ЗАРЯДТЫ БӨЛШЕКТЕР ҮДЕТКІШТЕРІ – зарядты бөлшектерді (электрондарды, протондарды, атом ядроларын, иондарды) электр өрісі арқылы үдетіп, жоғары энергиялы зарядты бөлшектер тудыруға арналған құрылғы. Зарядты бөлшектер үдеткіштері физика ғылымынан тысқары (химияда, биофизикада, геофизикада) салаларда және қолданбалы мақсаттарда (дефектоскопияда, азық-түлікті стерилдеу, терапиялық емдеуде) қолданылуда. Зарядты бөлшектер үдеткіштерін зарядталған бөлшектерден пайда болған электрлік бейтарап құрылымдарды үдететін плазмалық үдеткіштерден ажырата білу керек.
Үдеткіш өріс тудыру тәсілі бойынша үдеткіштер кәдімгі («классикалық») үдеткішке [мұнда үдеткіш өріс сыртқы радиотехникалық құрылғылар (генераторлар) арқылы тудырылады] және үдеткіш өріс өзгедей зарядталған бөлшектер (электрондық шоқтармен, электрондық сақинамен, плазмалық толқындар) арқылы тудырылатын үдеткіштерге ажыратылады. Үдетілетін бөлшектердің типі бойынша э л е к т р о н д ы қ үдеткішке, п р о т о н д ы қ үдеткішке және и о н д ы қ үдеткішке, ал бөлшектер траекторияларының сипаты бойынша – с ы з ы қ т ы қ үдеткішке (траекториясы түзу сызыққа жуық) және ц и к л д і к (траекториясы шеңберге жуық) үдеткішке топталған.
Үдетуші өрістің сипаты бойынша р е з о н а н с т ы қ (үдетілетін бөлшектер өрістің өзгерісімен резонан-
1-сызба. Күшті фокустаушы синхрофа-
|
сты қозғалатын) және р е з о н а н с т ы қ е м е с (өрістің бағыты үдетілу кезінде өзгермейтін) топтарға ажыратылған. |
зотронның магнит қимасының сұл- басы: ток орамдарымен (2) қоздырылатын полюстердің ұштары (1) вакуумдық ка- |
мера (3) орналасқан аймақта
Резонанстық емес үдеткіш индукциялық үдеткішке және жоғары вольттік үдеткішке жіктелген.
Үдеткіштердің дамытылуының алғашқы кезеңінде (1919 – 32) жоғары кернеулі генераторларды жасау және оларды зарядталған бөлшектерді тұрақты электр өрісінде тікелей үдету үшін пайдалану бағытында өрістеді. Осы кезеңде 1931 жылы американ физигі Роберт Ван де Грааф (1901 – 1967) ж о ғ а р ы в о л ь т- т і к электрстатикалық үдеткіш (генератор) және 1932 жылы ағылшын физиктері Джон Кокрофт (1897 – 1967) және Эрнст Уолтон (1903 – 1995) к а с к а д т ы қ генератор жасаған. Осындай қондырғылар (жоғары вольттік үдеткіш) қазіргі кезге дейін ~ 106 эВ энергиялы үдетілген ағындар алуға мүмкіндік береді. 1931 – 44 жылдары резонанстық әдістер дамытылды, бұларда үдету айнымалы жоғары
жиілікті (ЖЖ) өрістер арқылы жүзеге асырылды. Бөлшек үдетілуі көптеген рет қайталану арқылы жоғары энергиялы бөлшекке айналады. Осы негіздегі циклдік үдеткіштер – ц и к л о т р о н д а р [мұның идеясын 1929 жылы американ физигі Эрнест Лоуренс (1901 – 1958) айтқан, ол үдеткіштің алғашқы нұсқасы 1931 жылы жасалған] өзінің дамуы барысында 10–20 МэВ энергиялы протондар шығарған. 1940 жылы американ физигі Дональд Керст (1911 – 1993) идеясы 20-жылдары ұсынылған электрондардың циклдік үдеткішінің индукциялық типі – б е т а-т р о н д ы іс жүзіне асырған.
