В циклотронах нельзя ускорять
электроны по той же схеме, как и протоны, так как
они быстро достигают релятивистских скоростей.
Тем не менее существуют ускорители (микротроны),
в которых электроны, также как и протоны в
циклотроне, многократно ускоряются импульсами
высокочастотного электрического поля в
постоянном однородном магнитном поле (принцип
действия микротрона предложен в 1944 г.
В. Векслером). В
микротроне (рис. 1) частицы вводятся в
ускорительную камеру не в центральной части
магнитного поля, как в циклотроне, а на его краю. В
месте ввода частиц помещается полый ускоряющий
резонатор. При каждом обороте электроны получают
энергию » 0.5 МэВ и попадают в
резонатор точно в момент ускорения на каждом
витке (период n-го оборота кратен периоду первого
оборота). Электроны движутся по окружности
увеличивающегося радиуса, причём все окружности
касаются внутри резонатора. Энергии электронов в
“классических” микротронах обычно не превышают
30 МэВ и ограничиваются размерами постоянного
магнита и возрастающими требованиями к
однородности его поля при увеличении габаритов
ускорителя.
Рис. 2. Схема разрезного микротрона
В настоящее время ограничения на
энергии микротронов сняты использованием его
варианта, названного разрезным микротроном (предложен
А. Коломенским).
Переход от классического микротрона к
разрезному можно пояснить с помощью рис. 2. Если
магнит классического микротрона “разрезать” на
две одинаковые части вдоль пунктирной линии АА
и две эти части раздвинуть, оставив ускоряющий
резонатор между половинками магнита, то приходим
к схеме разрезного микротрона. Теперь
пространство между магнитами позволяет заменить
небольшой резонатор, допускающий лишь малый (0.5 МэВ) прирост
энергии за оборот, на самостоятельный (линейный)
ускоритель с энергией 10 МэВ и более и это позволит
многократно увеличить конечную энергию
электронов (есть разрезные микротроны на энергию
1 ГэВ).
Ускорение электронов по схеме
разрезного микротрона или сходной с ней в
настоящее время используется для генерации
пучков электронов большой энергии в непрерывном
режиме. Дело в том, что ускорители, как правило,
работают в импульсном режиме, т. е., например,
электроны в них ускоряются в течение короткого
временнoго промежутка Δt, когда возможно ускорение, после
чего следует сравнительно длительная пауза для
возврата в режим нового цикла ускорения. Период
времени Т между циклами ускорения обычно много
больше длительности электронного импульса (Т
>> Δt).
Характерная величина D = Δt/T, называемой рабочим циклом, 10-3. Таким образом,
для физических экспериментов удается
использовать лишь 0.1%
времени работы ускорителя. Ускорение электронов
по схеме разрезного микротрона позволяет
осуществить непрерывный режим работы
ускорителя, когда D равен или близок к единице.
Это достигается непрерывностью режима работы
основной ускорительной структуры (линейного
ускорителя), расположенной между разделенными
частями постоянного магнита микротрона. В
микротроне непрерывного действия вся
ускорительная камера заполнена электронами,
находящимися на всех стадиях ускорения – от
начальной (т. е. с наименьшей энергией) до
максимально возможной. Непрерывный режим работы
такого ускорителя позволяет использовать для
экспериментов все время его работы и, тем самым,
повысить количество актов изучаемого
взаимодействия за фиксированное время в 1/D103 раз, что особенно
важно для исследования редких событий.
Крупнейшим ускорителем электронов,
работающим в непрерывном режиме (D = 1) является
ускоритель Национальной лаборатории им. Томаса
Джеферсона (TJNAF) в г. Ньюпорт-Ньюс (США). Он
использует сверхпроводящие ускорительные
структуры и позволяет ускорять электроны до
энергии 5.71 ГэВ. Ток его электронного пучка 200 мкА.
Энергетическое разрешение E/E = 2.5.10-5.
а.
б.
Рис. 4. Ускоритель электронов TJNAF. а - вид с
птичьего полета, б - ускорительный канал