Большая Советская Энциклопедия (УС)

Важное преимущество У. в. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. С помощью У. в. легко может быть достигнут относительный разброс энергии ~ 10^{– 4}, а у отдельных ускорителей 10^{– 5}– 10^{– 6}. Благодаря этому У. в. нашли широкое применение при исследованиях в атомной и ядерной физике. Др. преимущество У. в. – возможность создания установок с большой мощностью и высоким кпд, что весьма важно при использовании ускорителей в прикладных целях.

Виды У. в. В зависимости от типа используемого высоковольтного генератора различают электростатические, каскадные, трансформаторные и импульсные У. в.

1) В электростатическом ускорителе (ЭСУ) напряжение создаётся электростатическим генератором – генератором, основанным на переносе зарядов механическим транспортёром. Генератор с гибким транспортёром из диэлектрической ленты называется генератором Ван-де-Граафа (рис. 2 ). Электрические заряды наносятся на поверхность движущегося транспортёра зарядным устройством, состоящим из системы игл и плоского электрода, между которыми создаётся коронный разряд . Затем заряды переносятся к высоковольтному электроду, где при помощи др. аналогичного устройства они снимаются, а вместо них на поверхность транспортёра наносятся заряды противоположного знака, снимаемые первым устройством. Существуют также генераторы с транспортёром в виде жёсткого диэлектрического ротора (роторные электростатические генераторы). С 1960-х гг. в некоторых ЭСУ используется цепной транспортёр с металлическими электродами, соединёнными между собой диэлектрическими звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества которого – высокая стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее напряжение, полученное с иомощью электростатических генераторов, составляет около 20 Мв ; проектируются установки на напряжение до 30 Ме.

2) В каскадном ускорителе источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное путём последовательного включения постоянных напряжений, получаемых в отдельных каскадах схемы. Существует несколько схем каскадных генераторов, среди которых наиболее известен генератор Кокрофта – Уолтона с последовательным питанием каскадов (см. Каскадный генератор ). В 60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивнои связью каскадов с источником питания (рис. 3 ); их преимущество – равномерное распределение напряжения по каскадам, а недостаток – необходимость изоляции каскадов на полное рабочее напряжение установки. Современные каскадные генераторы позволяют получать напряжение до 4 Ме при мощности установок в несколько десятков квт.

3) В трансформаторных ускорителях генератором высокого напряжения является высоковольтный трансформатор, питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система таких ускорителей имеет устройство отсечки, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно малый разброс энергии ускоряемых частиц. Высоковольтный трансформатор практически не имеет ограничений по мощности и является наиболее перспективным типом генератора для мощных и сверхмощных У. в. с энергией ускоренных частиц до 2–3 Мэв.

4) В импульсных ускорителях источником напряжения служат импульсные трансформаторы различных типов (например, Тесла трансформатор ), а также ёмкостные генераторы импульсного напряжения. В последних большое число конденсаторов заряжается параллельно от общего источника, затем при помощи разрядников осуществляется их переключение на последовательное, и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой до нескольких Мв.

Линейные размеры У. в. определяются напряжением высоковольтного генератора и электрической прочностью его изоляции и ускоряющей системы. Ввиду малой электрической прочности воздуха при атмосферном давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией свыше 1 Мэв обычно нецелесообразно. Ускорители на большую энергию размещаются в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5–15 раз превышающем атмосферное. Это значительно уменьшает размеры ускорителей и снижает стоимость их сооружения. Особенно эффективно применение электроотрицательных газов (фреона и шестифтористой серы), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).

Основной способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции – секционирование изоляционных конструкций, т. е. разделение больших изоляционных промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлических электродов с заданным распределением потенциала.

Перезарядный ускоритель (тандем). Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа (рис. 4 ), называемых тандемными, или перезарядными, отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положительные ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или плёнку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных ускорителей (рис. 5 ). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, которые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицательные ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной энергией.

Источники заряженных частицдля У. в. Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно по катоду, либо отдельным подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная эмиссия ) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи которых электрическое поле усиливается до ~ 10⁷в/см. Затем электрический ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму , которая сама становится источником электронов.

В ионных источниках заряженные частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или парами вещества при давлении 10^{– 1} –10^{– 3}мм рт. ст., содержащими атомы соответствующего элемента. Первичная ионизация происходит под действием электрического разряда: высокочастотного (ВЧ источники; рис 6 ) дугового разряда в неоднородном электрическом и магнитном полях (дуоплазматрон, предложенный нем. физиком М. Арденне) и т.д. Ионы, образующиеся в области разряда, извлекаются оттуда полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Положительные ионы получают из центральной части области разряда, где их концентрация выше, а отрицательные – с периферии этой области. Отрицательные ионы для перезарядных ускорителей могут быть получены также перезарядкой пучка положительных ионов на газовой или пароструйной мишени, при взаимодействии положительных ионов с твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т.д.

Ускоряющая система У. в. (ускорительная трубка). Ускорительная трубка является частью вакуумной системы У. в., давление в которой не должно превышать 10^{– 5}мм рт. ст. У большинства У. в. она представляет собой цилиндр, состоящии из диэлектрических колец, разделенных металлическими электродами с отверстием в центре, служащим для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутренней поверхностью системы (рис. 7 ). Кольца и электроды соединены друг с другом специальным клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой, обеспечивающими вакуумное уплотнение. Ускорительная трубка – один из основных элементов У. в., недостаточная электрическая прочность которого часто ограничивает энергию ускоренных частиц.

В отличие от изоляционных конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорительной трубки металлическими электродами оказывается малоэффективным. При напряжении высоковольтного генератора более 4–5 Мв в трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а её электрическая прочность снижается. Это явление, получившее название «эффект полного напряжения», объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в котором происходит обмен вторичными заряженными частицами и их размножение. Причины появления таких частиц – облучение внутренней поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изоляторов и т.д. Для борьбы с «эффектом полного напряжения» предлагались различные конструкции ускорительных трубок. Наиболее известны ускорительные трубки с «наклонным полем», в которых электроды трубки устанавливаются под небольшим углом к плоскости её поперечного сечения, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие значительную энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а возникающие внутри трубки вторичные частицы с меньшей энергией задерживаются электродами. Устранения «эффекта полного напряжения» удалось добиться также в ускорительных трубках с плоскими электродами, у которых электроды и изоляторы соединены пайкой, а рабочий вакуум составляет 10^{– 8} –10^{– 9}мм рт. ст.