Үдеткіштердің осы заманғы типін жасау 1944 – 45 жылдары кеңес физигі Владимир
2-сызба. Магниттің сол және оң полюстерінің (N және S) квадру- полдік линзасының магнит өрісі; Ғ – магнит өрісінің суреттің жазық- тығына перпендикуляр қозғалатын бөлшектерге әсер ететін күші (0 ортасында Ғ=0)
Векслер (1907–1966) және 1945 жылы өз бетінше американ физигі Эдвин Макмиллан (1907–1991) а в т о ф а з а л а у д ы ашқан соң резонанстық үдеткіштерде үдетілетін бөлшектер энергиясын едәуір арттыруға мүмкіндік берді. Осы принцип негізінде циклдік үдеткіштердің бірнеше типтері жасалды: синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. Радиотехниканың дамуы эффектілі сызықтық резонанстық үдеткіштер жасауға мүмкіндік ашты. 1950 жылы американ физиктері Николас Кристофилос (1917 – 1972), 1952 жылы Милтон Ливингстон (1905 – 1986), Хартлэнд Снайдер (1913 – 1962) күшті фокустау идеясын ұсынғаннан кейін циклдік және сызықтық үдеткіштерде тудырылатын энергия арттырыла түсті. Электрондардың шекті энергиясы сызықтық үдеткіштерде ~20 ГэВ-қа, ал протондар үшін циклдік үдеткіштерде > 500 ГэВ-ке жетті.
Осы аталған «классикалық» үдеткіштермен қатар 1956 жылы кеңес физигі Владимир Векслер ұсынған үдетудің ұжымдық әдісі үдетілу шапшаңдығын едәуір арттырды.
Зарядты бөлшектер үдеткіштерінде үдетілген зарядты бөлшектердің атомы ядроларымен әсерлесуінің нәтижесінде пайда болатын фотондар, нейтрондар, мезондар шоғын да алуға болады. Үдеткіштер ядролық физика мен жоғары энергия физикасының түрлі мәселелерін шешуде кеңінен қолданылатын негізгі зерттеу құралының біріне айналды. Үдеткіштер дефектоскопияда және изотоптар алуда, химиялық үрдістерді шапшаңдатуда, заттың қасиетін өзгертуде және медицинада кеңінен қолдау тапты. Зарядты бөлшектің үдеткіштері әлгі бөлшектердің траекториясына орай екі топқа ажыратылған. Бөлшек траекториясын түзу сызыққа жақындататын үдеткіштерде бөлшек үдетуші өрістен бір рет қана өтеді. Екінші топқа жататын циклдік үдеткіштерде бөлшек магнит өрісінің әсерімен шеңбер немесе спираль тәріздес траектория бойынша үдетуші өрістерді бірнеше рет (миллион ретке дейін) қайталап өтеді.
Үдеткіштерді бөлшек траекториясына қарай топтаумен қатар үдету тәсіліне қарай да ажыратуға болады. Ван де Грааф генераторынан, каскадтық генератордан немесе импульстық трансформатордан алынатын жоғарғы тұрақты потенциалдар айырымынан зарядты бөлшектерді бір рет қана өткізу арқылы энергия беретін үдеткіштер электрстатикалық сызықтық үдеткіштер деп аталған. Бөлшектің энергиясы тым жоғары болмағанмен (әдетте
Бөлшектердің фазотронда және ци-
2–8 МэВ) шоқтың монохроматтылығы
клотронда қозғалу сұлбасы (магнит
және оны қажетті энергияға бейімдеудің өрісі сызба жазықтығына перпенжеңілдігі, бұл үдеткіштерді тәжірибе жасауға дикуляр бағытталған): 1 – ион көзі; 2 – үдетілетін бөлшектің спираль
қолдану ыңғайлы. Электрстатикалық үдеткіш- орбитасы; 3 – үдеткіш электродтар; 4 – тандемде (біртекті үдеткіштерде) бөлшектің сыртқа шығару құрылғысы; 5 – үдеткіш өріс көзі
энергиясы 20 МэВ-ке дейін жеткізіледі.
