Циклические ускорители с переменным во времени магнитным полем и изменяемой частотой

Синхротроны

Синхротрон и изохронный циклотрон

f = 2pw =1/T qvB = mv²/r Þ v/r = w = qB/m

В синхротроне f ВЧпеременная

w = qB/m = qBc²/m₀c²(1 +E_k/m₀c²)

f совпадает с частотой вра­щения лишь небольшой группы частиц.

Синхротрон работает в импульсном режиме с частотой повторения циклов, равной частоте модуляции высокого напряже­ния. Длительность отдельного импульса порядка сотен микросе­кунд. Вследствие этого ток ускоренных частиц не превосходит 2—3 мкА, наружу выводится лишь несколько процентов внутреннего тока.

DE/E @ 10^-2, внутренняя мишень может служить источником мезонов. Ускоряются протоны, дейтоны и a-частицы до сотен МэВ. E_pmax 800—1000 МэВ.

Циклотрон с ази­мутальной вариацией магнитного поля (изо­хронный циклотрон). f_ВЧ= const. <B> увеличивается по радиусу и варьируется по азимуту. Фокусирующие силы больше дефокусирующих. Токи близки к циклотронным, энергия достигает нескольких сотен МэВ. Предусматривается изме­нение энергии частиц в десять и более раз. DE/E @ 0,2%

Задача. Оценить радиус r и массу магнита М гатчинского синхроциклотрона на 1 ГэВ при B = 2 Тл.

r = Е_полн/qBc =

(931 + 1000) *1,610^-13 /1,610^-192*310⁸ = 3,2 м

М = 4(3,2)³ 8 т = 1050 т

Частица движется по окружно­сти с постоянным радиусом внутри тороидальной камеры. Магнит ускори­теля кольцевой с радиусом до нескольких тысяч м, а энергию частиц до сотен ГэВ. Pежим работы – импульсный (5 - 10 имп/мин с 10¹²-10¹⁴ p/имп)

Схема синхроциклотрона
Большой адронный коллайдер

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 10²⁹ частиц/см²·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·10³⁴ частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

В электронных синхротронах после инжектора v_e = c f = const и изменяется только B.

Электро­ны при движении по окружности генерируют тормозное излучение. Интенсивность растёт с уменьшением R и увеличением E.

При E_e = 10 ГэВ и R = 30 м потери на излучение за 1 оборот составляют 29,5 МэВ. I_e несколько мкА

Дата добавления: 2013-12-13