Мікротрон

Мікротрон являє собою резонансний циклічний прискорювач електронів з постійним у часі провідним магнітним полем.Електрони прискорюються високочастотним електричним полем, створюваному в порожньому резонаторі. Використовується особливий режим резонансного прискорення - «Резонанс із змінною кратністю».

Рис Схема пристрою мікротрону. 1 - вакуумна камера, 2) резонатор, 3) траєкторія електрона; 4) мішень. Показане розташування електронних згустків, одночасно знаходяться в камері. Провідне магнітне поле перпендикулярно площині креслення.

Ідея мікротрону була запропонована В.І. Векслером в 1944 році, основним недоліком більшості діючих «класичних» мікротронів було мале значення струму на виході. При енергіях електронів ~ 5 МеВ середній за часом струм не перевищував 1 мкА. Діаметр полюса магніту в кілька разів перевершував діаметр синхротронів та / або бетатронів при тій же кінцевій енергії електронів.

Магнітне поле створюється в зазорі між циліндричними полюсами електромагніта, що прискорює резонатор знаходиться поблизу краю полюса. Ідеальна траєкторія електрона має вигляд плоскої спіралі, всі витки якої утворені колами, дотичними в одній точці, де і розташований резонатор. Ці витки траєкторії прийнято називати орбітами; після першого прольоту крізь резонатор електрон рухається по «першій орбіті », після другого - по« другий »і т.д.

У мікротроні частинки вводяться в прискорюючу камеру не в центральній частині магнітного поля, як у циклотроні, а на його краю. У місці введення частинок поміщається порожнистий прискорючий резонатор. При кожному обороті електрони отримують енергію приблизно 0.5 МеВ і потрапляють в резонатор точно у момент прискорення на кожному витку (період n - го обороту кратний періоду першого обороту). Електрони рухаються по колу зростаючого радіусу, причому всі кола торкаються середину резонатора. Енергії електронів в "класичних" мікротрон зазвичай не перевищують 30 МеВ і обмежуються розмірами постійного магніту і зростаючими вимогами до однорідності його поля при збільшенні габаритів прискорювача.

В даний час обмеження на енергії мікротронів зняті використанням його варіанту, названого розрізним мікротрон (запропонований А. Коломенським ). Перехід від класичного мікротрону до розрізного можна пояснити. Якщо магніт класичного мікротрону " розрізати " на дві однакові частини вздовж пунктирною лінії АА і дві ці частини розсунути, залишивши прискорює резонатор між половинками магніта, то приходимо до схеми розрізного мікротрону. Тепер простір між магнітами дозволяє замінити невеликий резонатор, що допускає лише малий (0.5 МеВ ) приріст енергії за оборот, на самостійний (лінійний ) прискорювач з енергією 10 МеВ і більше і це дозволить багаторазово збільшити кінцеву енергію електронів (є розрізні мікротрон на енергію 1 ГеВ ).

Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону або схожою з нею в даний час використовується для генерації пучків електронів великої енергії в безперервному режимі. Справа в тому, що прискорювачі, як правило, працюють в імпульсному режимі, тобто, наприклад, електрони в них прискорюються протягом короткого часового проміжку Δt, коли можливе прискорення, після чого слідує порівняно тривала пауза для повернення в режим нового циклу прискорення. Період часу Т між циклами прискорення зазвичай багато більше тривалості електронного імпульсу ( Т >> Δt ). Характерна величина D = Δt / T, званої робочим циклом, Таким чином, для фізичних експериментів вдається використовувати лише 0.1 % часу роботи прискорювача. Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону дозволяє здійснити безперервний режим роботи прискорювача, коли D рівний або близький до одиниці. Це досягається безперервністю режиму роботи основної прискорювальної структури (лінійного прискорювача ), розташованої між розділеними частинами постійного магніта мікротрону. У мікротроні безперервної дії вся прискорювальна камера заповнена електронами, що знаходяться на всіх стадіях прискорення - від початкової (тобто з найменшою енергією ) до максимально можливої. Безперервний режим роботи такого прискорювача дозволяє використовувати для експериментів весь час його роботи і, тим самим, підвищити кількість актів досліджуваного взаємодії за фіксований час в 1/D103 раз, що особливо важливо для дослідження рідкісних подій.

Найбільшим прискорювачем електронів, які працюють в безперервному режимі ( D = 1 ) є прискорювач Національної лабораторії ім. Томаса Джеферсона ( TJNAF ) у м. Ньюпорт- Ньюс ( США ). Він використовує надпровідні прискорювальні структури і дозволяє прискорювати електрони до енергії 5.71 ГеВ. Ток його електронного пучка 200 мА. Енергетичне дозвіл дельтаE / E = 2.5*