Изглед към научния център Фермилаб (Fermilab), САЩ. Теватронът (пръстенът на заден план) и пръстенът-инжектор.
Ускорител на частици е устройство, което използва електрични и/или магнитни полета за ускоряването на електрически заредени частици и йони до много високи скорости. Съвременните ускорители са много скъпи съоръжения, изискващи ресурси, които не са по силите на никоя държава самостоятелно. Затова се строят с колективните усилия на няколко държави.
Принципът на работа на ускорителя е основан на взаимодействието на заредени частици с електричното и магнитното полета. Електричното поле способно извършва директна работа над частицата, като увеличава нейната енергия. Магнитното поле, създавайки Лоренцова сила, само отклонява частицата, без да изменя енергията ѝ, и задава орбитата, по която се движат частиците.
Ускорителите могат да бъдат разделени на две големи групи. Това са линейни ускорители, където снопът от частици преминава еднократно през ускоряващи го участъци, и циклични ускорители, в които сноповете се движат по затворени криви (например окръжности), преминавайки ускоряващите участъци многократно. Ускорителите могат да бъдат класифицирани и по предназначение: колайдери, източници на неутрони, бустери, източници на синхротронно излъчване, апаратури за медицинска терапия, промишлени ускорители.
Конструкции на ускорителите
Високоволтов ускорител (ускорител с директно действие)
Ускорител на заредени частици (електрони), в който ускорението се дължи на електрично поле, което е неизменно или слабо се променя в течение на цялото време за ускоряване на частиците. Негово важно предимство пред другите типове ускорители е възможността да се получи еднаква енергия на всички частици, или поне с много малък диапазон на вариране. Този тип ускорители се характеризира с висок КПД (до 95%) и дава възможност за постигане на голяма мощност (500 KeV и повече) което е важно за промишлени цели.
Електростатичен ускорител
С най-проста конструкция, линеен ускорител. Частиците се ускоряват под въздействието на постоянно електрично поле и се движат праволинейно във вакуумна камера, по чиято дължина са разположени ускоряващите електроди.
Разновидности:
Ускорител на Ван де Грааф – Ускоряващото напрежение се създава от генератор на Ван де Грааф, чийто принцип на действие използва механическо пренасяне на заряди с диелектрична лента. Максималните електрически напрежения от ~20 MV определят максимална енергия на частиците от ~20 MeV.
Каскаден ускорител – Ускоряващото напрежение се създава от каскаден генератор, който създава постоянно ускоряващо високо напрежение от ~5 MV, като преобразува ниско променливо напрежение по схемата на диоден умножител.
Линейните ускорители на електрони с невисоки енергии често се използват като съставна част на най-различни електровакуумни прибори (електронно-лъчева тръба, кинескоп, рентгенова тръба и др.).
Устройство на циклотрона от заявката за патент на Ърнест Лорънс. Магнитното поле е насочено перпендикулярно на равнината на рисунката.
Идеята на циклотрона е проста. Между два кухи електрода с полукръгла форма (наречени дуанти) се прилага променливо електрическо напрежение. Дуантите са разположени между полюсите на електромагнит, който създава постоянно магнитно поле. Частицата, въртейки се по окръжност в магнитното поле, се ускорява при всеки оборот от електрическото поле, приложено към процепа между дуантите. За да се получи това, е необходимо честотата на изменение на полярността на напрежението на дуантите да е равна на кръговата честота на частицата. С други думи, циклотронът е един резонансен ускорител. Ясно е, че с увеличението на енергията на всеки оборот, радиусът на траекторията на частиците ще се увеличава, докато тя не напусне пределите на дуантите.
Циклотронът е първият цикличен ускорител. За първи път е разработен и построен през 1931 г. от Ърнест Лорънс, за което е удостоен с Нобелова награда за физика за 1939 г. И до днес циклотроните се прилагат за ускорение на тежки частици до сравнително неголеми енергии – до 50 MeV/нуклон.
Друго название: индукционен ускорител. Цикличен ускорител, в който ускорението на частиците се осъществява от вихрово електрично поле, индуцирано от изменението на магнитния поток, обхващан от орбитата на снопа частици. Тъй като за създаването на вихрово електрично поле е необходимо да се изменя магнитното поле на сърцевината, а магнитните полета в несвърхпроводящите машини обикновено са ограничени от ефекта на насищане на желязото към ~20 килогауса, максимално достижимата енергия при бетатрона е ограничена отгоре. Бетатроните се използват предимно за ускорение на електрони до енергии 10 – 100 MeV (максимумът на достигната в бетатрон енергия е 300 MeV).
Първият надеждно работещ бетатрон е построен от Доналд Кърст през 1940 – 1941 г. в САЩ.
Микротрон
Микротронът е ускорител с променлива кратност. Резонансен цикличен ускорител с постоянни, като при циклотрона, водещо магнитно поле и честота на ускоряващото напрежение. Идеята на микротрона е нарастването на времето за един оборот на частицата, получаващо се за сметка на ускорението, да се направи кратно на периода на трептене на ускоряващото напрежение.
Фазотрон (синхроциклотрон)
Принципната разлика на синхроциклотрона от циклотрона е, че честотата на електричното поле се изменя в процеса на ускорения. Това позволява да се увеличи максималната енергия на ускоряваните йони. Енергията на частиците във фазотрона достига до 600 – 700 MeV.
Синхрофазотрон
Цикличен ускорител с постоянна дължина на орбитата и с изменящи се честота на ускоряващото електрично поле и големина на удържащото магнитно поле. Другото му название е протонен синхротрон.
Цикличен ускорител с постоянна дължина на орбитата и постоянна честота на ускоряващото електрично поле, но с изменящо се магнитно поле.
Лазер със свободни електрони
Специализиран източник на кохерентно рентгеново излъчване.
Линеен ускорител
Нарича се също „ли́нак“ (съкращение от LINear ACcelerator). Ускорител, в който частиците прелитат еднократно. Линейните ускорители се използват най-често за първично ускорение на частици, получени от електронна пушка или от йонен източник. Идеята за линеен колайдер за висока енергия не е нова. Основно предимство на линака е възможността да се получават ултрамалки емитанси и отсъствието на загуби на енергия, които растат пропорционално на четвъртата степен на енергията на частиците.
Колайдерът е ускорител на насрещни снопове частици. Това са чисто експериментални съоръжения, чиято цел е да се изучат процесите, протичащи при сблъсъка на частици с високи енергии. Големият адронен ускорител в CERN, както и Теватрон във Фермилаб са колайдери.
Колайдерите са два вида – кръгови, например, големият адронен ускорител в Европейския център за ядрени изследвания CERN (Centre europeen de recherche nucleaire). и линейни, като проектирания Международен линеен колайдер (International Linear Collider).
