Микротрон

Микротрон — это разновидность циклического ускорителя заряженных частиц, использующий постоянное магнитное поле и высокочастотное (ВЧ) электрическое поле для ускорения электронов или других частиц. В отличие от классического циклотронного принципа, микротрон обеспечивает устойчивое синхронизированное ускорение частиц на очень высоких энергиях, достигаемых за счет увеличения числа витков и использования резонаторного ускоряющего поля.

Ключевым отличием микротрона является непрерывное совпадение периода обращения частицы в магнитном поле с периодом ВЧ поля, что позволяет ускорять частицы без фазовой синхронизации, требуемой в синхротронах.

Конструкция и основные элементы

1. Магнитная система Магнит создаёт почти однородное поле, необходимое для движения частиц по круговым орбитам. В микротроне поле обычно стабильно и постоянное по величине, что обеспечивает простоту конструкции. Период обращения электрона в поле $T = \frac{2\pi m}{eB}$, где m — масса частицы, e — заряд, B — индукция магнитного поля.

2. Ускоряющий резонатор Ускорение частиц происходит в резонаторе, который обычно работает на сверхвысоких частотах. Частицы получают дополнительную энергию каждый раз при прохождении резонатора. Важным условием работы микротрона является то, что разность времен обхода орбит ΔT кратна периоду ВЧ поля TВЧ:

ΔT = n ⋅ TВЧ,  n = 1, 2, 3…

Это обеспечивает синхронизацию ускорения без фазовой перестройки поля.

3. Источник электронов Источником частиц обычно служит термоэлектронная или фотоэлектронная катодная система. Электроны вводятся в центр магнитного поля с начальной энергией, достаточной для того, чтобы они могли пройти первый цикл ускорения.

Принцип ускорения

Энергия частицы на n-ом витке определяется как:

En = E0 + n ⋅ ΔE

где E0 — начальная энергия, ΔE — энергия, передаваемая резонатором за один проход.

Ключевые моменты ускорения в микротроне:

  • Орбиты электронов постепенно увеличиваются по радиусу с ростом энергии.
  • Время обращения увеличивается линейно с увеличением радиуса, что позволяет периодам ВЧ поля оставаться синхронизированными с проходами частиц.
  • Микротрон может достигать энергий до десятков — сотен МэВ для электронов с минимальной сложностью магнитной системы.

Типы микротронов

  1. Классический микротрон

    • Использует один ускоряющий резонатор.
    • Радиусы орбит увеличиваются с ростом энергии.
    • Ограничение: для высоких энергий требуется большой радиус магнитного поля.

  2. Микротрон с перескакивающим резонатором

    • Применяются два резонатора, между которыми частицы проходят по чередующимся орбитам.
    • Позволяет компактнее достигать высоких энергий.

  3. Автофазовый микротрон (промежуточный вариант синхротрона)

    • Использует небольшое изменение фазового согласования для стабилизации пучка при очень больших энергиях.
    • Позволяет частицам оставаться в устойчивой фазе ускоряющего поля.

Особенности пучка и фокусировка

Микротрон формирует электронный пучок с малым разбросом по энергии и низкой эмиттансией. Для поддержания устойчивости пучка используют:

  • Поперечную фокусировку с помощью градиентного магнитного поля или линейных корректирующих катушек.
  • Вертикальную и горизонтальную стабилизацию, чтобы избежать расходимости пучка при многократных проходах через резонатор.

Эти меры позволяют получать высококачественный пучок, пригодный для экспериментов и медицинских приложений, таких как радиотерапия.

Применение микротронов

1. Медицинские и промышленно-технические задачи

  • Радиотерапия (генерация рентгеновских и электронных пучков).
  • Наноматериаловедение и ионная обработка.

2. Научные исследования

  • Получение синхротронного излучения.
  • Эксперименты по ядерной и физике частиц с электронными пучками среднего диапазона энергий.

3. Инжекторы для других ускорителей

  • Микротрон может использоваться как инжектор для линейных ускорителей или синхротронов, повышая начальную энергию частиц до значений, удобных для последующего ускорения.
Оглавление