Зарядталған бөлшектердің үдеткіші

Зарядталған бөлшектердің үдеткіші - жоғары энергиялы зарядталған бөлшектерінің электр өрісінде үдету арқылы алуға арналған құрылғы.

Fermilab үдеткіш орталығы, АҚШ. Теватрон мен айналым-инжектор.

Зарядты бөлшек үдеткіштері – электр өрісінде үдету арқылы энергиясы жоғары зарядталған бөлшектерді (электрондарды, протондарды, атом ядроларын, иондарды, т.б.) алуға арналған құрылғы. Зарядты бөлшек үдеткіштерінде зарядталған бөлшектер вакуумдық камера ішінде электр өрісінің көмегімен үдетіледі. Ал магнит өрісі зарядталған бөлшектердің қозғалу бағытын (жылдамдығының шамасын өзгертпей) ғана өзгертеді. Үдетуші электр өрісі, әдетте, сыртқы құрылғы (генератор) көмегімен туғызылады. Сондай-ақ, бөлшектер басқа зарядталған бөлшектер өрісімен де үдетілуі мүмкін. Үдетілудің мұндай тәсілі ұжымдық тәсіл деп аталады. Зарядты бөлшек үдеткіштерін плазмалық үдеткіштен айыра білу керек. Плазмалық үдеткіште зарядталған бөлшектердің электрлік бейтарап түзілімдер ағыны үдетіледі. Зарядты бөлшек үдеткіштері – қазіргі физиканың негізгі құралдарының бірі. Жоғары энергиялы бөлшектер шоғы табиғатты, элементар бөлшектердің қасиеттерін зерттеуде, атом ядросы физикасы мен қатты дене физикасында, сондай-ақ, химия, биофизика, геофизика саласында, қолданбалы мақсатта (дефектоскопия, өнімдерді стерильдеу, сәулемен емдеу), т.б. қолданылады.

Зарядты бөлшек үдеткіштерін әр түрлі белгі бойынша жіктелуі

• Үдетілетін бөлшектердің типіне сәйкес электрондық үдеткіштер:

протондық үдеткіштер

иондық үдеткіштер

• Траекториясының сипатына қарай:

сызықты үдеткіштер (траекториясы түзу сызыққа жақын)

циклді үдеткіштер (траекториясы дөңгелекке не спиральға жуық)

• Үдетуші өрістің сипатына қарай:

резонансты үдеткіштер (бөлшектер жоғары жиілікті электр өрісімен үдетіледі және үдетілген бөлшектердің қозғалысы өрістің өзгерісімен резонанста болады)

резонанссыз үдеткіштер (бөлшектерді үдету кезінде өріс бағыты өзгермейді, бұл үдеткіштердің екі түрі бар: индукциялық үдеткіштер және жоғары вольтті үдеткіштер)

• Бөлшектердің орбита бағытына перпендикуляр орнықтылығын қамтамасыз ететін механизмге сәйкес:

біртекті фокустау үдеткіштері (фокустауыш күштің таңбасы траектория бойында тұрақты болады)

таңбасы айнымалы фокустау үдеткіштері (фокустауыш күштің таңбасы траектория бойында өзгеріп отырады)

Циклді үдеткіштерге электрондық үдеткіштер (бетатрон, микротрон, синхротрон), ауыр бөлшектер (протондар, т.б.) үдеткіштері (циклотрон, фазотрон, синхрофазотрон) жатады. Бетатроннан басқа, барлық циклді үдеткіштер резонансты үдеткіштер болып есептеледі. Сызықты жоғары вольтті үдеткіштердің көмегімен энергиясы 30 МэВ-ке дейінгі қарқынды бөлшектер шоғын алуға болады. Зарядты бөлшек үдеткіштерінің дамуына атом ядросының құрылысын зерттеу мәселесі себеп болды.

Үдеткіштер дамуы

Үдеткіштер дамуының бастапқы кезеңі (1919 – 32) жоғары кернеу алу және оны зарядталған бөлшектерді тікелей үдету үшін қолдану жолымен жүрді. 1931 жылы америкалық физик Р. Ван-де-Грааф электрстатикалық генераторды, 1932 жылы ағылшын ғалымдары Дж. Кокрофт пен Э. Уолтон каскадты генераторды құрастырды. Бұл қондырғылар энергиясы 1 МэВ-ке дейін үдетілген бөлшектер ағынын алуға мүмкіндік берді. 1931 – 44 жылы бөлшектерді үдетудің резонанстық тәсілінің (айнымалы жоғары жиілікті өріспен үдету) пайда болу және оның жандану кезеңі болды. Осы тәсілдің негізінде америкалық физик Э.О. Лоуренс циклотрон құрастырды. Циклотрон арқылы алынған протонның энергиясы 10 – 20 МэВ-ке дейін жетті.

1940 жылы америкалық физик Д.У. Керст циклді электрондық индукциялық үдеткішті (бетатронды) құрастырды. 1944 – 45 жылы ресейлік физик В.И. Векслер мен америкалық физик Э.М. Макмиллан бір-бірінен тәуелсіз автофазалау құбылысын ашты. Осы құбылысқа негізделіп резонансты үдеткіштердің немесе циклді үдеткіштердің (синхротрон, фазотрон, микротрон) жаңа түрлері құрастырылды. 20 ғ-дың 50-жылдарының басында таңбасы айнымалы фокустау принципі (америкалық ғалымдар Н.Кристофилос, Э.Курант, М.Ливингстон, Х.Снайдер) ұсынылды. Бұл принцип циклді және сызықты үдеткіштерде алынатын энергия шамасын жоғарылатуға мүмкіндік берді. 1956 жылы Векслердің бөлшектерді үдетудің когерентті немесе ұжымдық тәсілін ұсынған идеясы жарияланды. Одан кейінгі жиырма жыл ішінде осы идея жүзеге асырылды. 1966 жылы Станфордта (АҚШ) энергиясы 22 ГэВ-ке тең сызықтық резонансты үдеткіш (америкалық физик В.Панофскийдің басшылығымен), 1967 жылы Серпуховта (Ресей) энергиясы 76 ГэВ-ке тең протондық синхрофазотрон іске қосылды. 1972 жылдан Батейвияда (АҚШ) энергиясы 500 ГэВ-ке тең протондық синхрофазотрон жұмыс істеді. Қазіргі кезде Ресей мен АҚШ-та энергиясы 1000 – 5000 ГэВ-ке тең үдеткіштер салу жоспарлануда.