяется электрич. фокусировка с помощью ускоряющего электрич. поля. В обычном ускоряющем зазоре электрич. поле «провисает» внутрь зазора (рис. 2).



Рис. 2. Распределение электрич. поля в ус­коряющем зазоре между электродами А и В; F_x и F_y— продольная и поперечная сос­тавляющие силы F, действующей на ч-цу.


Поэтому в пер­вой части зазора оно прижимает ч-цу к оси зазора (фокусирует), а во вто­рой — отклоняет от оси (дефокусирует). Поскольку ч-ца, ускоряясь, пролетает вторую часть зазора быст­рее, чем первую, то фокусирующее действие оказывается преобладающим. Т. н. электростатич. фокусировка, ос­нованная на изменении скорости ч-ц (см. Электронная оптика), эффективна лишь при малых скоростях ч-ц, по­этому её применение в У. ограничено. Но при переменном во времени элек­трич. поле имеет место и электродинамич. фокусировка, если во время про­лёта ч-цей зазора поле убывает. Наобо­рот, если ч-ца пролетает зазор в момент нарастания поля, то зазор оказывает дефокусирующее действие. К элект­рич. полям также применим принцип знакопеременной фокусировки. Ис­пользуя электроды сложной формы, можно попеременно фокусировать и дефокусировать ч-цы или же можно менять от зазора к зазору знак равно­весной фазы (в последнем случае фазировка тоже получается знакопере­менной). Такие системы имеют пока ограниченное применение.

Фокусировке препятствует взаим­ное расталкивание ускоряемых ч-ц, к-рое начинает ощущаться при боль­ших интенсивностях пучков. В раз­личных У. вз-ствие заряж. ч-ц сказы­вается по-разному, но обычно именно оно определяет предельно достижимую интенсивность пучка.

В циклич. У. с однородным по ази­муту магн. полем растёт с увели­чением энергии ч-цы быстрее, чем её скорость v, так что, в соответствии с (2), период обращения растёт с увеличе­нием энергии, и устойчива фаза +₀ на кривой напряжения. В У. со знакопе­ременной фокусировкой зависимость от энергии значительно слабее, поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с рос­том энергии (v растёт быстрее, чем ), а при больших энергиях уве­личивается с ростом энергии ( растёт быстрее, чем скорость v, огра­ниченная скоростью света с). В таких У. сначала устойчива фаза —₀, а затем фаза +₀.

Синхрофазотрон —циклич. резонанс­ный У. протонов (или ионов), в к-ром меняются во времени и магн. поле , и частота _у электрич. уско­ряющего поля, причём так, что радиус равновесной орбиты остаётся постоян­ным. Для этого между _у и <В> должно выполняться соотношение:



где ξ₀=m₀c²— энергия покоя эл-на. Согласно (7), _у растёт с ростом магн. поля, асимптотически приближаясь к предельному значению qc/, соот­ветствующему движению ч-цы со ско­ростью света. Т.к. радиус равновес­ной орбиты постоянен, магнит синхро­фазотрона имеет вид сравнительно уз­кого кольца. В синхрофазотронах до­стигнута макс. энергия ускоренных ч-ц. До 1972 самым большим У. протонов в мире был Серпуховский синхрофазотрон (76 ГэВ). К 1980 макс. энергия достигла 500 ГэВ (Батейвия), проектируются синхрофазотроны на неск. тысяч ГэВ (табл. 1). Предельная достижимая энергия ограничена в первую очередь технико-экономич. ус­ловиями (размеры установки и её стоимость). Миним. энергия, для полу­чения к-рой применяют синхрофазо­троны, ~1 ГэВ, для меньших энергий целесообразнее фазотроны (см. ниже). Синхрофазотроны на очень большие энергии построены по многоступенча­тому принципу: линейный ускоритель (инжектор) впускает ч-цы в ма­лый синхрофазотрон (бустер), там они ускоряются до промежуточной энергии и вводятся в большой син­хрофазотрон, где доводятся до макс. энергии. Такая система позволяет повысить эффективность У. и сделать конструкцию более оптимальной. В синхрофазотронах меньших энергий впуск (инжекция) ч-ц производится непосредственно из линейного уско­рителя.