И н д у к ц и я л ы қ ү д е т к і ш – бетатронның жұмыс істеу принципі электрмагниттік индукция құбылысына негізделген. Бетатрондағы үдетілетін электрондарды магнит өрісі дөңгелек орбитада ұстап тұрса, оған берілетін үдеуді құйынды электр өрісі тудырады. Энергиясы артқан электрон спираль бойымен қозғалады. Магнит өрісінің құрылымын белгілі бір шарттарды қанағаттандыратындай етіп таңдау арқылы электрондарды радиусы тұрақты орбита бойымен қозғалту мүмкін болады. Алғашқы бетатронды 1940 жылы американ физигі Керст іске қосқан.
Сызықтық және циклдік үдеткіштерде бөлшек қозғалысы электр өрісінің уақыт аралығындағы өзгеру ретімен резонанста (синхронды) болады. Сондықтан мұндай үдеткіштер резонанстық үдеткіштер деп аталған. Сызықтық резонанстық үдеткіштерде бөлшек түзу бойына орналастырылған көп электродтардың арасындағы потенциалдар айырымы аз электр өрісінен өту арқылы үдетіледі. Әдетте протондар ығулық (дрейфтік) түтікті резонатордың ішіндегі тұрғын толқын арқылы үдетіледі. Электр өрісінің бағыты зарядты бөлшектің қозғалыс бағытына қарсы болған жағдайда, протон дрейфтік түтіктің ішімен қозғалады. Түтіктің ішінде өріс өте аз болғандықтан, зарядты бөлшек инерция бойынша қозғалады. Электрондар толқын өткізгіштің ішінде қума толқын арқылы үдетіледі. Сызықтық үдеткіштерде зарядты бөлшекті енгізу және сыртқа шығару тәсілдері циклдік үдеткіштерге қарағанда қарапайым түрде жүзеге асырылады. ХХ ғасырдың 20-жылдары ұсынылған резонанстық сызықтық үдеткіштер тек 1945 жылдан кейін ғана, аса жоғары жиілікті радиотехниканың дамытылуына байланысты кеңінен пайдаланыла бастады. Жоғары энергиялы циклдік үдеткіштерде протондық сызықтық үдеткіштер (энергиясы 100 МэВ-ке дейінгі) инжектор (иондар көзі) ретінде пайдаланылады.
Үдеткіштердің ең көп тараған түрі – циклдік резонанстық үдеткіштер. Бұл үдеткіштердегі зарядты бөлшектер траекториясы сыртқы магнит өрісімен реттеледі. Ол траектория шеңберге ұқсас немесе спираль тәріздес болады. Зарядты бөлшек жоғары жиілікті электр өрісі арқылы үдетіледі. Алғашқы циклдік үдеткіш ХХ ғасырдың 30-жылдарының басында жасалды. Ц и к л о т р о н деп аталатын бұл үдеткішті америка физигі Э.Лоуренс іске қосты. Кеңес физигі В.И. Векслер (1944), кейінірек (1945) американ физигі Э. Макмиллан ұсынған автофазалау принципі циклдік үдеткіштердегі зарядты бөлшектерді үдету мүмкіншілігін күрт арттырды. Автофазалау принципін пайдалану нәтижесінде он жылдың ішінде үдеткіштерде алынатын протон энергиясы мың есеге жуық арттырылды. Циклдік үдеткіштерде кейде зарядты бөлшек тұйық орбита бойымен бірнеше миллион рет айналады. Сондықтан бөлшектің алдын ала есептелген орбита бойымен қозғалу орнықтылығын қамтамасыз ету қажет. Қозғалу орнықтылығы екі бағытта қарастырылады: орбитаның кеңістіктегі орнықтылығы (орбитадан көлденең бағытта ауытқуы) және уақыт аралығындағы орнықтылығы (яғни қозғалу бағыты бойынша орнықтылығы). Қозғалыс орнықтылығы үдеткіштер теориясында қарастырылады. Үдеткіштерде және басқа бірқатар аспаптарда зарядты бөлшектердің орнықты қозғалысына қажет шарттарды жасау, әдетте зарядты бөлшектерді фокустау дейді. Уақыт бойынша орнықтылық 3-сызба. Бетатрон қимасының сұлбасы:
а в т о ф а з а л а у деп аталған. 1 – магнит полюстері; 2 – сақина тәрізді
вакуумдық камера; 3 – орталық өзек; 4 –
Циклдік үдеткіштерді топтау фокус- электрмагниттің орамы; 5 – магнит мойны
тау тәсілімен есептелген орбиталарды басқару тәсілдеріне негізделген. Тұрақты магнит өрісі мен үдетуші электр өрісінің жиілігі тұрақты болатын үдеткіштерге ц и к л о т р о н және м и к р о т р о н (электрондық циклотрон) жатады. Бөлшектің жоғарғы энергиясының шамасы (бір нуклонға келетін) әлсіз фокустау тәсілі пайдаланылатын үдеткіштерде 20–25 МэВ-ке, ал күшті фокустау тәсілі қолданылатын циклотронда 1 ГэВ-ке дейін жетеді. Циклотронда үдетілген зарядты бөлшектер шоғының қарқындылығы өзге циклдік резонанстық үдеткіштермен салыстырғанда 100–1000 есе артық болады.
