УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА, киносъёмка с частотой, повышенной относительно обычной частоты кинопроекции (в проф. кинематографе 24 кадр/сек); к категории ускоренной относят съёмку с частотой до 64 кадр/сек. При демонстрации фильма, снятого методом У. к., возникает эффект замедления движения, что даёт зрителю возможность лучше различать фазы наблюдаемых на экране явлений и процессов. К У. к. прибегают также при съёмке с рук, из движущегося автомобиля, с лодки или катера и т. п.; в этом случае изображение на экране становится более устойчивым (не "прыгает"). У. к. производят, как правило, с использованием обычной проф. или любительской киносъёмочной аппаратуры с расширенным диапазоном частот съёмки. Лит.: Голдовский Е. М., Введение в кинотехнику, М., 1974.

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

Содержание:

I. История развития ускорителей

II. Классификация ускорителей

III. Принцип действия резонансных ускорителей

IV. Основные типы современных ускорителей

А. Циклические ускорители

Б. Линейные ускорители

У. з. ч.- устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрич. поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрич. зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрич. поле создаётся внеш. устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения наз. коллективным (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У. з. ч. следует отличать от плазменных ускорителей, в к-рых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

У. з. ч.- один из осн. инструментов совр. физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение У. з. ч. различных диапазонов энергий в металлургии - для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной пром-сти - для быстрой высококачеств. обработки изделий, в пищевой пром-сти - для стерилизации продуктов, в медицине - для лучевой терапии, для "бескровной хирургии" и в ряде др. отраслей.

I. История развития ускорителей

Толчком к развитию У. з. ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале естеств. источники заряженных частиц - радиоактивные элементы - были ограничены как по интенсивности, так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусств. превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока а-частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.

В начальный период (1919-32) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредств. ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами,- расщепление ядра лития протонами.

Период 1931-44 - время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при к-ром ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклич. ускорители - циклотроны (Э. О. Лоуренс)- вскоре обогнали в своём развитии электростатич. ускорители. К концу периода на циклотронах была достигнута энергия протонов порядка 10-20 Мэв. Резонансное ускорение возможно и в линейных ускорителях. Однако линейные резонансные ускорители не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик Д. У. Керст реализовал циклич. индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идея к-рого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928).

Разработка ускорителей совр. типа началась с 1944, когда сов. физик В.Н.Векслер и независимо от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных ускорителей - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц.

В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, X. Снайдер, 1952), существенно повысивший технич. предел достижимых энергий в циклич. и линейных У. з. ч. В 1956 Векслер опубликовал работу, в к-рой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.

Последующие два десятилетия можно назвать годами реализации этих идей и технич. усовершенствования У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные резонансные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен самый крупный для того времени синхрофазотрон - на энергию 10 Гэв. Через несколько лет в Швейцарии и США вступили в строй синхрофазотроны с сильной фокусировкой на 25- 30 Гэв, а в 1967 в СССР под Серпуховом - синхрофазотрон на 76 Гэв, к-рый в течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 в США был создан синхрофазотрон на 200-400 Гэв. В СССР и США разрабатываются проекты ускорителей на 1000-5000 Гэв.

Совр. развитие ускорителей идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиц. методы: исследуются возможности применения сверхпрово-дящих материалов (и соответствующей им техники низких темп-р) в магнитах и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетич. расходы; расширяется область применения методов автоматич. управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия во встречных пучках (см. Ускорители на встречных пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.

II. Классификация ускорителей

У. з. ч. можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов.

По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в к-рых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в к-рых траектории частиц близки к окружности (или спирали).

По характеру ускоряющего поля У. з. ч. делят на резонансные ускорители, в к-рых ускорение производится переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в к-рых направление поля за время ускорения не изменяется. Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в к-рых электрич. ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в к-рых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.

По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикудярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в к-рых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в к-рых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к нек-рым типам циклич. ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо терминов "однородная" и "знакопеременная" фокусировка пользуются терминами "слабая" и "сильная" ("жёсткая") фокусировка.