Табл. 1. КРУПНЕЙШИЕ ЦИКЛИЧЕ­СКИЕ РЕЗОНАНСНЫЕ УСКОРИТЕЛИ



В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магн. система представляет собой кольцевой электромагнит, обычно разбитый на неск. секторов с промежутками между ними. В процессе ускорения за счёт изменения тока в обмотках электро­магнита магн. поле между его полю­сами увеличивается от значения, соот­ветствующего энергии инжекции, до макс. значения, соответствующего ко­нечной энергии. Форма полюсов маг­нита подбирается так, чтобы обеспе­чить слабое спадание поля по радиусу в соответствии с условием (5). Ч-цы ус­коряются в вакуумной камере, пред­ставляющей собой замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равно­весной орбиты. Промежутки между магн. секторами используются для размещения системы ввода ч-ц, уско­ряющих устройств, вакуумных насо­сов, систем наблюдения за пучком и др. Ввод ч-ц производится обычно импульс­ным отклоняющим устройством, элек­трич. или магн. поле к-рого направля­ет впускаемые ч-цы вдоль орбиты. Ус­коряющие устройства создают пере­менное электрич. поле, частота к-рого должна меняться в строгом соответст­вии с изменением магн. поля, согласно (7). Требуемая высокая точность вос­произведения обычно обеспечивается

793


автоматич. системой слежения за по­ложением пучка: сигнал об отклоне­нии пучка от равновесного положения используется для коррекции частоты ускоряющего поля. Под действием ускоряющего поля ч-цы группируются в камере в неск. сгустков, расположен­ных около устойчивых равновесных фаз, число к-рых равно кратности час­тоты. В процессе ускорения сгустки сжимаются всё теснее к равновесной фазе. Одновременно уменьшаются и поперечные размеры пучка. Ускорен­ный пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутр. мишень), либо выводится из У. отклоняющим устройством того же типа, что и ввод­ное, но более мощным (из-за большой энергии ч-ц).

Синхрофазотрон с силь­ной фокусировкой отличает­ся от описанного прежде всего устрой­ством магн. системы, состоящей из большого числа магнитов (рис. 3), в к-рых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магн. поля по радиусу, т. е. обеспечивающей силь­ную знакопеременную фокусировку.



Рис. 3. Схема расположения магнитов в сильнофокусирующем ускорителе: Д — маг­ниты, дефокусирующие по радиусу (n>>1), Ф — фокусирующие по радиусу (n<<-1); пунктирная кривая — орбита неотклонён­ной ч-цы (равновесная орбита), сплошная кривая — орбита отклонённой ч-цы.



Рис. 4. Схематич. разрез магнита синхро­фазотрона с сильной фокусировкой; полюс­ные наконечники 2, возбуждаемые токовыми обмотками 2, создают быстро спадающее по радиусу магн. поле В в области расположе­ния вакуумной камеры 3.


Каждый магнит осуществляет 2 функ­ции — заворачивает ч-цы по орбите и фокусирует их (магн. структура с со­вмещёнными функциями; рис. 4). При­меняется также магн. структура с разделёнными функциями, в к-рой фокусировка осуществляется квадрупольными линзами (рис. 5), располо­женными в промежутках между заво­рачивающими магнитами.

Др. отличие У. с сильной фокуси­ровкой — существование т. н. крити­ческой или переходной энергии ξ_кр. При энергии ξ<ξ_кр устойчивая равновесная фаза расположена на восхо­дящей части кривой напряжения (фа­за -₀), а при энергии больше крити­ческой — на нисходящей (фаза +₀).



Рис. 5. Поле магн. квадрупольной линзы: N и S — северные и южные полюсы маг­нита; F — сила действия магн. поля на ч-цу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (F=0 в центре О).


При прохождении критич. энергии фа­за колебаний ускоряющего поля быст­ро смещается на 2₀, чтобы ч-цы, к-рые до критической энергии сгруппиро­вались вблизи фазы -₀, оказались в окрестности новой устойчивой фазы

+₀.

Синхротрон — циклич. резонансный У., в к-ром частота ускоряющего поля постоянна, а меняется во времени лишь магн. поле; применяется для ус­корения релятив. эл-нов. Т. к. их скорость практически равна с незави­симо от энергии, то радиус равновес­ной орбиты почти не меняется. Поэто­му в синхротроне, как и в синхрофазо­троне, магнит имеет вид кольца. Как слабо, так и сильно фокусирующий синхротрон конструктивно весьма схож с синхрофазотроном. Релятив. эл-ны, движущиеся в синхротроне по круговым орбитам, явл. источником интенсивного эл.-магн. излучения (см. Синхротронное излучение). Излучае­мая электроном за один оборот энергия:



очень быстро растёт с энергией ч-ц и в больших У. становится сравнимой (и даже больше) с энергией, набирае­мой ч-цей за один оборот. Излучение сказывается и на колебаниях ч-ц около равновесной орбиты: потеря энергии приводит к затуханию колебаний, а квантовый, дискр. хар-р излучения — к их раскачке. Трудности создания мощных ускоряющих устройств, ком­пенсирующих потери на излучение, ог­раничивают предельно достижимые энергии. В синхротронах достигнуты макс. энергии ~5 —10 ГэВ (табл. 1), хотя существуют проекты и на 100—150 ГэВ. В крупных синхротронах, как и в синхрофазотронах, применяет­ся инжекция извне, в меньших — бетатронная инжекция: У. работает как бетатрон (см. ниже) до достижения ре­лятив. энергий, а потом переходит на синхротронный режим.

