із змінним градієнтом» прискорював 6Ч1013 протони в імпульсі, що відповідало найвищій інтенсивності серед установок цього класу. Фокусування в цьому прискорювачі здійснювалося тими ж магнітами, що і відхиляли пучок; це досягалося доданням полюсам магніта форми. У сучасних прискорювачах для відхилення і фокусування пучка, як правило, використовуються окремі магніти. В середині 1990-х років найкрупнішим протонним синхротроном був «Теватрон» Національної прискорювальної лабораторії ім. Э.Ферми в Батавії (США). (Мал. 13) Як підказує сама назва, «Теватрон» прискорює згустки протонів в кільці діаметром 2 км. до енергії близько 1 Тев. Прискорення протонів здійснюється цілою системою прискорювачів, починаючи з генератора Кокрофта – Уолтона як інжектор, з якого негативні іони водню з енергією 750 Кэв вводяться в лінійний прискорювач на енергію 400 Мев. Потім пучок лінійного прискорювача пропускається через вуглецеву плівку для обдирання електронів і інжектується в проміжний синхротрон – бустер – діаметром 150 м. У бустері протони здійснюють приблизно 20 000 обертів і набувають енергії 8 Гев. Зазвичай бустер виконує 12 швидко наступаючих один за одним робочих циклів, в результаті яких в «Головне кільце», – ще один протонний синхротрон з протяжністю кільця 6,3 км. – інжектується 12 згустків протонів. «Головне кільце», в якому протони прискорюються до енергії 150 Гев, складається з 1000 звичайних магнітів з мідними обмотками, що відхиляють і фокусують протони. Безпосередньо під «Головним кільцем» розташований крайовий синхротрон «Теватрон», що складається з 1000 надпровідних магнітів. Пучок може виводитися по багатьом каналам на відстань 1,5–3 км. для проведення досліджень в зовнішніх експериментальних залах. Призначені для суб'ядерної «мікроскопії» протонні синхротрони на енергії більше 1 Тев вимагають тисяч надпровідних і фокусуючих магнітів завдовжки 5–15 м з апертурою шириною в декілька сантиметрів, що забезпечують виключно високу точність полів і стабільність їх в часі.
Мал. 13. ЛАБОРАТОРІЯ Ім. Э. ФЕРМІ поблизу Батавії (США). Довжина кола «Головного кільця» прискорювача складає 6,3 км. Кільце розташоване на глибині 9 м під колом в центрі
Мал. 14. Фрагмент прискорювального кільця протонного синхротрона на енергію 7 Тев (ЦЕРН, Швейцарія)
Основними чинниками, стримуючими створення протонних синхротронів на вищі енергії, є велика вартість і складність управління, пов'язані з їх величезними розмірами.У 80-і роки ХХ століття було запропоновано відразу декількох проектів будівництва колайдерів з енергією зіткнення, що досягає десятків Тев. Проте складність їх реалізації привела до того, що в даний час споруджується лише один такий коллайдер, де стикатимуться протони з сумарною енергією зіткнення 14 Тев в системі центру інерції. Він носить назву “Великий адронний коллайдер” (LHC — Large Hadron Collider) і створюється в CERN.Запуск його намічений на 2007-2008 рік.
На мал. 14 показаний фрагмент кільця протонного синхротрона на енергію 7 Тев в ЦЕРН (м. Женева, Швейцарія), який входить до складу установки (Large Hadron Collider). Довжина його кільця 26.7 км.
Найбільші протонні синхротрони, призначені для експериментів з нерухомою мішенню, приведені в таблиці.
Протонні синхротрони для експериментів з нерухомою мішенню
Прискорювач | Центр, місце розташування | Рік запуску | Максимальна енергія протонів, Гев
PS | ЦЕРН
Женева, Швейцарія | 1960 | 28
У-70 | ИФВЕ
Протвіно, Росія | 1967 | 76
SPS | ЦЕРН
Женева, Швейцарія | 1976 | 450
ЦЕРН - Європейський центр ядерних досліджень,
ИФВЕ - Інститут фізики високих енергій.
3.2 Бетатрон
Мал. 15
Д. Керст біля своїх бетатронів, маленький - на 2.3 Мев, великий - на 25 Мев
Мал. 16
Схема бетатрона:
а) вигляд зверху, б) перетин по лінії АА. Показані вектора і напруженості електричного і магнітного полів. 1 - електромагніт, 2 - вакуумна камера, 3 - орбіта електрона, 4 - інжектор, 5 - гальмівна мішень, 6 - гальмівне випромінювання.
Його перший екземпляр був побудований в 1940 р. Д. Керстом. Бетатрон - це індукційний прискорювач, в якому енергія електронів збільшується за рахунок вихрового електричного поля, що створюється магнітним потоком, що змінюється, направленим перпендикулярно до площини орбіти частинок. Електрони рухаються по круговій орбіті постійного радіусу в наростаючому в часі по синусоїдальному закону в магнітному полі (зазвичай промислової частоти 50 Гц). Утримання електронів на орбіті постійного радіусу забезпечується певним чином підібраним співвідношенням між величинами магнітного поля на орбіті і усередині неї. Робочим циклом є перша (наростаюча) чверть періоду магнітного поля.
Бетатрон конструктивно є великим електромагнітом, між полюсами якого розташована тороїдальна вакуумна камера (див. малюнок 15,16). Електромагніт створює в зазорі між полюсами змінне (змінне з часом за законом синуса, зазвичай з промисловою частотою 50 Гц) магнітне поле напруженістю, яке в площині вакуумної камери створює вихрове електричне поле (е.р.с. індукції). У вакуумну камеру за допомогою інжектора (електронна гармата) на початку кожного періоду наростання магнітного поля ( з частотою 50 Гц) вприскуються електрони, які захоплюються вихровим електричним полем в процес прискорення по круговій орбіті. В мить, коли магнітне поле досягає максимального значення (в кінці першої чверті кожного періоду), процес прискорення електронів припинявся і змінювався їх уповільненням, оскільки вихрове поле змінює напрям, а е.р.с. індукції – знак. Електрони, що досягли найбільшої енергії, зміщуються з рівноважної орбіти і або виводяться з камери, або прямують на спеціальну мішень усередині камери, названу гальмівною. Гальмування електронів в цій мішені в кулонівському полі ядер і електронів приводить до виникнення електромагнітного гальмівного випромінювання, максимальна енергія якого рівна кінетичній енергії Ее її електронів в кінці прискорення: ? Ее. Гальмівні фотони летять у напрямі руху