Резонансные циклич. ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего - "ведущего" - магнитного поля и ускоряющего электрич. поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация (табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.

III. Принцип действия резонансных ускорителей

В резонансном ускорителе непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды частица всё время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрич. поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная, частица всё время попадает в одну и ту же фазу - равновесную фазу.

В циклич. ускорителе период обращения Т частицы по орбите связан со ср. радиусом <R> орбиты соотношением:

(1)

(v - скорость частицы). Ср. радиус орбиты равен

(2)

где Е = тс2 - полная релятивистская энергия частицы массы т, равная сумме энергии покоя частицы Е0 = m0с2 и её кинетич. энергии W (m0 - масса покоя частицы, с - скорость света), е - заряд частицы, <В> - среднее значение индукции магнитного поля; поэтому период обращения связан с энергией частицы соотношением:

Для равновесной частицы период обращения равен или кратен периоду Ту ускоряющего поля. Фиксированным значениям периода обращения и индукции магнитного поля соответствуют вполне определённые равновесная энергия частицы и равновесный радиус её орбиты. Равновесная частица набирает за оборот энергию eV0cosф0, где ф0 - равновесная фаза, т. е. фаза поля, действующего на равновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a Vo - амплитуда напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетич. энергии Wмакс частица должна совершить N = Wмакс/eV0сosф0оборотов. В циклич. ускорителях длина пути, проходимого частицей, достигает десятков и сотен тысяч км. При столь большой длине пути для успешной работы ускорителя необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения: небольшие отклонения частицы по фазе, по энергии, по радиусу и по вертикали, а также небольшие начальные скорости в направлениях, перпендикулярных орбите, не должны приводить к сильному отклонению частицы от равновесной орбиты - частица должна совершать колебат. движение около равновесной частицы. Обеспечение устойчивости движения частицы в направлениях, перпендикулярных орбите (по радиусу и по вертикали), наз. фокусировкой, а в направлении орбиты - фазировкой.

В линейном ускорителе протонов (с ускоряющими зазорами) для равновесной частицы время пролёта Т = L/v между соседними ускоряющими зазорами (L - расстояние между центрами зазоров, v - скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Ту = Ч/с, где Ч - длина волны электромагнитного поля. Энергия Wмакс набирается при прохождении N = Wмакс/еV0cosф0 ускоряющих зазоров, что определяет требуемую длину ускорителя. Длины совр. линейных ускорителей для протонов достигают сотен м. Поэтому и здесь вопрос устойчивости движения, т. е. обеспечения фокусировки и фазировки, является актуальным.

Для того чтобы рассеяние на ядрах атомов газа не приводило к сильному уходу частиц от равновесной траектории и их выпаданию из процесса ускорения, область вокруг равновесной траектории охватывается вакуумной камерой, в к-рой спец. насосами создаётся достаточно сильное разрежение.

