УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ

УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ, устройство для ускорения заряженных частиц электрич. полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Осн. элементы У. в.- высоковольтный генератор, источник заряженных частиц и система, предназначенная для ускорения частиц (рис. 1). Напряжение, получаемое от высоковольтного генератора, подаётся на электроды ускоряющей системы и создаёт внутри этой системы электрич. поле. Заряженные частицы из источника ускоряются этим полем до энергии Е = епи эв, где е - элементарный электрич. заряд, п - число элементарных зарядов ускоряемой частицы, и - напряжение (в в) высоковольтного генератора.

Давление внутри ускоряющей системы не должно превышать 10^-4 - 10^-5 мм рт. ст., т. к. иначе происходит значит. рассеяние ускоряемых частиц на молекулах газа.

Важное преимущество У. в. по сравнению с др. типами ускорителей - возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрич. поле. С помощью У. в. легко может быть достигнут относит. разброс энергии ~ 10^-4, а у отд. ускорителей 10^-5 - 10^-6. Благодаря этому У. в. нашли широкое применение при исследованиях в атомной и ядерной физике. Др. преимущество У. в.- возможность создания установок с большой мощностью и высоким кпд, что весьма важно при использовании ускорителей в прикладных целях.

Виды У. в. В зависимости от типа используемого высоковольтного генератора различают электростатические, каскадные, трансформаторные и импульсные У. в.

1) В электростатическом ускорителе (ЭСУ) напряжение создаётся электростатич. генератором - генератором, основанным на переносе зарядов механич. транспортёром. Генератор с гибким транспортёром из диэлектрич. ленты наз. генератором Ван-де-Граафа (рис. 2). Электрич. заряды наносятся на поверхность движущегося транспортёра зарядным устройством, состоящим из системы игл и плоского электрода, между к-рыми создаётся коронный разряд. Затем заряды переносятся к высоковольтному электроду, где при помощи др. аналогичного устройства они снимаются, а вместо них на поверхность транспортёра наносятся заряды противоположного знака, снимаемые первым устройством. Существуют также генераторы с транспортёром в виде жёсткого диэлектрич. ротора (роторные электростатич. генераторы).

С 1960-х гг. в нек-рых ЭСУ используется цепной транспортёр с металлич. электродами, соединёнными между собой диэлектрич. звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества к-рого - высокая стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее напряжение, полученное с помощью электростатич. генераторов, составляет ок. 20 Мв; проектируются установки на напряжение до 30 Мв.

2) В каскадном ускорителе источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное путём последоват. включения постоянных напряжений, получаемых в отд. каскадах схемы. Существует неск. схем каскадных генераторов, среди к-рых наиболее известен генератор Кокрофта- Уолтона с последоват. питанием каскадов (см. Каскадный генератор). В 60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивной связью каскадов с источником питания (рис. 3); их преимущество - равномерное распределение напряжения по каскадам, а недостаток - необходимость изоляции каскадов на полное рабочее напряжение установки. Совр. каскадные генераторы позволяют получать напряжение до 4 Мв при мощности установок в неск. десятков квт.

Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры

Установка

Тип встречных пучков

Энергия, Мэв

Средний радиус орбиты, м

Светимость, см^2-2 * сек^-1

Год запуска

ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск)

е+е-

2X700

1,9

~10²⁹

1966

ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск)

е⁺е-

2X3500

12,0

~10³⁰

заканчивается сооружение

SPEAR (США, Стан-форд)

е⁺е-

2X4500

37,2

6 *10³⁰

1972

АСО (Франция, Орсе)

е+е-

2X540

3,5

10²⁹

1966

ADONE (Италия, Фрас-кати)

е⁺е-

2X1500

16,4

6*10²⁹

1969

ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева)

РР

2X31400

150

6,7*10³⁰

1971

ISABELLE (США, Брук-хейвен)

РР РР

2Х200*10³

428

10³³ 10²⁹

проектируется

PEP (США, Станфорд)

е⁺е-

2Х15*10³

350

10³²

проектируется

SUPER ADONE (Италия, Фраскати)

е+е-

2Х12*10³

136

10³²

проектируется

3) В трансформаторных ускорителях генератором высокого напряжения является высоковольтный трансформатор, питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система таких ускорителей имеет устройство отсечки, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно малый разброс энергии ускоряемых частиц. Высоковольтный трансформатор практически не имеет ограничений по мощности и является наиболее перспективным типом генератора для мощных и сверхмощных У. в. с энергией ускоренных частиц до 2-3 Мэв.

4) В импульсных ускорителях источником напряжения служат импульсные трансформаторы различных типов (напр., Тесла трансформатор), а также ёмкостные генераторы импульсного напряжения. В последних большое число конденсаторов заряжается параллельно от общего источника, затем при помощи разрядников осуществляется их переключение на последовательное , и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой до неск. Мв.

Линейные размеры У. в. определяются напряжением высоковольтного генератора и электрич. прочностью его изоляции и ускоряющей системы. Ввиду малой электрич. прочности воздуха при атм. давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией св. 1 Мэв обычно нецелесообразно. Ускорители на большую энергию размещаются в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5-15 раз превышающем атмосферное. Это значительно уменьшает размеры ускорителей и снижает стоимость их сооружения. Особенно эффективно применение электро-отрицат. газов (фреона и шестифтористой серы), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).

Осн. способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции - секционирование изоляц конструкций, т. е. разделение больших изоляц. промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлич. электродов с заданным распределением потенциала.

