1.2.7 Синхротрон

Рисунок 14 - Схема синхротрона

Синхротрон – кольцевой циклический ускоритель заряженных частиц, в котором частицы двигаются по орбите неизменного радиуса за счёт того, что темп нарастания их энергии в ускоряющих промежутках синхронизован со скоростью нарастания магнитного поля на орбите. Он позволяет ускорять как лёгкие заряженные частицы (электроны, позитроны), так и тяжёлые (протоны, антипротоны, ионы) до самых больших энергий. В настоящее время все циклические ускорители на максимальной энергии – это ускорители синхротронного тип (их принцип предложен в 1944 г.В. Векслером (СССР) и независимо в 1945 г. Э. Макмилланом(США). 
    В синхротронах (рисунок 14) магнитное поле переменное и частицы двигаются по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, увеличивающие свою энергию, удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных отклоняющих (в том числе и сверхпроводящих) кольцевых магнитов. Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц (отсюда происходит название этого типа ускорителя). По достижении максимального магнитного поля ускоренные частицы либо направляются на неподвижную мишень, либо (в коллайдерах) сталкиваются со встречным пучком, после чего цикл ускорения повторяется. В синхротронах есть два типа чередующихся кольцевых магнитов: отклоняющие двухполюсные (дипольные), удерживающие частицы на орбите, и фокусирующие четырёхполюсные (квадрупольные). Последние фокусируют частицы (как линзы свет), собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере. 
    Когда скорость частицы близка к скорости света, соотношение между кинетической энергией частицы Е и радиусом траектории R имеет в системе СИ вид

E = cqHR

(1)

где H – величина напряженности магнитного поля, а q – заряд частицы. Поэтому максимально достижимая энергия частицы пропорциональна радиусу траектории и величине магнитного поля. Сократить размеры установки можно, увеличивая величину поля, а она ограничена эффектом насыщения металла (обычно, железа), используемого в качестве материала сердечника электромагнита. В самых современных ускорителях, в этой связи, используются электромагниты с катушкой из сверхпроводящего материала, работающие при температуре жидкого гелия.     Импульс частицы p (и, соответственно, ее энергия) должен быть пропорционален индукции поля B в поворотных магнитах и радиусу равновесной орбиты R: p ~ BR. Поскольку технически величина магнитного поля ограничена, то для повышения энергии ускоряемых частиц необходимо увеличивать радиус кольца.     Синхротроны используют как для ускорения тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), так и для ускорения электронов. Однако в случае электронов при высоких энергиях становятся существенными потери ими энергии на излучение (называемое синхротронным) при криволинейном движении по орбите. Мощность синхротронного излучения Р для релятивистской частицы следующим образом зависит от её массы m энергии Е и радиуса траектории R:

.

(2)

Рисунок 15 - Фрагмент ускорительного кольца протонного синхротрона на энергию 7 ТэВ (ЦЕРН, Швейцария)

Таким образом, если электроны и протоны одинаковых энергий, двигаются по орбитам одного радиуса, то потери энергии на синхротронное излучение у электронов будут в (m_p/m_e)⁴  10¹³ раз больше. Поэтому на синхротронах пока не удалось ускорить электроны до энергий бoльших 100 ГэВ. Крупнейшим современным синхротроном является синхротрон в Батавии (США). Он ускорял протоны и антипротоны до энергии 1 ТэВ = 10¹² эВ и называется Теватрон. Радиус круговой орбиты в этом ускорителе 1 км.
    В 80-е годы ХХ века было предложено сразу нескольких проектов строительства коллайдеров с энергией соударения, достигающей десятков ТэВ. Однако сложность их реализации привела к тому, что в настоящее время работает лишь один такой коллайдер, где сталкиваются протоны с суммарной энергией соударения 14 ТэВ в системе центра инерции. Он носит название “Большой адронный коллайдер” (LHC — Large Hadron Collider).
    На (рисунке 15) показан фрагмент кольца протонного синхротрона на энергию 7 ТэВ  в ЦЕРН (г. Женева, Швейцария), который входит в состав установки LHC (Large Hadron Collider). Длина его кольца 26.7 км.
     

1.2.8 Ускоритель-рекуператор(плохо написано все что нашел)

Использование относится к ускорительной технике, источникам излучения, ускорителям- рекуператорам. Многооборотный ускоритель-рекуператор с отдельными дорожками для ускоряемых и замедляемых частиц. Изобретение направлено на обеспечение независимого правления ускоряемыми и замедляемыми частицами, в частности независимую фокусировку и коррекцию траекторий частиц.

Формула изобретения:

Многооборотный ускоритель-рекуператор, отличающийся тем, что он содержит отдельные электронно-оптические каналы для ускоряемых и замедляемых частиц.

Описание:

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке ускорителей-рекуператоров. Наиболее перспективным применением последних является создание новых источников электромагнитного излучения. Ускорители-рекуператоры отличаются от других типов ускорителей тем, что заряженные частицы в них сначала ускоряются (например, в высокочастотных резонаторах), затем используются, например, для генерации электромагнитного излучения, после чего снова замедляются, возвращая энергию в ускоряющую систему.

Для сокращения размеров ускоряющей системы (высокочастотных резонаторов) могут использоваться схемы с многократным прохождением пучка через ускоряющую систему. Пример такой установки — Новосибирский лазер на свободных электронах (Gavrilov N.G. et al., Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL. Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. — 2007. — Vol.575, No 1/2. — P.54-57). Это устройство было выбрано в качестве прототипа.

Принципиальное отличие предлагаемого устройства от прототипа — наличие отдельных дорожек для ускоряемых и замедляемых частиц. Использование такой системы позволяет разделить ускоряемые и замедляемые частицы, что обеспечивает независимое управление ускоряемыми и замедляемыми частицами, в частности независимые фокусировку и коррекцию траекторий и длины дорожек.

Техническим результатом изобретения можно считать получение необходимых параметров пучка. Использование отдельных электронно-оптических каналов позволяет независимо настраивать длины последних и корректировать траектории всех пучков. Кроме того, электронно-оптические системы для ускоряемых и замедляемых пучков могут сильно отличаться. Это важно, например, если устройство 3 является лазером на свободных электронах. В этом случае электронная оптика при ускорении должна обеспечивать оптимальную группировку и сохранение эмиттансов, а при замедлении — прохождение отработанного пучка с большим энергетическим разбросом. Значительно упрощается и диагностика пучков.

Существуют и другие возможные геометрические конфигурации ускорителя, использующие тот же принцип разделения ускоренного и замедленного пучка. Схема такого устройства с четырьмя линейными ускорителями представлена на (рисунке 16)

 

Рисунок 16