Линейные ускорители

Принцип действия линейных ускорителей

Линейный ускоритель (ЛУ) — это устройство, в котором заряженные частицы получают кинетическую энергию за счёт электрического поля, прикладываемого вдоль прямолинейной траектории движения. В отличие от циклических ускорителей, таких как циклотроны или синхротроны, линейные ускорители не используют магнитные поля для изменения траектории частиц, а используют систему поочерёдных ускоряющих электродов, расположенных на одной оси.

Основная идея заключается в том, чтобы многократно прикладывать ускоряющее электрическое поле к частице на различных участках её пути, таким образом постепенно увеличивая её энергию. Для этого ускоряющее напряжение прикладывается к системе дрейфовых трубок, между которыми создаётся переменное поле, синхронизированное с движением частиц.

Устройство линейного ускорителя

Структурно ЛУ состоит из следующих основных компонентов:

• Источник ионов (инжектор) — формирует и направляет пучок заряженных частиц (чаще всего протонов или ионов).
• Система фокусировки — удерживает пучок вблизи оси ускорителя, предотвращая его расползание из-за кулоновского отталкивания и иных эффектов.
• Дрейфовые трубки — металлические полые цилиндры, расположенные вдоль оси ускорителя. Внутри них частица движется без ускорения, а ускорение получает на промежутках между трубками.
• Радиочастотные (РЧ) генераторы — создают переменное ускоряющее напряжение между дрейфовыми трубками. Частота колебаний выбирается так, чтобы частица при выходе из каждой трубки попадала на следующую фазу ускоряющего поля.
• Конечная фокусирующая и диагностическая система — служит для стабилизации и контроля пучка на выходе.

Синхронизация с радиочастотным полем

Ключевым элементом работы ЛУ является синхронизация фаз ускоряющего радиочастотного (РЧ) поля с движением частиц. Частица должна прибывать в зазор между трубками в тот момент, когда поле направлено в сторону её движения. Это означает, что длина каждой последующей дрейфовой трубки должна увеличиваться пропорционально возрастанию скорости частицы:

$$ L_n = \frac{v_n}{2f} $$

где L_n — длина n-й трубки, v_n — скорость частицы после n-го ускоряющего зазора, f — частота РЧ-поля.

Таким образом, трубки должны быть разной длины — это важно учитывать при конструировании ускорителя.

Типы линейных ускорителей

Существует несколько разновидностей линейных ускорителей в зависимости от ускоряемых частиц, диапазона энергий и назначения:

• Ускорители с постоянной длиной трубок — применяются для ускорения электронов, скорость которых быстро приближается к скорости света, и изменяется слабо. В этом случае можно использовать постоянную длину трубок и фиксированную частоту.
• Ускорители ионов с переменной длиной трубок — применяются при ускорении тяжёлых частиц, для которых инерциальное увеличение скорости требует более точной синхронизации.
• Сегментированные ускорители — состоят из отдельных модулей, каждый из которых содержит несколько ускоряющих секций. Удобны для наращивания энергии.

Пример: Линейный ускоритель Векслера-Ливермора

Типичным примером ЛУ является протонный ускоритель в Ливерморской лаборатории, который использует последовательность резонансных камер, питаемых РЧ-генераторами. Каждая камера настраивается на нужную фазу, а протонный пучок постепенно достигает энергии порядка сотен МэВ.

Фокусировка пучка

Фокусировка пучка в ЛУ может осуществляться следующими методами:

• Магнитная квадрупольная фокусировка — использование системы магнитных линз, аналогичных оптическим.
• Радиочастотная фокусировка — благодаря особенностям пространственно-временного распределения ускоряющего поля возможно самофокусирующее действие.
• Электростатическая фокусировка — используется в низкоэнергетических инжекторах.

При больших плотностях пучков необходимо учитывать кулоновское отталкивание (так называемое эффект пространственного заряда), которое может размывать пучок.

Энергетические характеристики и КПД

Линейные ускорители обладают высоким энергетическим разрешением и малыми эмиссионными флуктуациями. Однако, поскольку ускорение происходит только один раз на каждом участке траектории, для достижения высоких энергий необходимо либо удлинять установку, либо использовать сложные многокаскадные схемы. Поэтому ЛУ часто применяются как инжекторы в более мощные циклические ускорители.

Коэффициент полезного действия ЛУ ограничен эффективностью радиочастотной системы и потерями на стенках дрейфовых трубок. Современные ЛУ достигают КПД порядка 20–30 %.

Преимущества и недостатки линейных ускорителей

Преимущества:

• Простая геометрия и отсутствие необходимости в синхронизации с магнитной системой.
• Высокая точность энергии и времени пролёта частиц.
• Отсутствие синхротронного излучения у тяжёлых частиц (в отличие от циклических ускорителей).
• Возможность ускорения различных ионов без существенной реконфигурации установки.

Недостатки:

• Значительные габариты при необходимости достижения высоких энергий.
• Низкая повторная использование пучка — частица ускоряется только один раз.
• Высокие требования к синхронизации и фазовой стабильности.

Применения линейных ускорителей

• Фундаментальные исследования — начальные стадии в комплексах, таких как CERN, Fermilab и др.
• Медицина — ЛУ используются в качестве источников пучков для лучевой терапии, особенно в онкологии (линейные ускорители фотонов и электронов).
• Промышленность — применение для дефектоскопии, радиационной обработки материалов, стерилизации.
• Изотопное производство — генерация короткоживущих радионуклидов для ПЭТ-диагностики.
• Национальная безопасность — радиографические системы для досмотра грузов.

Развитие и перспективы

Современные исследования направлены на миниатюризацию ЛУ, увеличение их КПД, использование новых источников радиочастотного поля, в том числе лазерных и плазменных технологий. Интерес вызывают лазерно-плазменные ускорители, которые позволяют достичь высоких градиентов ускорения (порядка десятков ГэВ/м) на небольших расстояниях. Однако такие установки пока имеют ограничения по стабильности и контролю параметров пучка.

Линейные ускорители остаются неотъемлемой частью инфраструктуры современной ядерной и ускорительной физики, сочетая точность, стабильность и универсальность.