Фазировка в резонансных ускорителях обеспечивается механизмом автофази-

Табл. 1. - Классификация ускорителей заряженных частиц

Тип траектории

Характер ускоряющего поля

Магнитное поле

Частота ускоряющего поля

Фокусировка

Название

Циклические ускорители

Окружность или спираль

Нерезонансный, индукционный

Переменное

-

Однородная

Бетатрон

Резонансный

Постоянное

Постоянная

Циклотрон Микротрон

Протоны (или ионы) Электроны

Знакопеременная

Изохронный циклотрон Секторный микротрон

Протоны Электроны

Переменная

Однородная Знакопеременная

Фазотрон Секторный фазотрон

Протоны

Переменное

Постоянная

Однородная

Знакопеременная

Синхротрон слабофокусирующий Синхротрон сильнофокусирующий

Электроны

Переменная

Однородная

Знакопеременная

Синхрофазотрон слабофокуси-рующий Синхрофазотрон сильнофокусирующий

Протоны

Линейные ускорители

Прямая

Нерезонансный , электростатический

Электростатический ускоритель, каскадный ускоритель

Нерезонансный , индукционный

Линейный индукционный ускоритель

Электроны

Резонансный

Постоянная

Линейный резонансный ускоритель

Протоны, электроны

ровки, обусловленным зависимостью промежутка времени между последующими ускорениями от энергии. В циклич. ускорителях с однородной фокусировкой период обращения растёт с увеличением энергии, т. к. в соотношении (1) ср. радиус орбиты растёт с возрастанием энергии быстрее, чем скорость частицы. В ускорителях со знакопеременной фокусировкой зависимость ср. радиуса орбиты от энергии значительно слабее; поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с ростом энергии растёт быстрее, чем <R>), а при больших энергиях - увеличивается с ростом энергии (<R> растёт быстрее, чем v, к-рая ограничена скоростью света). При периоде, растущем с энергией, устойчива правая фаза на рис. 1: если частицаслучайно попадёт в фазу ф10, она приобретёт энергию меньше равновесной, поэтому её период обращения станет меньше равновесного, частица отстанет по фазе и, следовательно, её фаза приблизится к равновесной фазе ф0. Если же период уменьшается с ростом энергии, то фаза фо становится неустойчивой, а устойчивой будет симметричная ей фаза - ф0. Как бы то ни было, если eV0достаточно велико, всегда существуют устойчивая равновесная фаза и область близких к ней фаз (область захвата), в пределах к-рой частицы колеблются около равновесной. Прирост энергии равновесной частицы еVосоsф0 определяется условием резонанса: T=qTy, где q - целое число, наз. кратностью частоты, или кратностью ускорения. Так, для циклич. ускорителя энергия равновесной частицы

где wу = 2п/Tу - частота ускоряющего поля, так что для увеличения равновесной энергии нужно либо увеличивать магнитное поле (синхротрон), либо уменьшать частоту ускоряющего поля (фазотрон), либо изменять и то и другое (синхрофазотрон), либо, наконец, изменять кратность ускорения q (микротрон). Закон изменения магнитного поля, частоты и кратности ускорения и определяет значение фазы фо для равновесной частицы; вследствие автофазировки равновесная частица набирает именно ту энергию, к-рая определяется соотношением (3‘). В соответствии с энергией изменяется радиус равновесной орбиты, определяемый формулой (2).

Для неравновесных частиц, находящихся внутри области захвата, прирост энергии происходит неравномерно, но в среднем они приобретают ту же энергию, что и равновесная частица. Эти частицы "захвачены" в режим ускорения. Частицы, сильно отличающиеся от равновесных по фазе или по энергии, вообще в среднем не будут приобретать энергии, т. к. будут попадать то в ускоряющее,

то в замедляющее поле (" скользить по фазе ускоряющего напряжения").

Аналогичный механизм фазировки имеет место и в линейных резонансных ускорителях с той разницей, что там всегда время прохождения расстояний между соседними зазорами уменьшается с ростом энергии, так что устойчивая равновесная фаза всегда равна - фо.

Фокусировка частиц в ускорителях. В циклич. ускорителях фокусировка достигается главным образом спец. подбором формы магнитного поля. Если бы магнитное поле было строго однородно, то при любом отклонении скорости частицы от плоскости орбиты ускоряемая частица уходила бы с равновесной орбиты в направлении оси магнита (по вертикали г). Но если магнитное поле уменьшается с увеличением радиуса, то оно имеет ч бочкообразную" форму (это связано с тем, что в отсутствии токов магнитное поле - безвихревое), благодаря чему сила F, действующая на частицу, имеет составляющую Fг по направлению к плоскости равновесной орбиты (рис. 2).

