Высоковольтный ускоритель. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Высоковольтный ускоритель - устройство для ускорения заряж. частиц электрич. полем, постоянным в течение всего времени ускорения частиц. Основные элементы высоковольтного ускорителя - источник заряж. частиц, ускоряющая система и высоковольтный генератор (рис. 1). Напряжение и, получаемое от высоковольтного генератора 1, подаётся на электроды ускоряющей системы 3 и создаёт внутри неё электрич. поле. Заряж. частицы из источника 2 ускоряются этим полем до энергии

эВ, где пе - заряд ускоряемой частицы (е - элементарный электрич. заряд; и выражено в В). Используя перезарядку частиц, можно при том же и получить частицы с энергией, в неск. раз превышающей энергию в обычных высоковольтных ускорителях (см. Перезарядный ускоритель).

Рис. 1. Схема высоковольтного ускорителя (линия со стрелкой изображает траекторию частицы).

Осн. преимущество высоковольтных ускорителей по сравнению с др. типами ускорителей - возможность получения пучков заряж. частиц с высокой стабильностью энергии и малым разбросом по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрич. поле, а также возможность создания установок с большой мощностью и высоким кпд. С помощью высоковольтного ускорителя может быть получена относит. нестабильность энергии ~10^-4, а у отдельных высоковольтных ускорителях ~10^-5-10^-6. Благодаря этому высоковольтные ускорители нашли широкое применение как при исследованиях в атомной и ядерной физике, так и для решения различных прикладных задач.

Размеры высоковольтного ускорителя определяются его ускоряющим напряжением и электрич. прочностью изоляции генератора и ускоряющей системы. Наибольшие достигнутые величины ускоряющего напряжения генератора ок. 20 MB, проектируются генераторы на напряжение до 30 MB.

При

1 MB в качестве высоковольтной изоляции высоковольтного ускорителя часто используют воздух при атм. давлении. Ускорители с u>1 MB размещают в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5-15 раз превышающем атмосферное (0,5-1,5 МПа), к-рый имеет более высокую электрич. прочность. Это значительно уменьшает размеры высоковольтного ускорителя и снижает его стоимость. Особенно эффективно применение эл--отрицат. газов (SF₆, фреона), подавляющих возникновение разряда в изоляц. промежутке, а также их смесей с азотом и углекислотой. Ускорители с импульсным ускоряющим напряжением размещают в камерах с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллиров. водой).

Для повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции высоковольтного ускорителя с целью уменьшения их размеров большие изоляц. промежутки разделяют на ряд малых элементов с помощью металлич. электродов, требуемое распределение потенциала на к-рых задаётся спец. делителем напряжения; при этом допустимая напряжённость электрич. поля для всего промежутка оказывается близкой к допустимой напряжённости для отд. элемента.

Уменьшить размеры высоковольтного ускорителя можно также, используя перезарядку частиц во время их ускорения.

Источники заряженных частиц для высоковольтного ускорителя

Источником электронов у большинства высоковольтных ускорителей служит термокатод с прямым или косв. накалом в сочетании с системой электродов, формирующих электронный пучок на нач. участке его движения. Часто используется конфигурация электродов, предложенная

Дж. Пирсом (J. Pierce), или её модификации, препятствующие расходимости пучка под действием его объёмного заряда (рис. 2). В ускорителях, работающих в непрерывном режиме, плотность электронного тока у поверхности катода составляет 0,5-1 А/см²; при работе в импульсном режиме она может быть в неск. раз выше.

рис. 2. Схема источника электронов с системой электродов Пирса: 1 - катод; 2 - прикатодный электрод; 3 - анод; 4 - граница электронного пучка.

В импульсных сильноточных высоковольтных ускорителях используются катоды с автоэлектронной и взрывной эмиссией. Первоначальным источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи к-рых локальное электрич. поле достигает 10⁷ В/см. Затем протекающий по микровыступам электрич. ток вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение. Облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму, к-рая сама становится источником электронов и через нек-рое время, расширяясь, замыкает ускоряющий промежуток.

Рис. 3. Схема высокочастотного источника ионов: 1 - разрядная камера; 2 - обмотка колебательного контура; 3 - изоляционная вставка; 4 - основание источника; 5 - отверстие для отбора ионов; 6 - вытягивающий электрод.