Фазотрон (синхроциклотрон, цикло­трон с вариацией частоты) — циклич. резонансный У., в к-ром магн. поле постоянно во времени, а уменьшается частота ускоряющего поля _у; приме­няется для ускорения тяжёлых ч-ц (протонов, ионов). Макс. энергия про­тонов ~1 ГэВ. В фазотроне ч-цы дви­жутся по спирали от центра, где рас­положен ионный источник (газовый разряд) к периферии вакуумной каме­ры, приобретая энергию при много­кратном прохождении ускоряющего зазора (рис. 6). Из-за спирального хар-ра орбит магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магн. система весьма громоздка. Именно по­этому при энергиях выше 1 ГэВ пред­почтительнее синхрофазотрон, хотя он и уступает по интенсивности уско­ренного пучка фазотрону. В фазотро­нах с однородным по азимуту магн. полем фокусировка по вертикали очень




Рис. 6. Схема движения ч-ц в фазотроне и циклотроне (магн. поле перпендикулярно плоскости чертежа): 1 — ионный источник; 2 — спиральная орбита ускоряемой ч-цы; 3 — ускоряющие электроды; 4 — выводное устройство; 5 — источник ускоряющего поля.


слабая (n<<1). Для её увеличения часто используют знакопеременную фокуси­ровку, т. е. вводят модуляцию магн. поля по азимуту (секторный фазотрон).

Описанные три типа циклич. резо­нансных У., основанных на механизме автофазировки, работают в импульс­ном режиме: группа захваченных в синхротронный (резонансный) режим ч-ц повышает свою энергию до макси­мальной по мере надлежащего изме­нения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магн. поля, после чего ч-цы используются внутри или вне У. Затем параметры У. возвращаются к исходным значениям и начинается но­вый цикл ускорения. Длительность цикла ускорения в синхротронах и фа­зотронах порядка 10^-2 с, в синхрофа­зотронах — неск. с.

Циклотрон — циклич. резонансный У. тяжёлых ч-ц, в к-ром и магн. поле, и частота ускоряющего электрич. поля постоянны во времени. В отличие от описанных выше У. он работает в не­прерывном режиме и поэтому обладает

794


преимуществом по интенсивности ус­коренного пучка. Конструктивно весь­ма схож с фазотроном. Т. к. и _у, и В постоянны во времени, а энергия рас­тёт, то в циклотроне с азимутальносимметричным полем, в к-ром поле должно спадать по радиусу, как сле­дует из условия фокусировки (5), резо­нансное ускорение возможно лишь при нерелятив. энергиях, пока не сказы­вается релятив. возрастание массы ч-цы. Это и определяет предел дости­жимых энергий (для протонов ~10—20 МэВ при очень больших напряже­ниях на ускоряющих электродах). В центр. области циклотрона аксиаль­ная фокусировка магн. полем очень слаба (n0), но там из-за малых ско­ростей частиц сказывается фо­кусировка электрическим полем (см. выше).

Знакопеременная фокусировка магн. полем позволяет добиться устойчивого ускорения до релятив. скоростей, обеспечивая точный резонанс за счёт роста ср. магн. поля по радиусу. Такой циклотрон наз. изохронным. Обладая характерной для циклотрона большой интенсивностью пучка, он способен ускорять протоны до энергий ~1000 МэВ.

Микротрон (электронный цикло­трон) — циклич. У. эл-нов, в к-ром постоянны во времени и B, и _у, а условие резонанса для релятив. ч-ц сохраняется за счёт изменения крат­ности частоты q от оборота к обороту. Так, напр., если начальная энергия эл-на и прирост его энергии при про­хождении ускоряющего зазора подоб­раны так, что первый оборот прохо­дится за один период ускоряющего поля (q=1), второй — за два (q=2), третий — за три (q=3) и т. д., то ч-цы будут попадать в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что ч-цы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. Однородное магн. поле, необходимое для выпол­нения условия резонанса, не фокуси­рует в аксиальном направлении; эта фокусировка осуществляется элект­рич. полем ускоряющего резонатора. Варианты микротрона с меняющимся по азимуту полем (секторный микротрон) пока не получили развития. Микротрон — У. непрерыв­ного действия, он позволяет получить токи до 100 мА при энергии эл-нов ~30 МэВ.

Протонные резонансные линейные ускорители. Ускорение протонов до энергий ~200 МэВ производится обыч­но в объёмном резонаторе с т. н. дрей­фовыми трубками (схема Альвареса). В цилиндрич. резонаторе создаётся перем. электрич. поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые ч-цы пролетают систему дрейфовых трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению ч-ц. Когда же оно направ­лено в обратную сторону, ч-цы находятся внутри трубок, куда поле не проникает (рис. 7). Механизм автофа­зировки обеспечивает ускорение всех ч-ц, попавших внутрь области захвата вблизи резонансной фазы. В линейном У. время прохождения расстояний между ускоряющими зазорами умень­шается с ростом энергии, так что ус­тойчивая равновесная фаза отрицательна (-₀), т. е. находится на участ­ке, где поле растёт.