Изменение поля по радиусу принято характеризовать показателем спада поля п = - д(lnВ)/д(lnR). Т. о., для устойчивости движения в вертикальном (аксиальном) направлении необходимо вы-

полнение условия n>0, т.е. чтобы поле убывало с увеличением радиуса. Движение в радиальном направлении определяется соотношением между силой действия на частицу магнитного поля eBv/c и центростремительной силой mv2/R, соответствующей радиусу К. На равновесной орбите обе эти величины равны. Если частица с той же скоростью случайно оказалась на большем радиусе, то для обеспечения устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила действия магнитного поля на этом радиусе eBv/c была больше, чем mv2/R, т. е. чтобы магнитное поле уменьшалось медленее, чем 1/К. Тот же вывод получается, если рассмотреть случайное отклонение частицы в сторону меньших радиусов. Т. о., условие устойчивости в радиальном направлении налагает ограничение на скорость убывания магнитного поля: показатель спада поля п должен быть меньше 1 (п < 1). Для одновременной устойчивости в радиальном и вертикальном направлениях должно выполняться условие:

0<n<1. (4) Можно показать, что силы фокусировки, действующие по радиусу и по вертикали,

получаются при этом равными:

где m - масса, w - угловая скорость обращения частицы, dR и dz-отклонения частицы от равновесной орбиты по радиусу и по вертикали. Под действием этих фокусирующих сил частицы совершают колебания (т. н. бетатронные колебания) вокруг равновесной орбиты с частотами:

Эти частоты меньше частоты обращения со, т. е. за оборот частица совершает меньше одного бетатронного колебания. Фокусирующие силы ограничены предельно допустимыми значениями п. Такая фокусировка наз. однородной, или слабой.

Для того чтобы увеличить фокусирующую силу по вертикали, надо применить сильно спадающее поле (n>>1). Напротив, для получения большой фокусирующей силы по радиусу надо применить поле с большими отрицат. значениями п (т. е. сильно возрастающее по радиусу). Эти требования одновременно несовместимы. Однако оказывается, что при определённых ограничениях их можно реализовать поочерёдно, обеспечив тем самым сильную фокусировку и по радиусу, и по вертикали. На этом основан принцип знакопеременной фокусировки (рис. 3). Вся длина равновесной орбиты разбивается на большое число одинаковых периодов, в к-рых устанавливаются магниты, сильно фокусирующие попеременно то по радиусу, то по вертикали. При определённом соотношении между значениями показателя спада магнитного поля, длиной магнитов и числом периодов такая система обладает сильным фокусирующим действием по обоим поперечным направлениям. Физически это объясняется тем, что в фокусирующих магнитах частица оказывается дальше от равновесного положения, чем в дефокусирую-щих (т. к. предшествующий дефокуси-рующий магнит отклонил её от орбиты), поэтому действие фокусирующих магнитов сильнее действия дефокусирующих. Частота колебаний частиц при такой фокусировке получается существенно выше частоты обращения, так что за один оборот частица совершает неск. колебаний. Увеличение фокусирующей силы приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц под действием различных раскачивающих факторов, что позволяет уменьшить поперечные размеры вакуумной камеры и магнитов, а следовательно, существенно уменьшить вес и стоимость установки. Поэтому во всех крупных циклических ускорителях на большие энергии применяется знакопеременная (сильная) фокусировка. Неприятная особенность сильной фокусировки - наличие многочисленных резонансов, обусловленных большой частотой колебаний частиц: если число колебаний частицы по вертикали или по радиусу за один полный оборот частицы или их сумма или разность оказываются целыми или полуцелыми числами, то происходит резонансная раскачка колебаний. В связи с этим необходимо предъявлять большие требования к точности изготовления магнитов.