В большинстве ионных источников первичная ионизация происходит в камере, заполненной газом или паром при давлении 10-10^-1 Па (~10^-1-10^-3 мм рт. ст.), под действием электрич. разряда: высокочастотного (ВЧ источники, рис. 3), дугового в неоднородных электрич. и магн. полях [дуоплазмотроп, предложенный M. Арденне (M. Ardenne)] и др. Ионы, образующиеся в разряде, извлекаются полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Отбор ионов происходит с поверхности, ограничивающей область разряда. Концентрация положит. ионов обычно наиб. высока в центр. области разряда, откуда и производится их отбор. Вместе с атомарными ионами данного элемента из области разряда могут одновременно извлекаться также и молекулярные, а при разряде в парах сложных веществ - их заряж. молекулы или ионы др. элементов. Поэтому в ряде случаев необходима сепарация пучка.

Кроме положит. атомарных и молекулярных ионов в области разряда могут образовываться также и однозарядные отрицат. ионы элементов с положит. энергией сродства к электрону. Mн. отрицат. ионы могут быть получены непосредственно из области разряда при изменении полярности напряжения на вытягивающем электроде. При этом отбор производится с периферии разряда, где концентрация таких ионов наиб. высока. Отрицат. ионы получают и перезарядкой пучка положит. ионов на газовой или пароструйной мишени, на покрытой атомами щелочных металлов поверхности и т. д. Источники отрицат. ионов широко применяются для инжекции в перезарядные ускорители.

Ускоряющая система высоковольтного ускорителя (ускорительная трубка) одновременно является частью вакуумной системы высоковольтного ускорителя. Давление в ней не должно превышать 10^-3 Па (~10^-5 мм рт. ст.) (т. к. иначе происходит значит. рассеяние ускоряемых частиц на молекулах газа). У большинства высоковольтных ускорителей она представляет собой цилиндр, состоящий из диэлектрич. колец, разделённых металлич. электродами, с отверстием в центре для прохождения пучка заряж. частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутр. поверхностью трубки (рис. 4). Кольца и электроды вакуумно-плотно соединены друг с другом (спец. клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой). Электрич. прочность ускорит. трубки часто ограничивает энергию ускоренных частиц в высоковольтном ускорителе.

Рис. 4. Схема ускорительной трубки: 1 - кольцевые изоляторы; 2 - металлические электроды; 3 - соединительные фланцы.

В отличие от изоляц. конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорит. трубки металлич. электродами оказывается малоэффективным. При u>4-5 MB в трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а допустимая величина электрич. поля в ней снижается. Это явление, получившее назв. эффекта полного напряжения, объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в к-ром происходит обмен вторичными заряж. частицами и их размножение. (Причины появления вторичных частиц - облучение поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изолятора и т. д.) Для борьбы с этим эффектом предлагались разл. конструкции ускорит. трубок. Наиб. известность получили трубки с "наклонным полем", предложенные P. Ванде-Граафом (R. Van de Graaf). B них электроды устанавливаются под небольшим углом к плоскости поперечного сечения трубки, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие большую энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а вторичные частицы с меньшей энергией, возникающие внутри трубки, задерживаются электродами. Устранения эффекта полного напряжения удалось добиться также в ускорит, трубках с плоскими электродами, в к-рых электроды и изоляторы соединены пайкой или сваркой. Ускоряющая и вакуумная системы высоковольтных ускорителей, в которых используются такие трубки, не имеют элементов, содержащих органич. материалы, и допускают прогрев до температур в неск. сотен ⁰C. Благодаря этому рабочее давление в системе составляет 10^-6- 10^-7 Па и устраняется причина возникновения вторичных заряж. частиц в канале трубки. Однако изготовление сварных и паяных ускорит. трубок технологически значительно сложнее.

