Микротрон

Этот ускоритель был предложен Векслером в 1944 году. Он может быть использован только как ускоритель электронов. Название микротрон связано с тем, что ускоряющее устройство присоединяется к ВЧ генератору микроволнового (сантиметрового) диапазона.

Микротрон представляет собой циклический резонансный ускоритель электронов, в котором эти частицы ускоряются в постоянном по времени и равномерном магнитном поле в/ч напряжением постоянной частоты. Он схож с циклотроном. Релятивистское увеличение массы электрона уже при энергии в доли и единицы МэВ быстро нарушает условия резонанса и ускорение прекращается. В микротроне используется так называемый принцип кратного ускорения, когда возрастание массы частицы за время одного ее оборота таково, что период обращения возрастает на величину, кратную периоду высокочастотного напряжения. При этом электрон будет проходить через ускоряющий промежуток всегда при одной и той же фазе напряжения.

При первом обороте электрон возвращается в ускоряющий промежуток через два периода ускоряющего напряжения. Если релятивистское возрастание массы после прохода через ускоряющее устройство увеличивает период вращения частицы на время одного периода высокочастотного напряжения, электрон возвращается к ускоряющему промежутку через три периода напряжения. При завершении следующего оборота он придет к ускоряющему промежутку через четыре периода. Таким образом, каждое приращение энергии частицы приводит к увеличению периода ее вращения на один период высокочастотного напряжения.

Резонансная частота колебательной системы обратно пропорциональна первой степени ее линейных размеров. Поэтому применение дуантной системы, характерной для обычного циклотрона с их большими размерами и низкой резонансной частотой, здесь невозможно.

Для того, чтобы частица при постепенном увеличении ее радиуса орбиты при каждом обороте всякий раз проходила бы через один и тот же ускоряющий промежуток, представляющий собою круглое отверстие в стенках резонатора, орбиты электронов должны соответствовать схеме, показанной на рис. 57.

Рис.57. Принципиальная схема микротрона.

На этом рисунке дано сечение вакуумной камеры по средней плоскости зазора магнита. Полюсы магнита так же, как и в циклотроне, имеют круглое сечение, цилиндрическая вакуумная камера располагается в зазоре между полюсами. На рис. 57 схематически показаны: вакуумная камера 1, инжектор (источник электронов) 2 и ускоряющее устройство — резонатор 3. Частица, выходящая из инжектора с начальной энергией w₀, двигаясь по круговой орбите, попадает в отверстие резонатора 3 и получает соответствующее приращение энергии Δ w. Радиус ее траектории соответственно увеличивается и растет после каждого прохода через ускоряющее устройство. Совершив полное число оборотов, частица может быть выведена из ускорителя. Вертикальная фокусировка осуществляется электрическим полем резонатора.

Микротрон в целом может иметь различные конструктивные особенности. Его магнит весит обычно меньше, чем магнит циклотрона при том же радиусе сечения полюсов, так как напряженность магнитного поля в зазоре микротрона обычно в 10 раз меньше, чем у циклотрона.

На спиральной орбите рис. 57 показаны точки, в которых одна ускоряемая частица оказывается последовательно в различные моменты времени, обозначенные около точек. Время измеряется числом периодов постоянного ускоряющего напряжения резонатора. Схема показывает, что период вращения частицы возрастает всякий раз на одну и ту же величину, равную периоду переменного напряжения.

Принцип действия микротрона, иллюстрация которого дана на этой схеме, требует, чтобы между величиной начальной энергией частицы w₀, периодом напряжения высокочастотного генератора на ускоряющем промежутке и величиной прироста энергии при проходе через резонатор существовало бы определенное соотношение.

В микротроне ускорение осуществляется обычно одним ускоряющим промежутком. Полюсы магнита имеют круглое сечение, цилиндрическая вакуумная камера расположена между полюсами.

Начальная энергия w₀ может быть выбрана произвольной и достаточно малой. Однако для получения возможно большей интенсивности электронного пучка и размещения инжектора на достаточном удалении от резонатора и орбиты частиц ее следует выбрать порядка сотни киловольт. Величина приращения энергии w₀, а следовательно, величина ускоряющего напряжения резонатора должна быть весьма значительной. Она выбирается не меньшей, чем энергия покоя частицы. Как известно, для электронов энергия покоя составляет 0,511 МэВ. Это означает, что ускоряющее устройство _:микротрона, работающего на электронах, должно иметь напряжение не ниже 511 кВ. При попытке ускорять протоны потребовалось бы напряжение не менее 938 МВ. Поэтому микротрон и пригоден только для ускорения электронов. Напряжение в резонаторе порядка 500…600 кВ, требуемое для электронного микротрона, вполне осуществимо.

Одним из существенных достоинств микротрона является большое расстояние между витками спирали орбиты — порядка нескольких, сантиметров. Это обстоятельство облегчает выпуск частиц из ускорителя наружу.