21.5.3. Протонные синхротроны
Из уравнения (21.35) видно, что потери на излучение пропорциональны четвертой степени энергии частицы
и поэтому при ускорении легких ионов могут быть достигнуты значительно большие энергии. В числе приборов, предложенных для ускорения протонов [173], был и синхротрон [20, 121, 244]. Теоретические исследования [51, 162] показали, что такое устройство представляет практический интерес. Этот ускоритель сходен с электронным синхротроном; кольцевой магнит направляет частицы по круговой орбите. В одном или нескольких местах этой орбиты высокочастотное поле, синхронизованное с движением частицы, ускоряет частицы. Условия работы таковы, что вначале
мало по сравнению с
а в конце превышает его во много раз, так что
постепенно возрастает от очень малых значений до единицы. Частота и магнитное поле должны соответствующим образом изменяться со временем, так чтобы ускорение происходило при постоянном радиусе орбиты. Конечная энергия частиц определяется максимальной магнитной индукцией с помощью соотношения, получаемого из уравнений (21.13) и (21.19),
В протонных синхротронах обычно магнитная индукция достигает своего максимального значения (около
за время порядка одной секунды, из чего следует, что ярмо магнита может состоять из очень толстых слоев. В космотроне, описанном Блевитом [14] и схематически изображенном на рис. 21.13, а, радиус орбиты составляет
а конечная энергия
Высокая частота изменяется от
до
пучок инжектируется импульсами длительностью 100 мксек с периодом повторения 5 сек. Ток пучка в импульсе составляет около
так что средний ток совсем мал. Магнитный поток равен 336 000 ампервитков, и при полной нагрузке магнит потребляет ток 7000 а при напряжении 4000 в. Двенадцатифазный генератор на 21 мегавольтампер, связанный с
-тонной инерционной системой, подключен к магниту через 24 игнитрона, которые во время ускоряющего цикла работают как выпрямители. По окончании цикла ускорения игнитроны превращаются в преобразователи, обеспечивая передачу запасенной в магните энергии в инерционную систему.
Стремясь получить высокие энергии без огромных затрат, необходимых для строительства обычного ускорителя, Олифант [123] разработал и построил протонный синхротрон на
совершенно оригинальной конструкции. Радиус орбиты протонов был уменьшен
до
за счет увеличения максимальной индукции в импульсе до
а частота за время ускорения изменялась в 8 раз. Магнит состоит из набора проводников, расположенных соответствующим образом для получения требуемого распределения индукции, как это показано на рис.
Проводники охлаждаются водой, и при максимальном поле ток в них достигает значения
а при плотности тока
Прямоугольные проводники скреплены вместе с помощью системы из дюралюминиевых пластин, что противодействует разрушающим силам взаимодействия магнитного поля с током, равным
на сантиметр длины.
Рис. 21.13. Типы протонных синхротронов: а — схематический план космотрона на 3 Гэв; б - поперечное сечение магнита ускорителя без железа на
в — поперечное сечение магнита ускорителя с сильной фокусировкой на
(См. (14, 13, 123].)
Источником энергии является однополюсный генератор, в котором контакт с четырьмя стальными дисками диаметром
толщиной 27 см, вращающимся с частотой
осуществлен с помощью струи жидкого натрия. Потребляемая энергия поступает от выпрямителя таким образом, что импульсы тока могут повторяться только с интервалами порядка 10 мин. В импульсе содержится от 108 до
частиц.