Типы высоковольтных генераторов

В высоковольтных ускорителях могут использоваться высоковольтные генераторы разл. типов. Пост. ускоряющее напряжение получают при помощи эл--статич. и каскадных генераторов (ЭСГ, КГ). ЭСГ - устройство, в к-ром перенос электрич. зарядов осуществляется механич. транспортером. Генератор с гибким транспортёром из диэлектрич. ленты наз. генератором Ван-де-Граафа по имени его изобретателя (1931). В совр. ЭСГ часто используется цепной транспортер с металлич. электродами, соединёнными диэлектрич. звеньями (пеллетрон, ладдетрон). Существуют также ЭСГ с транспортёром в виде жёсткого ротора. (См. Электростатический генератор.)КГ- устройство, состоящее из реактивных элементов (ёмкостных или индуктивных) и выпрямителей (вентилей), преобразующее низкое перем. напряжение в высокое пост. напряжение путём последоват. включения пост. напряжений, получаемых в отд. каскадах (см. Каскадный генератор).

Ускоряющая система высоковольтного ускорителя с генератором перем. ускоряющего напряжения содержит устройство, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц лишь в те моменты времени, когда синусоидальное напряжение генератора имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно малый разброс по энергиям ускоряемых частиц. В импульсных ускорителях используется тот же принцип, однако форма кривой напряжения высоковольтного генератора имеет вид одиночного или периодических коротких импульсов, разделённых длительными паузами. В ёмкостных импульсных генераторах большое число конденсаторов заряжается параллельно от общего источника, а затем при помощи разрядников осуществляется их переключение на последовательное соединение и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой до неск. MB.

Краткая история развития высоковольтных ускорителей

Первый высоковольтный ускоритель на энергию 700 КэВ построен в 1932 Дж. Кокрофтом (J. Cockroft) и Э. Уолтоном (E. Walton). B 30-е гг. наиб. развитие получили высоковольтные ускорители с высоковольтными генераторами Ван-де-Граафа. К 1940 благодаря применению для изоляции сжатого газа и использованию секционированных высоковольтных конструкций энергия ускоренных частиц была повышена до 4 МэВ. В СССР первые ЭСГ были разработаны в Укр. физ--техн. ин-те под руководством А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых с помощью высоковольтных ускорителей, удалось добиться применением перезарядных ускорителей и ускорит. трубок с наклонным полем, предложенных Ван-де-Граафом. Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСГ были предложены P. Хербом (R. Herb) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить мощность высоковольтных ускорителей (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником), были разработаны в 1960-65 К. Моргенстерном (К. Morganstern), M. Клилендом (M. Cleland) и Ван-де-Граафом. Большинство совр. отечеств. высоковольтных ускорителей для научных исследований и использования в технике разработаны коллективом НИИ эл.- физ. аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг. коллективом Ин-та ядерной физики СО АН СССР под руководством Г. И. Будкера.

Применение высоковольтных ускорителей

В течение примерно двух десятилетий со времени создания первых высоковольтных ускорителей осн. областью их применения была ядерная физика. С помощью высоковольтных ускорителей получены важные сведения о внутр. строении атомных ядер, об энергии связи нуклонов в ядрах, о сечениях ядерных реакций и др. Помимо непосредственного использования в физ. экспериментах высоковольтные ускорители применяются для предварительного ускорения заряженных частиц в крупных циклич. и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, для быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т. д. Высоковольтные ускорители получили широкое распространение в разл. технол. процессах на промышленных предприятиях. Ускорители ионов с энергией 100-500 кэВ применяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, для получения нейтронов облучением ускоренными ионами дейтерия мишеней, содержащих тритий. Такие источники нейтронов - нейтронные генераторы могут быть использованы, напр., для проведения активационного анализа разл. веществ, исследования стойкости элементов разл. конструкций к нейтронному облучению и др. Разработаны нейтронные генераторы с потоками св. 10¹³ нейтронов/с.

Рис. 1. Ираст-область ядра ^144мЕr. Нижняя по энергии последовательность уровней, соединённых сплошной линией, образует основную ираст-полосу. Уровни боковых ираст-полос соединены пунктирной линией.

Ускорители электронов с энергией 1-2 МэВ и мощностью неск. кВт могут служить генераторами рентг. тормозного излучения в промышленной дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, напр. вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентг. снимки с высоким разрешением. Перспективное направление практич. использования электронных ускорителей с энергией 0,2-4 МэВ и мощностью 10-100 кВт - обработка электронными пучками разл. материалов для придания им новых свойств путём радиац. полимеризации, радиац. вулканизации, деструкции и т. д.

Литература по высоковольтным ускорителям

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.