Знакопеременная фокусировка магнитным полем применяется и в линейных

ускорителях с той разницей, что на равновесной орбите (прямая) магнитное поле равно нулю. Система фокусировки представляет собой в этом случае набор магнитов (магнитных квадрупольных линз), создающих магнитное поле, равное нулю на оси О системы и линейно нарастающее при отклонении от оси (рис. 4). В одной плоскости магниты фокусируют частицы (сила F направлена к оси), в дру

гой - дефокусируют (F направлена от оси). Эти плоскости фокусировки чередуются от магнита к магниту, что и приводит к знакопеременной фокусировке. При малых энергиях частиц наряду с магнитной фокусировкой применяется (как в циклических, так и в линейных ускорителях) фокусировка электрич. полем, для чего используется ускоряющее электрич. поле установки. Принцип фокусировки пояснён на рис. 5. В обычном ускоряющем зазоре электрич. поле обычно "провисает" внутрь в центре зазора. Поэтому в первой части зазора оно имеет составляющую, направленную к оси зазора (фокусирующую), во второй - от оси зазора (дефокусирующую). Результирующий фокусирующий эффект получается, если фокусирующее действиеоказывается больше дефокусирующего. Поскольку частица, проходя зазор, ускоряется, то во второй части зазора она летит быстрее, т. е. находится там меньшее время, чем в первой, поэтому фокусирующее действие преобладает. Этот эффект, основанный на изменении скорости частицы, наз. электростатической фокусировкой. Он имеет заметную величину лишь для малых скоростей частиц, так что его применение в ускорителях ограниченно. Разность действия электрич. поля в первой и во второй части зазора может быть обусловлена также изменением электрич. поля во времени (электродинамическая фокусировка): если за время пролёта электрич. поле уменьшается, то дефокусирующее действие оказывается меньше фокусирующего. Фокусировка такого типа имеет место в циклотроне и фазотроне как дополнит. фактор к магнитной фокусировке. Однако в линейных ускорителях протонов устойчивой является отрицат. фаза фо (см. выше), при к-рой поле растёт со временем. Поэтому в линейных ускорителях электрич. поле дефокусирует и нужны спец. дополнит, меры для фокусировки частиц.

Можно и к электрич. полю применить принцип знакопеременной фокусировки. Напр., с помощью электродов сложной формы можно обеспечить изменение знака фокусирующей силы от зазора к зазору или, меняя от зазора к зазору знак равновесной фазы, можно получить систему со знакопеременной фокусировкой и знакопеременной фазировкой. Такие системы были предложены и разработаны, но они имеют весьма ограниченное применение.

При больших интенсивностях ускоряемых пучков начинает сказываться взаимодействие между отд. частицами пучка; расталкивание по закону Кулона одноимённо заряженных частиц приводит к ослаблению фокусирующих сил. В цик-лич. У. з. ч. испускаемое частицами электромагнитное излучение (т. н. син-хротронное излучение; см. ниже) также может вызвать неустойчивость движения. В различных ускорителях взаимодействие заряженных частиц сказывается по-разному, но почти всегда именно оно определяет предельно достижимую интенсивность (наряду с ним иногда оказывается определяющей мощность, необходимая для ускорения пучка).

IV. Основные типы современных ускорителей

А. Циклические ускорители

Синхрофазотрон (протонный синхротрон)- циклич. резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магнитным полем (В) и изменяющейся частотой ускоряющего электрич. поля (wy). При этом wy и В меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты R оставался постоянным. В синхрофазотроне частота обращения частиц w = wy/q и ср. значение магнитной индукции <В> на орбите связаны соотношением:

Это условие вытекает из формул (3) и (2). Из формулы (7) видно, что с ростом маг

нитного поля частота обращения сначала увеличивается пропорционально полю, а затем меняется всё медленнее, приближаясь к предельному значению с/ < R > , отвечающему движению частицы со скоростью света; соответственно должна изменяться частота ускоряющего поля wy = wq. Постоянство радиуса равновесной орбиты позволяет сделать магнит синхрофазотрона в виде сравнительно узкого кольца, что сильно удешевляет установку. Из всех совр. У. з. ч. синхрофазотроны позволяют получать самые высокие энергии частиц. До 1972 самым большим ускорителем в мире являлся Серпуховский синхрофазотрон (СССР), ускоряющий протоны до энергии 76 Гэв. В 1972 в США (Батейвия) запущен синхрофазотрон на 200 Гэв; в 1975 его энергия была увеличена до 400 Гэв, а в 1976 - до 500 Гэв. В 1976 введён в строй ускоритель на 400 Гэв в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, близ Женевы). Проектируются синхрофазотроны на 1000 Гэв и выше.

