1.2.3 Микротрон

Рисунок 7 – Схема микротрона

В циклотронах нельзя ускорять электроны по той же схеме, как и протоны, так как они быстро достигают релятивистских скоростей. Тем не менее существуют ускорители (микротроны), в которых электроны, также как и протоны в циклотроне, многократно ускоряются импульсами высокочастотного электрического поля в постоянном однородном магнитном поле. Принцип действия микротрона предложен в 1944 г. В. Векслером. В микротроне (рис.7) частицы вводятся в ускорительную камеру не в центральной части магнитного поля, как в циклотроне, а на его краю. В месте ввода частиц помещается полый ускоряющий резонатор. При каждом обороте электроны получают энергию » 0.5 МэВ и попадают в резонатор точно в момент ускорения на каждом витке (период n-го оборота кратен периоду первого оборота). Электроны движутся по окружности увеличивающегося радиуса, причём все окружности касаются внутри резонатора. Энергии электронов в “классических” микротронах обычно не превышают 30 МэВ и ограничиваются размерами постоянного магнита и возрастающими требованиями к однородности его поля при увеличении габаритов ускорителя. 

Рисунок 8 - Схема разрезного микротрона

В настоящее время ограничения на энергии микротронов сняты использованием его варианта, названного разрезным микротроном (предложен А. Коломенским). Переход от классического микротрона к разрезному можно пояснить с помощью рис. 2. Если магнит классического микротрона “разрезать” на две одинаковые части вдоль пунктирной линии АА и две эти части раздвинуть, оставив ускоряющий резонатор между половинками магнита, то приходим к схеме разрезного микротрона. Теперь пространство между магнитами позволяет заменить небольшой резонатор, допускающий лишь малый ( 0.5 МэВ) прирост энергии за оборот, на самостоятельный (линейный) ускоритель с энергией  10 МэВ и более и это позволит многократно увеличить конечную энергию электронов (есть разрезные микротроны на энергию  1 ГэВ).

Ускорение электронов по схеме разрезного микротрона или сходной с ней в настоящее время используется для генерации пучков электронов большой энергии в непрерывном режиме. Дело в том, что ускорители, как правило, работают в импульсном режиме, т. е., например, электроны в них ускоряются в течение короткого временнoго промежутка Δt, когда возможно ускорение, после чего следует сравнительно длительная пауза для возврата в режим нового цикла ускорения. Период времени Т между циклами ускорения обычно много больше длительности электронного импульса (Т>>Δt). Характерная величина: 

называемая рабочим циклом,  10^-3. Таким образом, для физических экспериментов удается использовать лишь  0.1% времени работы ускорителя. Ускорение электронов по схеме разрезного микротрона позволяет осуществить непрерывный режим работы ускорителя, когда D равен или близок к единице. Это достигается непрерывностью режима работы основной ускорительной структуры (линейного ускорителя), расположенной между разделенными частями постоянного магнита микротрона. В микротроне непрерывного действия вся ускорительная камера заполнена электронами, находящимися на всех стадиях ускорения – от начальной (т. е. с наименьшей энергией) до максимально возможной. Непрерывный режим работы такого ускорителя позволяет использовать для экспериментов все время его работы и, тем самым, повысить количество актов изучаемого взаимодействия за фиксированное время в 1/D 10³ раз, что особенно важно для исследования редких событий. Крупнейшим ускорителем электронов, работающим в непрерывном режиме (D = 1) является ускоритель Национальной лаборатории им. Томаса Джеферсона (TJNAF) в г. Ньюпорт-Ньюс (США). Он использует сверхпроводящие ускорительные структуры и позволяет ускорять электроны до энергии 5.71 ГэВ. Ток его электронного пучка 200 мкА. Энергетическое разрешение  E/E = 2.5^.10^-5.

а.   б. Рисунок 9 - Ускоритель электронов TJNAF. а - вид с птичьего полета, б - ускорительный канал