Линейный ускоритель (или линейный ускоритель заряженных частиц, ЛИНАК — от англ. LINear ACcelerator) представляет собой устройство, в котором заряженные частицы ускоряются вдоль прямолинейной траектории за счёт действия электрических полей переменного тока. Основная идея заключается в последовательной передаче энергии ускоряемой частице на каждом участке ускоряющей структуры, синхронизированной с её движением.
ЛИНАК состоит из чередующихся ускоряющих и дрейфовых секций. Электрическое поле прикладывается только в ускоряющих зазорах, между которыми размещаются полые цилиндры (дрейфовые трубки), экранирующие частицу от встречных фаз поля в противоположной полярности. При прохождении частицы через зазор она ускоряется, далее входит в дрейфовую трубку, где поле отсутствует, и затем снова оказывается в следующем ускоряющем зазоре в момент, когда фаза поля вновь становится ускоряющей.
Для соблюдения синхронизации, длины дрейфовых трубок увеличиваются по мере роста скорости частицы, поскольку её время пролёта между ускоряющими секциями уменьшается. Таким образом, ЛИНАК требует точного расчёта резонансной структуры для обеспечения синфазного взаимодействия.
Это самые простые ускорители, где ускоряющее напряжение приложено стационарно, как, например, в генераторе Кокрофта–Уолтона или Ван де Граафа. Применимы лишь для ускорения до сравнительно малых энергий (десятки МэВ), поскольку напряжения ограничены электрическим пробоем.
В этих установках ускорение осуществляется переменными электрическими полями в радиочастотном диапазоне. Основу ускоряющей структуры составляют резонаторы, возбуждаемые ВЧ-генераторами. Наиболее распространённые типы структур:
ЛИНАКи используются как для лёгких частиц (электронов, позитронов), так и для тяжёлых ионов (протонов, дейтронов, α-частиц, тяжёлых ядер). Ускорение ионов требует более массивных и длинных структур, поскольку масса частиц велика, а скорость растёт медленно, что обуславливает необходимость точной подгонки длины дрейфовых трубок.
Для электронов, которые быстро достигают релятивистских скоростей (v ≈ c уже при энергии порядка МэВ), длина дрейфовых трубок после определённого участка может быть постоянной, поскольку их скорость практически не меняется. Это существенно упрощает конструкцию электронных ЛИНАКов.
В ЛИНАКе важно предотвращать рассеивание и расфокусировку пучка. Это достигается применением внешних фокусирующих систем:
Применяется также принцип сильной фокусировки, аналогичный тому, что используется в синхротроне.
Синхронная частица движется по заданной траектории, получая ускорение в моменты, когда поле максимально. Система должна быть устойчивой к фазовым и энергетическим отклонениям, что достигается применением метода фазовой стабильности — частицы, отклоняющиеся по фазе, получают коррекцию своей энергии, возвращающую их в синхронную фазу.
Наиболее известные примеры:
Примеры:
Линейные ускорители играют ключевую роль в формировании первичного пучка заряженных частиц. Несмотря на ограниченность в достижении экстремальных энергий по сравнению с кольцевыми ускорителями, ЛИНАКи незаменимы как:
Существуют перспективные концепции ЛИНАКов на основе:
Эти технологии обещают компактность и снижение энергопотребления, что особенно актуально для построения будущих ускорителей на энергию в десятки ТэВ.
Линейные ускорители представляют собой фундаментальный элемент современной и будущей ускорительной физики, сочетающий инженерную строгость, высокоточные расчёты и передовые технологии в области радиофизики, материаловедения и сверхпроводимости.