Тұрақты магнит өрісінің және зарядты бөлшекті үдету кезінде жиілігі өзгеріп отыратын айнымалы электр өрісінің әсерімен жұмыс істейтін үдеткіш ф а з а- т р о н (синхроциклотрон) деп аталған.
Айнымалы магнит өрісімен жұмыс істейтін үдеткіштерге синхротрон және синхрофазатрон (протондық синхротон) жатады. Бұл типтегі үдеткіштер сақина тәрізді болып жасалады. Олар жоғары энергиялы бөлшектер тудыруға арналған. Бұл үдеткіштерде әлсіз фокустау тәсілін пайдаланып, энергиясы 1,5 ГэВ электрондар және энергиясы 10 ГэВ-тен артық протондар, күшті фокустау тәсілі арқылы энергиясы аса жоғары зарядты бөлшектер шығаруға болады.
Б е т а т р о н – резонанстық емес бірден-бір циклдік зарядты бөлшектердің үдеткіші; зарядты бөлшектер сақиналы орбита бойынша қозғалады және де құйынды электр өрісі арқылы үдетіледі. 100–300 МэВ энергиялы электрондар шоғын тудыру үшін қолданылады.
М и к р о т р о н (электронды циклотрон) үздіксіз әрекетті резонанстық циклдік зарядты бөлшектердің үдеткіші болып табылады және де басқарушы магниттік өріс және үдеткіш электр өрісінің жиілігі уақыт бойынша тұрақты болады. Микротрон ~ 30 МэВ энергиялы электрондар шығаруға мүмкіндік береді. Микротрон көп жаңдайда синхротрондарда электрондар көзі ретінде пайдаланылды.
С и н х р о т р о н – зарядты бөлшектердің басқарушы магнит өрісі уақыт бойынша өзгермелі, ал басқарушы электр өрісінің жиілігі тұрақты болатын циклдік резонанстық үдеткіш; электрондар дөңгелек дерлік орбитамен қозғалады. Мұнда 6–12 ГэВ энергиялы электрондар тудырылады.
Ц и к л о т р о н зарядты бөлшектердің циклдік резонанстық үдеткіш болып табылады, онда басқарушы магнит өрісі және басқарушы электр өрісінің жиілігі тұрақты болады; зарядты бөлшектер жазық ұлғаймалы спирал бойынша қозғалады. Үздіксіз жұмыс істейді. Протондарды және басқа ауыр бөлшектерді 0,5–1,0 ГэВ энергияға дейін үдету үшін қолданылады.
Ф а з о т р о н (с и н х р о ц и к л о т р о н) – зарядты бөлшектердің циклдік резонанстық үдеткіші, мұнда магнит өрісі уақыт бойынша тұрақты, ал үдеткіш өріс біртіндеп кемиді; ауыр зарядты бөлшектер вакуумдық камераның ортасынан (мұнда ауыр бөлшектер көзі бар) бастап шеткері жағына қарай қозғалады.
С и н х р о ф а з о т р о н – зарядты бөлшектердің циклдік резонанстық үдеткіші. Мұнда басқарушы магнит өрісі және үдетуші электр өрісі бір мезгілде өзгереді. Зарядты ауыр бөлшектерді 10–300 ГэВ энергияға дейін үдетуге арналған. Протондарды үдетуге арналған синхрофазотрон п р о т о н д ы қ с и н х р о т р о н деп аталған.