Линейный ускоритель (или линейный акцелератор, линейный ускоритель заряженных частиц, линяк) представляет собой устройство, предназначенное для увеличения энергии заряженных частиц путём последовательного прохождения ими электрических полей ускоряющих электродов, расположенных по прямой линии. Основной принцип основан на том, что частицы получают прирост кинетической энергии каждый раз, проходя через промежутки между электродами, на которые подаётся переменное электрическое напряжение, синхронизированное с движением частиц.
Ключевая особенность линейных ускорителей — прямолинейная геометрия траектории частиц и последовательность ускоряющих структур, длина которых возрастает по мере увеличения скорости частиц. Это необходимо для согласования времени пролёта частиц через ускоряющие промежутки с фазой переменного поля.
1. Источник частиц. Это устройство, генерирующее первичный пучок заряженных частиц. В зависимости от типа ускорителя это может быть электронная пушка, ионный источник или ионизатор.
2. Резонансные ускоряющие структуры. Частицы ускоряются в промежутках между электродами или внутри резонаторов, в которых создаётся переменное электрическое поле. В современных ускорителях используются радиочастотные (RF) структуры, обеспечивающие ускорение с высокой частотой (от десятков до тысяч МГц).
3. Фокусирующие и направляющие элементы. Для удержания пучка в пределах ускоряющей трубки применяются магнитные линзы (квадруполи), соленоиды и электростатические линзы, предотвращающие рассеивание пучка и обеспечивающие его транспортировку в заданном направлении.
4. Система синхронизации. Сложная электронная система, обеспечивающая согласование фазы переменного ускоряющего напряжения с положением частиц, что особенно важно при больших энергиях и релятивистских скоростях.
5. Вакуумная система. Поскольку взаимодействие частиц с молекулами воздуха ведёт к потерям энергии и рассеянию пучка, вся ускоряющая система помещена в трубку с высоким вакуумом (до 10⁻⁹ Торр).
Одной из задач при проектировании линейных ускорителей является точная синхронизация фаз ускоряющего поля с пролётом частиц через ускоряющие промежутки. Поскольку частицы ускоряются и приобретают всё большую скорость, расстояние между электродами (или длина резонаторов) должно увеличиваться, чтобы частица находилась в благоприятной фазе поля при прохождении каждого следующего промежутка.
В случае электронных линейных ускорителей, где частицы почти сразу становятся релятивистскими, длины секций можно сделать одинаковыми. В ионных ускорителях приходится использовать переменную длину секций, либо системы с постоянным градиентом и переменной частотой возбуждения.
Электростатические линейные ускорители. Простейший тип, где ускорение обеспечивается постоянным электрическим полем (например, ускоритель Кокрофта–Уолтона или генератор Ван де Граафа). Энергия ограничена пробоем диэлектриков и не превышает десятков МэВ.
РЧ-ускорители (RF-linacs). Наиболее распространённые ускорители в физике высоких энергий и медицинских применениях. Используют радиочастотные электромагнитные поля в специальных резонаторах. Примером является ускоритель SLAC, длиной более 3 км.
Тандемные линейные ускорители. Состоят из двух стадий: первая — ускорение отрицательных ионов, вторая — после прохождения тонкой фольги, где происходит ионизация, повторное ускорение уже положительных ионов. Позволяют удваивать энергию при фиксированном напряжении.
Плазменные линейные ускорители. Перспективное направление, использующее плазму для создания сверхсильных ускоряющих полей. Такие устройства пока находятся в стадии активных исследований, но потенциально способны сократить длину ускорителя на порядки.
SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Один из самых известных линейных ускорителей в мире, предназначенный для ускорения электронов и позитронов до энергии 50 ГеВ. Является уникальным источником лептонов высокой энергии и использовался в экспериментах, приведших к открытию кварков.
LINAC в медицинской радиотерапии. Медицинские линейные ускорители ускоряют электроны, которые затем преобразуются в рентгеновское излучение для облучения опухолей. Применяются во многих онкологических клиниках, обеспечивая точное и локализованное воздействие.
Линейные ускорители как бустеры. Во многих ускорительных комплексах (например, в CERN) линейные ускорители служат в качестве инжекторов — начального этапа, подающего разогнанный пучок в циклические ускорители, такие как синхротроны.
Преимущества:
Ограничения:
Современные исследования направлены на повышение эффективности ускорения, миниатюризацию структур, улучшение охлаждения и разработку новых ускоряющих материалов. Перспективные разработки включают диэлектрические ускоряющие структуры, фотонные ускорители, а также схемы на основе лазерных и плазменных технологий.
Важнейшие задачи, решаемые при помощи линейных ускорителей:
Линейные ускорители остаются неотъемлемой частью арсенала современной физики высоких энергий, занимая особое место в фундаментальных и прикладных исследованиях.