Ускоритель высоковольтный
Ускоритель высоковольтный, устройство для ускорения заряженных частиц электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Основные элементы У. в. = высоковольтный генератор, источник заряженных частиц и система, предназначенная для ускорения частиц (рис. 1). Напряжение, получаемое от высоковольтного генератора, подаётся на электроды ускоряющей системы и создаёт внутри этой системы электрическое поле. Заряженные частицы из источника ускоряются этим полем до энергии Е = enu эв, где e = элементарный электрический заряд, n = число элементарных зарядов ускоряемой частицы, u = напряжение (в в) высоковольтного генератора. Давление внутри ускоряющей системы не должно превышать 10-4=10-5 мм рт. ст., т.к. иначе происходит значительное рассеяние ускоряемых частиц на молекулах газа.
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 частиц для 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 ~ 107 в/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.
Успехи в разработке новых конструкций высоковольтных генераторов и ускорительных трубок позволили повысить энергии протонов, получаемых в перезарядных У. в. до 40 Мэв. Многозарядные тяжёлые ионы могут быть ускорены до значительно больших энергий. Ток пучка крупнейших У. в. ионов составляет единицы = десятки мка при размерах пучка на мишени несколько мм и его расходимости менее 10-3 рад.
Краткая история развития У. в. Первый У. в. каскадного типа на энергию 700 кэв был построен в 1932 англ. физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. В предвоенные годы наибольшее развитие получили ЭСУ 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 ЭСУ были разработаны в Украинском физико-техническом институте под рук. А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых с помощью У. в., удалось добиться путём применения перезарядных ускорителей и ускорительных трубок с наклонным полем, предложенных Р. Ван-де-Граафом (США). Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСУ были предложены Р. Хербом (США) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить мощность У. в. (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником), были разработаны в 1960=65 К. Моргенштерном (США) и Ван-де-Граафом. Большинство современных советских У. в. для научных исследований и использования в технике разработаны коллективом Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг. коллективом института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР под руководством Г. И. Будкера.
Применение У. в. На протяжении ряда лет, начиная с создания в 1932 первого У. в., основной областью их применения была ядерная физика. С помощью У. в. получены важные сведения о внутреннем строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной и объёмной структуре твёрдых тел и т.д. Помимо непосредственного использования в физических экспериментах, У. в. применяются для предварительного ускорения заряженных частиц в крупнейших циклических и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т.д.
Благодаря низкой стоимости и компактности У. в. нашли широкое применение в различных технологических процессах на промышленных предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100=200 кэв применяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий, ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы) могут быть использованы, например, для проведения активационного анализа различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов к нейтронному облучению и т.д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками свыше 1012 нейтронов/сек.
Ускорители электронов с энергией 1=2 Мэв и мощностью в несколько квт могут служить генераторами рентгеновского тормозного излучения в промышленной дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, например вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.
Перспективное направление практического использования электронных ускорителей с энергией 0,2=3 Мэв и мощностью 10=100 квт = обработка электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств путём радиационной полимеризации, радиационной вулканизации, деструкции и т.д.
Лит.: Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Ускорители. Сб., пер. с англ. и нем., под ред. Б. Н. Яблокова, М., 1962; Электростатические ускорители заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, М., 1963.
М. П. Свиньин.