Рис. 7. Схематич. разрез резонатора (1) ли­нейного резонансного ускорителя с дрейфо­выми трубками (г). Вблизи оси электрич. поле IS сосредоточено лишь в зазорах между трубками.


Поэтому электрич. поле оказывается дефокусирующим и нужны спец. меры для обеспечения фо­кусировки. При малых энергиях при­менима т. н. фольговая или сеточная фокусировка: входы дрейфовых трубок перекрываются фольгой или сетками, так что дефокусирующая часть элект­рич. поля почти полностью исчезает. Для больших энергий наиб. распро­странена знакопеременная фокусиров­ка с помощью магн. квадрупольных линз, фокусирующих попеременно то в одной, то в др. плоскости (на равно­весной прямой траектории магн. поле должно отсутствовать). Возможна так­же фокусировка продольным полем, не дающим ч-цам отклоняться далеко от оси.

Преимущества линейных У. над циклическими — отсутствие громозд­кой магн. системы, простота ввода и вывода ч-ц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стои­мость радиотехнич. системы линейных У. протонов и трудности фокусировки ограничивают их возможности. Они применяются гл. обр. как инжекторы на энергии до 200 МэВ для циклич. У. (см. выше). Для ускорения при боль­ших энергиях схема Альвареса стано­вится неоптимальной. Здесь предпоч­тительнее система связанных резона­торов спец. формы или же волноводная система с диафрагмами (как в линей­ных электронных У.; см. ниже). По­этому совр. линейные У. протонов на большую энергию состоят из двух сту­пеней различной радиотехнич. струк­туры. Так, напр., реализован У. в Лос-Аламосе (США) на 800 МэВ, даю­щий ср. ток 500 мкА. По такой же схеме сооружается У. на 600 МэВ в СССР. Эти У., предназначенные для физ. экспериментов с интенсивными мезонными пучками, наз. также мезонными фабриками, или мезонными генераторами (табл. 2).

Табл. 2. КРУПНЕЙШИЕ ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ



Электронные резонансные линейные ускорители обладают существенным преимуществом над циклическими: в них эл-ны почти не излучают вследст­вие практического постоянства их скорости.

Предельная энергия эл-нов в совр. линейных резонансных У. (~20 ГэВ) обусловлена гл. обр. экономич. соображениями и может быть увеличена.



Рис. 8. 1 — Схематич. разрез волновода с диафрагмами; стрелки указывают распреде­ление поля, бегущего вдоль волновода; 2 — ускоряемый сгусток эл-нов.


В линейных электронных У. ч-цы дви­жутся с самого начала почти со ско­ростью света с. Поэтому наиб. выгод­ной ускоряющей системой явл. диафрагмиров. радиоволновод с бегущей волной (рис. 8). Размеры диафрагм (по­перечных перегородок) подбираются так, чтобы скорость бегущей волны равнялась с, т. е. чтобы волна двига­лась в резонанс с эл-нами. Близость скорости эл-нов к с приводит к особен­ностям в движении эл-нов. Механизм автофазировки отсутствует, т. к. ско­рость ч-ц не зависит от энергии. Фоку­сировка в поперечном направлении также часто оказывается ненужной, т. к. релятив. возрастание массы само приводит (благодаря сохранению по­перечного импульса mv) к убыванию поперечных скоростей эл-нов. Кулоновское расталкивание эл-нов в элек­тронных У. значительно ослабляется магн. притяжением параллельных то­ков. Ускоряемые сгустки эл-нов могут,

795


однако, возбуждать паразитные волны в волноводе, раскачивающие пучок и приводящие к неустойчивости. В больших У. этот эффект ограничи­вает интенсивность пучка, однако най­дены инженерные методы его подав­ления.

Индукционные ускорители сущест­вуют двух типов — циклич. индукц. У. эл-нов (бетатрон) и линейный индукц. У. В бетатроне ускоряемые эл-ны удерживаются магн. полем на кольцевой орбите, а ускорение произ­водится вихревым электрич. полем, индуцируемым переменным магн. по­током, проходящим через сердечник (центр. часть магнита, рис. 9).



Рис. 9. Схематич. разрез бетатрона: 1 — полюсы магнита; 2 — сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 — центр. сердечник; 4 — обмотки электромагнита; 5 — ярмо маг­нита.


Для постоянства радиуса равновесной ор­биты между скоростями изменения управляющего поля на орбите B_орб и ср. поля внутри орбиты