§ 10. Второе рождение линейных ускорителей

Первые линейные ускорители, сконструированные одновременно с циклотронами, долгое время не пользовались успехом у физиков. На этих ускорителях не удавалось получить частицы достаточно большой энергии. Однако после 1945 г. о линейных ускорителях вспомнили в связи с развитием техники коротких и ультракоротких волн. Теперь можно было рассчитывать на получение в линейных ускорителях энергичных протонов и электронов.

Другой причиной интереса к линейным ускорителям было открытие принципа автофазировки, который дал возможность разработать новую теорию движения частиц в линейных ускорителях.

Линейные ускорители обладают определенными преимуществами перед циклическими ускорителями. В них можно получить пучки частиц наибольшей интенсивности. Эти пучки гораздо легче использовать, чем в циклических ускорителях, где выпуск частиц является сложной технической задачей. Наконец, защита от излучения на линейном ускорителе обходится значительно дешевле, чем на циклических установках.

Протонные линейные ускорители пока не строят на энергии больше нескольких десятков Мэв. Объясняется это, главным образом, высокой стоимостью мощных генераторных ламп, сравнительно быстро выходящих из строя.

Современные линейные ускорители протонов работают на коротких волнах (около 1,5 метров). Поэтому в создании ускоряющего электрического поля здесь участвует вся внутренняя полость устройства, называемая резонатором или волноводом. Генераторы коротких волн (магнетроны или клистроны) возбуждает в полости резонатора стоячие электромагнитные волны. Электрическое поле волны направлено вдоль оси ускорители, где установлены пролетные трубки увеличивающейся длины (рис. 47).

Рис. 47. Протонный линейный ускоритель

Расстояния l между центрами трубок равны произведению относительной скорости β = ^v/_c на длину волны генератора. Поэтому в ускоряющие зазоры протоны будут попадать через равные интервалы времени

Автофазировка частиц в линейном ускорителе также осуществляется, но несколько иначе, чем в синхротроне.

Пусть частица проходит ускоряющий зазор при напряжении, большем, чем равновесное. На путь до следующего зазора она потратит меньше времени, чем равновесные протоны (так как приобретенная ею энергия соответственно больше) и попадет уже в более слабое электрическое поле. В результате фаза будет совершать устойчивые колебания вокруг равновесного значения подобно рассмотренным в циклических ускорителях. Отличие заключается в том, что в линейном ускорителе автофазировка будет осуществляться при нарастании, а не при спадании электрического поля в зазоре. Но нарастающее поле приводит к дефокусировке частиц при прохождении щели, поскольку дефокусирующей части щели (см. стр. 32) будет соответствовать возросшее электрическое поле. Поэтому здесь приходится предусматривать специальные меры, обеспечивающие фокусировку частиц к оси пучка. Особенно важной является подобная фокусировка при малых скоростях (в сравнении со скоростью света). С увеличением скорости дефокусировка заметно уменьшается. Чтобы избежать дефокусировки протонов, на вход каждой пролетной трубки надевают сетку из металлических полосок. Эти сетки удачным образом видоизменяют форму электрического поля в щели. Дефокусирующая область почти полностью исчезает (рис. 48). К сожалению, применение сеток вызывает заметные потери интенсивности пучка. Поэтому в настоящее время разрабатываются другие, более совершенные способы фокусировки частиц в линейном ускорителе. Хорошие результаты дает применение сильнофокусирующих магнитных или электростатических линз, расположенных вдоль ускорителя.

Рис. 48. Действие сеток в линейном ускорителе

Для ускорения электронов в линейных ускорителях также применяются металлические трубки - волноводы. Длина волны электромагнитного поля здесь еще меньше, чем в протонных ускорителях, и составляет примерно 10 сантиметров. Объясняется это тем, что скорость электронов при ускорении очень быстро становится близкой к скорости света. Фазовая скорость распространения электромагнитной волны в волноводе оказывается больше, чем скорость света. Для успешного ускорения скорости волны и электронов должны быть равны. Чтобы снизить скорость распространения волны, внутри волновода размещают кольцевые диафрагмы. В зависимости от того, какова нагрузка волновода на его концах, можно получить два типа волн. Если волны отражаются от концов, то в волноводе устанавливается стоячая волна, если же отражения не происходит, то образуется бегущая волна. На гребне бегущей волны электрон проносится сквозь ускоритель, приобретая за миллионные доли секунды огромную энергию.

Система ускорения с бегущей волной применена на крупнейшем электронном линейном ускорителе, работающем в Стенфорде (США). Электроны ускоряются до энергии в 600 Мэв в трубе диаметром 7,5 см и длиной 66 метров. Электромагнитное поле возбуждается клистронами в течение 2 микросекунд с частотой 60 раз в секунду. Мощность, отдаваемая генераторами в каждом коротком импульсе, составляет 200 000 квт! Количество электронов, ускоряемых в импульсе, равно ста миллиардам, а средний ток ускоренных частиц составляет 1 микроампер.

Электронные линейные ускорители строятся также на небольшую энергию 5-15 Мэв. Такие установки находят, подобно бетатронам, различное применение в медицине и технике.