В.П. Милантьев
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ
УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Учебное пособие
Москва
Российский университет дружбы народов
2011
1
УДК 621.384.6
ББК 22.381.1
М 60
Утверждено
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Рецензент –
доктор физико-математических наук, профессор В.И. Санюк
Милантьев, В. <...> М 60 Физические принципы ускорения заряженных частиц
[Текст] : учеб. пособие / В.П. Милантьев. <...> ISBN 978-5-209-03636-4
В данном пособии изложены основные физические механизмы
ускорения заряженных частиц, как традиционные, так и альтернативные,
и рассмотрены основные типы ускорителей, использующих эти механизмы. <...> ISBN 978-5-209-03636-4
ББК 22.381.1
© Милантьев В.П., 2011
© Российский университет дружбы народов, Издательство, 2011
2
ВВЕДЕНИЕ
Блестящие эксперименты Резерфорда по рассеянию
альфа-частиц, источниками которых являлись радиоактивные элементы, привели к открытию атомного ядра. <...> После
открытия позднее Резерфордом протона и осуществления
первого искусственного превращения ядер (1919 г.) с помощью тех же альфа-частиц стало ясно, что для исследования строения ядер необходимо иметь направленные пучки заряженных частиц больших энергий. <...> Ускорители позволили
получать направленные пучки заряженных частиц с большой интенсивностью, эквивалентной десяткам и сотням
килограммов естественных радиоактивных веществ. <...> С этими полями связаны различные механизмы ускорения. <...> В
1931–1932 гг. был создан каскадный генератор Кокрофта –
Уолтона (Великобритания), в котором протоны были ускорены до энергии около 700 кэВ. <...> Новый
этап в развитии ускорителей был связан с идеей о резонансном методе ускорения, не требующем высокого напряжения. <...> Простую схему такого ускорения, предложенную
шведским физиком Г.А. Изингом и развитую Р. <...> , который впервые построил циклический резонансный ускоритель – циклотрон
(1930 г). <...> Циклотрон не позволял получать электроны высоких
энергий, поскольку электроны быстро становятся релятивистскими, что приводит к нарушению <...>
_Физические_принципы_ускорения_заряженных_частиц.pdf
В.П. Милантьев
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ
УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Учебное пособие
Москва
Российский университет дружбы народов
2011
1
Стр.2
УДК 621.384.6
ББК 22.381.1
М 60
У т в е р ж д е н о
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Реце нзе н т –
доктор физико-математических наук, профессор В.И. Санюк
Милантьев, В.П.
М 60 Физические принципы ускорения заряженных частиц
[Текст] : учеб. пособие / В.П. Милантьев. – М. : РУДН,
2011. – 124 с.: ил.
ISBN 978-5-209-03636-4
В данном пособии изложены основные физические механизмы
ускорения заряженных частиц, как традиционные, так и альтернативные,
и рассмотрены основные типы ускорителей, использующих эти механизмы.
Пособие представляет собой введение в физику ускорителей. Вопросы
техники ускорителей не рассматриваются. Для более полного изучения
проблемы ускорителей следует обратиться к специальным руководствам.
Пособие
основано на конспектах лекций, которые автор в течение
ряда лет читал для студентов-физиков РУДН. Оно может быть полезно
также для всех интересующихся современными проблемами физики.
ISBN 978-5-209-03636-4
ББК 22.381.1
© Милантьев В.П., 2011
© Российский университет дружбы народов, Издательство, 2011
2
Стр.3
ВВЕДЕНИЕ
альфа-частиц, источниками которых являлись радиоактивные
элементы, привели к открытию атомного ядра. После
Блестящие эксперименты Резерфорда по рассеянию
открытия позднее Резерфордом протона и осуществления
первого искусственного превращения ядер (1919 г.) с помощью
тех же альфа-частиц стало ясно, что для исследования
строения ядер необходимо иметь направленные пучки
заряженных частиц больших энергий. Возникла идея о
создании ускорителей – устройств для получения таких
частиц. С их созданием необходимость использования радиоактивных
препаратов отпала. Ускорители позволили
получать направленные пучки заряженных частиц с большой
интенсивностью, эквивалентной десяткам и сотням
килограммов естественных радиоактивных веществ. В этом
было огромное преимущество ускорителей как инструментов
в ядерной физике. Источниками частиц высоких энергии
могут служить также потоки частиц, рождаемых в космическом
пространстве, – космические лучи. Однако интенсивность
этих источников очень мала, и она быстро убывает
с ростом энергии частиц.
В 20-х гг. ХХ в. было высказано немало идей об ускорении
частиц, но в то время не все они могли быть реализованы
по техническим причинам. Любой физический механизм
ускорения связан с приобретением энергии заряженными
частицами за счет работы электрического поля. Магнитное
поле, как известно, может изменить только направление
вектора скорости частицы, а не его величину. Для ускорения
используют статические, индукционные, высокочас3
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................. 3
Глава 1. Основные типы линейных ускорителей.................................. 12
1.1. Высоковольтные ускорители................................................................... 12
1.2. Линейные резонансные ускорители.................................................... 17
1.3. Фазовые колебания в линейном резонансном ускорителе... 24
Глава 2. Циклические ускорители.................................................................... 32
2.1. Бетатрон................................................................................................................ 32
2.2. Принцип жесткой фокусировки.............................................................. 41
2.3. Ускорители с постоянным магнитным полем................................ 46
2.4. Ускорители с постоянным радиусом орбиты.................................. 50
2.5. Синхротронное излучение.......................................................................... 53
Глава 3. Встречные пучки частиц и накопительные кольца........ 57
3.1. Столкновения частиц .................................................................................... 57
3.2. Светимость встречных пучков................................................................. 62
3.3. Охлаждение пучков заряженных частиц............................................ 65
3.4. Современные коллайдеры.......................................................................... 71
Глава 4. Коллективные методы ускорения................................................ 79
4.1. Общий обзор коллективных методов ускорения ......................... 79
4.2. Когерентные методы ускорения ............................................................ 81
4.3. Ускорение электронных колец................................................................ 84
4.4. Механизмы лазерно-плазменного ускорения................................. 86
123
Стр.124
Глава 5. Лазерное вакуумное ускорение...................................................... 92
5.1. Механизмы вакуумного ускорения электронов
лазерным излучением................................................................................... 92
5.2. Пондеромоторное ускорение.................................................................... 94
5.3. Механизм циклотронного авторезонанса......................................... 96
Глава 6. Другие альтернативные методы ускорения...................... 104
6.1. Механизм гиромагнитного авторезонанса.................................... 104
6.2. Обращенный лазер на свободных электронах ............................ 107
6.3. Ускорение при обращенном эффекте Черенкова....................... 109
6.4. Серфотронное ускорение......................................................................... 110
6.5. Кильватерное ускорение в волноводах........................................... 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................ 115
ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................................. 116
ОПИСАНИЕ И ПРОГРАММА КУРСА................................................................... 117
124
Стр.125