Перезарядный ускоритель (тандем). Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа (рис. 4), наз. тандем-ными, или перезарядными, отрицат. ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положит. ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или пленку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных уско-

рителей (рис. 5). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, к-рые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицат. ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной энергией.

Источники заряженных частиц для У. в. Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно по катоду, либо отд. подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная эмиссия) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи к-рых электрич. поле усиливается до ~ 10⁷ в/см. Затем электрич. ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму, к-рая сама становится источником электронов.

В ионных источниках заряженные частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или парами вещества при давлении 10 - 10^-3 мм рт. ст., содержащими атомы соответствующего элемента. Первичная ионизация происходит под действием электрич. разряда: высокочастотного (ВЧ источники; рис.6) дугового разряда в неоднородном электрич. и магнитном полях (дуоплазматрон, предложенный нем. физиком М. Арденне) и т. д Ионы, образующиеся в области разряда, извлекаются оттуда полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Положит. ионы получают из центр. части области разряда, где их концентрация выше, а отрицательные - с периферии этой области. Отрицат. ионы для перезарядных ускорителей могут быть получены также перезарядкой пучка положит. ионов на газовой или пароструйной мишени, при взаимодействии положит. ионов с твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т. д.

Ускоряющая система У. в. (ускорительная трубка). Ускорит. трубка является частью вакуумной системы У. в., давление в к-рой не должно превышать 10 мм рт. ст. У большинства У. в. она представляет собой цилиндр, состоящий из диэлектрич. колец, разделённых металлич. электродами с отверстием в центре, служащим для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутр. поверхностью системы (рис. 7). Кольца и электроды соединены друг с другом спец. клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой, обесположительных ионов. печивающими вакуумное уплотнение. Ускорит. трубка - один из осн. элементов У. в., недостаточная электрич. прочность к-рого часто ограничивает энергию ускоренных частиц.

В отличие от изоляц. конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорит. трубки металлич. электродами оказывается малоэффективным. При напряжении высоковольтного генератора более 4-5 Мв в трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а её электрич. прочность снижается. Это явление, получившее назв. "эффект полного напряжения", объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в к-ром происходит обмен вторичными заряженными частицами и их размножение. Причины появления таких частиц - облучение внутр. поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изоляторов и т. д. Для борьбы с "эффектом полного напряжения" предлагались различные конструкции ускорит. трубок. Наиболее известны ускорит. трубки с "наклонным полем", в к-рых электроды трубки устанавливаются под небольшим углом к плоскости её поперечного сечения, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие значит. энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а возникающие внутри трубки вторичные частицы с меньшей энергией задерживаются электродами. Устранения "эффекта полного напряжения" удалось добиться также в ускорит. трубках с плоскими электродами, у к-рых электроды и изоляторы соединены пайкой, а рабочий вакуум составляет 10^-8-10^-9мм рт. ст.

Успехи в разработке новых конструкций высоковольтных генераторов и ускорит. трубок позволили повысить энергии протонов, получаемых в перезарядных У. в. до 40 Мэв. Многозарядные тяжёлые ионы могут быть ускорены до значительно больших энергий. Ток пучка крупнейших У. в. ионов составляет единицы - десятки мка при размерах пучка на мишени неск. мм и его расходимости менее 10^-3рад.

Краткая история развития У. в. Первый У. в. каскадного типа на энергию 700 кэв был построен в 1932 англ. физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. В предвоенные годы наибольшее развитие получили ЭСУ с высоковольтными генераторами Ван-де-Граафа. К 1940 благодаря применению для изоляции сжатого газа и использованию секционированных высоковольтных конструкций энергия ускоренных частиц была повышена до ~4Мэв. В СССР первые ЭСУ были разработаны в Украинском физико-технич. ин-те под рук. А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых с помощью У. в., удалось добиться путём применения перезарядных ускорителей и ускорит. трубок с наклонным полем, предложенных Р. Ван-де-Граафом (США). Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСУ были предложены Р. Хербом (США) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить мощность У. в. (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником), были разработаны в 1960-65 К. Моргенштер-ном (США) и Ван-де-Граафом. Большинство совр. советских У. в. для науч. исследований и использования в технике разработаны коллективом Н.-и. ин-та электрофизич. аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг. коллективом Ин-та ядерной физики Сиб. отд. АН СССР под рук. Г. И. Будкера.

Применение У. в. На протяжении ряда лет, начиная с создания в 1932 первого У. в., осн. областью их применения была ядерная физика. С помощью У. в. получены важные сведения о внутр. строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной и объёмной структуре твёрдых тел и т. д. Помимо непосредственного использования в физ. экспериментах, У. в. применяются для предварит. ускорения заряженных частиц в крупнейших циклич. и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т. д.

Благодаря низкой стоимости и компактности У. в. нашли широкое применение в различных технологич. процессах на пром. предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100-200 кэв применяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий, ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы) могут быть использованы, напр., для проведения ак-тивационного анализа различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов к нейтронному облучению и т. д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками св. 10¹² нейтронов/сек.

Ускорители электронов с энергией 1- 2 Мэв и мощностью в неск. квт могут служить генераторами рентгеновского тормозного излучения в пром. дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, напр. вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.

Перспективное направление практич. использования электронных ускорителей с энергией 0,2 - 3 Мэв и мощностью 10- 100 квт - обработка электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств путём радиац. полимеризации, радиац. вулканизации, деструкции и т. д.

Лит.: Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Ускорители. Сб., пер. с англ. и нем., под ред. Б. Н. Ябло-кова, М., 1962; Электростатические ускорители заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, М., 1963. М. П. Свинъин.