Поскольку предельное значение магнитного поля ограничено технич. возможностями, то, как следует из соотношения (2), увеличение энергии неизбежно сопряжено с увеличением радиуса установки. Для максимальных достигнутых энергий радиус ускорителей составляет сотни м, а в проектируемых ускорителях на сверхвысокие энергии - неск. км. Именно размер установки, а следовательно и её стоимость, ограничивает предельную достижимую энергию в ускорителе. Наименьшая энергия, для получения к-рой применяют синхрофазотроны, составляет примерно 1 Гэв; для получения протонов меньшей энергии целесообразно применять фазотроны (см. ниже).

Протоны вводятся (инжектируются) в синхрофазотрон извне из др. ускорителя меньшей энергии. Таким предварительным ускорителем служит линейный ускоритель, а иногда также вспомогательный (бустерный) кольцевой ускоритель, для к-рого, в свою очередь, инжектором служит линейный ускоритель. Такая многоступенчатая схема, повышая энергию инжекции, облегчает условия работы осн. ускорителя (легче выдержать допуски на точность воспроизведения магнитного поля при инжекции, в меньшем диапазоне нужно изменять частоту ускоряющего поля) и удешевляет его, а также повышает достижимую в ускорителе интенсивность ускоренного пучка.

В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магнитная система состоит из неск. магнитныхсекторов (рис. 6), разделённых прямолинейными промежутками. В промежутках располагаются системы ввода, ускоряющие устройства, системы наблюдения за пучком, вакуумные насосы и др. Вводное устройство служит для перевода частиц из инжектора в вакуумную камеру осн. ускорителя. Обычно ввод производится с помощью импульсного отклоняющего устройства, электрическое или магнитное поле к-рого "заворачивает" впускаемые частицы, направляя их по орбите. В вакуумной камере, представляющей собой сплошную замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты, создаётся с помощью непрерывно действующих откачивающих насосов достаточно низкое (~10-6 мм рт.ст.) давление, чтобы рассеяние ускоряемых частиц на остаточном газе не приводило к расширению пучка и потере частиц. Закруглённые участки камеры расположены в зазорах между полюсами электромагнитов, создающих внутри камеры магнитное поле, необходимое для управления движением частиц по замкнутой орбите (заворачивания частиц по орбите). Т. к. радиус равновесной орбиты должен оставаться постоянным, необходимо, чтобы магнитное поле росло в процессе ускорения от значения, соответствующего энергии ин-жекции, до максимального значения, соответствующего конечной энергии. Возрастание магнитного поля осуществляется увеличением силы тока, протекающего через обмотки электромагнитов. Форма полюсов магнитов подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание магнитного поля по радиусу в соответствии с условием (4), необходимое для устойчивого движения частиц в поперечном направлении. В одном или нескольких зазорах расположены ускоряющие устройства, создающие переменное электрическое поле. Частота поля изменяется в строгом соответствии с изменением

магнитного поля [см. формулу (7)].

Необходимая точность воспроизведения частоты очень велика. Это достигается обычно с помощью системы автоматического слежения за частотой по данным о положении частиц: ошибка в частоте приводит к отходу частиц от равновесного положения, чувствительные датчики регистрируют этот отход, их сигнал усиливается и используется для введения необходимых поправок в частоту.

Под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения q. В процессе ускорения сгустки сокращаются по длине, сжимаясь к равновесной фазе. Одновременно происходит уменьшение поперечных размеров пучка, к-рый в начале ускорения занимает почти всё сечение вакуумной камеры.

Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается прежде всего устройством магнитной системы, состоящей из большого числа магнитов, в к-рых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магнитного поля по радиусу. Фокусировка частиц в этом случае значительно сильнее, чем в слабофокусирующем ускорителе. Каждый магнит (рис. 7) осуществляет две функции: заворачивает частицы по орбите и фокусирует их (система с совме

щёнными функциями). Применяется также магнитная структура с разделёнными функциями, в к-рой для заворачивания частиц используются магниты с однородным полем, а фокусировка осуществляется с помощью магнитных квадрупольных линз, расположенных в промежутках между магнитами.

Переход к сильнофокусирующим магнитным системам сопряжён с повышением требований к точности изготовления и монтажа магнитов; при длине кольцевого магнита больше 1 км точность монтажа измеряется десятыми и сотыми долями мм. Это обусловлено большой чувствительностью поведения частиц к различным случайным отклонениям магнитного поля, связанной с резонансной раскачкой пучка.

Другая особенность ускорителя с сильной фокусировкой - наличие т. н. критической, или переходной, энергии. При энергии частицы меньше критической устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напря

жения (фаза -ф0 на рис. 1), т. к. с увеличением энергии период уменьшается (как в линейном ускорителе). При энергии частицы больше критической увеличение энергии приводит, напротив, к увеличению периода обращения (как в ускорителе со слабой фокусировкой) и равновесной становится фаза +фо. Чтобы при прохождении критической энергии не происходили потери пучка, в момент перехода через критическую энергию в систему вводится быстрое смещение фазы колебаний на 2ф0, так что ускоряемые частицы, к-рые до критической энергии были сгруппированы вблизи устойчивой фазы - ф0, оказываются в окрестности новой устойчивой фазы + ф0.

Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутр. мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается новый цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в совр. синхрофазотронах составляет 5-30 циклов в минуту. В каждом цикле ускоряется 1011 -1013 частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространств. заряда.

В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, магнита), рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить магнитные поля по крайней мере в 3-4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автома-тич. управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).

Синхротрон - циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нём изменяется во времени лишь магнитное поле, а частота ускоряющего электрич. поля остаётся неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц (R = v/w), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэв скорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому магнит синхротрона (как и магнит синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и наз. также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение). Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:

0

= m0с2 - энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв), т. е. очень быстро растёт с увеличением энергии электрона. [В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжёлых частиц (протонов, ядер) Е0много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.] В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия еV0соsф0 расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой - из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнит. раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энер

Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

УСКОРИТЕЛИ НА ВСТРЕЧНЫХПУЧКАХ →← УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦКОЛЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ

Смотреть что такое УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА в других словарях:

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

        Киносъёмка с частотой, повышенной относительно обычной частоты кинопроекции (в профессиональном кинематографе 24 кадр/сек); к категории ускорен... смотреть

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

уско́ренная киносъёмка киносъёмка с частотой смены кадров, в несколько раз превышающей нормальную (обычно 16–24 кадр/с). Если фильм снят с бoльшей, ... смотреть

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

Уско́ренная киносъёмка - киносъёмка с частотой смены кадров, в несколько раз превышающей нормальную (обычно 16-24 кадр/с). Если фильм снят с бoльшей, чем нормальная, частотой кадров, то при демонстрации его с нормальной скоростью зритель видит на экране замедленный ход зафиксированных на киноплёнке событий. В любительских киносъёмочных аппаратах предусмотрена возможность ускоренной съёмки с частотой кадров 64-72 кадр/с. В профессиональном кинематографе максимальная частота кадров достигает 360 кадр/с для 35- и 70-мм кинокамер и 600 кадр/с для 16-мм. Как правило, ускоренную съёмку применяют в научном кино, на спортивных соревнованиях, а также при комбинированных съёмках в игровом кино. Эффект замедления движения при показе фильма, снятого с ускорением, позволяет лучше рассмотреть фазы наблюдаемых процессов и явлений, создавать кинотрюки, невозможные в действительности.... смотреть

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

ripresa a sequenza rapida {ad alta velocità, al rallentatore}

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

киносъёмка с частотой кадров до 300 в 1 с. Применяется, напр., для изучения движений спортсмена.

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА

cinématographie ultra-rapide

T: 162