Ускорители заряженных частиц. Источники нейтронов

1. Ускорители заряженных частиц – это один из основных инструментов современной физики. С их помощью получают заряженные частицы больших энергий, т.е. частицы, движущиеся с большими скоростями.

Ускорители являются источниками заряженных пучков как первичных заряженных частиц – электронов, протонов, ионов, так и других вторичных частиц, рождающихся при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом, - мезонов, нейтронов, фотонов и др. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств микрочастиц, в ядерной физике, в физике твердого тела.

Ускорение частиц во всех случаях производится с помощью электрического поля. Магнитное поле, если оно применяется в ускорителе, служит лишь для искривления траектории движения частиц.

Простейшим ускорителем частиц является обычная газоразрядная трубка (рис.146). Если в катоде К и аноде А сделать отверстия, то при давлении газа в трубке p £ 0.01 мм Hg и напряжении на электродах U ³ 2 кВ через эти отверстия будут выходить пучки ускоренных частиц. Через отверстие в аноде – пучок отрицательно заряженных электронов, через отверстие в катоде – пучок положительно заряженных ионов. Именно как ускоритель электронов использовал такую трубку Ленард в 1893 г. (см. §1, рис 4).

Максимальная кинетическая энергия ускоренных частиц пропорциональна напряжению U на электродах. Если заряд частицы Ze, где Z = 1, 2, 3,…, то E_max = ZeU. (23.1)

Для электронов, протонов и ряда других частиц Z = 1. Поэтому для них E_max = eU. Отсюда появилась внесистемная единица энергии – электронвольт, 1 эВ есть энергия однозарядной частицы, прошедший разность потенциалов 1 В. Максимальная энергия электронов в опытах Ленарда была около 10 кэВ.

На сегодняшний день в мире построено много разных типов ускорителей. Это очень сложные устройства, их теория и практика относится к области физической электроники. Классифицируют ускорители по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают ускорители электронные, протонные, ионные. По форме траектории частиц ускорители бывают линейными (прямая линия), или циклическими (окружность или спираль). По способу создания ускоряющего электрического поля различают высоковольтные (поле обусловлено приложенной разностью потенциалов) и индукционные ускорители (электрическое поле создается изменением магнитного поля). И так далее. В настоящем параграфе рассматриваются лишь основные типы ускорителей.

Первый ускоритель построили в 1929 г. Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон. В их высоковольтном ускорителе получался пучок протонов с энергией 300 кэВ. Ускоряющее поле создавалось с помощью умножителя напряжений (каскадного генератора), составленного из диодов и конденсаторов. Наибольшие возможности высоковольтные ускорители приобрели после изобретения Ван-де-Граафом специального электростатического генератора.

2. Высоковольтный ускоритель с генератором Ван-де-Граафа. Главная проблема при создании высоковольтных ускорителей (ВУ) состоит в том, чтобы сделать источник как можно более высокого напряжения. Улучшая свой каскадный генератор, Кокрофт и Уолтон достигли постоянного напряжения 700 000 В.

Наибольшего результата здесь добился американец Роберт Ван-де-Грааф. В 1931 г. он изобрел высоковольтный электростатический генератор. С тех пор все ВУ оснащаются исключительно генераторами Ван-де-Граафа.

Любой ВУ включает в себя два основных устройства. Это собственно генератор Ван-де-Граафа и ускорительную трубку. Схема ВУ с генератором Ван-де-Граафа представлена на рис.147.

а. Генератор Ван-де-Граафа (рис.147 слева) представляет собой сферу 1 из металла диаметром 4-8 метров, установленную на колонну 2, сделанную из хорошего электрического изолятора. Внутри колонны проходит бесконечная лента 3 из прорезиненной ткани, движущаяся на двух шкивах 4. Лента заряжается при помощи системы острий 5, соединенных с одним из полюсов источника постоянного напряжения. Второй полюс источника заземлен. С обратной стороны ленты напротив острий 5 находится заземленная пластина 6. Она облегчает стекание зарядов с острий на ленту. Проходя мимо системы острий 7, соединенных с внутренней поверхностью сферы, резиновая лента отдает им свои заряды, которые полностью переходят на внешнюю поверхность сферы, увеличивая ее потенциал относительно земли.

Максимальное напряжение между сферой и землей определяется скоростью утечки заряда со сферы через воздух и элементы конструкции. Потенциал сферы перестает повышаться, когда ток утечки сравняется с током ленты.

Энергия электрического поля заряженной сферы растет за счет работы, которая совершается лентой, приближающей заряды к заряженной сфере.

Диаметр сферы генератора, построенного Ван-де-Граафом, составлял 4,5 м. Сейчас строят генераторы с еще большим диаметром сфер и с общей высотой 15 м. С их помощью удается получать напряжение до 5 МВ, а ток в пучках ускоренных частиц до сотен мкА.

б. Ускорительная трубка представляет собой цилиндр из диэлектрика, разрезанного на кольца 8 (рис 147 справа). Между диэлектрическими кольцами вставлены металлические диски 9 с отверстиями в центре. Через эти отверстия проходят вылетающие из источника 11 ускоряемые частицы. Пройдя ускорительную трубку, частицы попадают на мишень 10.

В ускорительной трубке поддерживается вакуум с давлением от 10^–5 до 10^–9 мм Hg. Длина свободного пробега частиц газа при таком давлении не меньше 15 м, что существенно больше длины ускорительной трубки, и соударения ускоряемых частиц с молекулами газа – относительно редкое событие. Это предохраняет пучок частиц от размывания.

Ток пучка ускоренных в современных ВУ частиц достигает 100 мкА и более, что соответствует потоку около 10¹⁴-10¹⁵ однозарядных частиц в секунду. Диаметр пучка на мишени 2-5 мм, его угловая расходимость обычно не превышает 5 угловых минут.

Источник ускоряемых частиц зависит от природы частиц. Если ускоряются электроны, то их получают с помощью термоэлектронной эмиссии. В этом случае источник электронов представляет собой электронную пушку, состоящую из подогревного катода К, анода А и фокусирующих электродов ФЭ (рис 148-а).

Испускаемые нагретым катодом электроны ускоряются в пушке относительно небольшим напряжением U» 1 кВ и, пройдя цилиндрический анод А, захватываются полем ускорительной трубки. При ускорении в ускорительной трубке электронов к остриям 5 (по рис.147) генератора присоединяется отрицательный полюс источника тока, заряжающий ленту. Сфера в этом случае так же заряжается отрицательно.

В случае ускорения ионов в качестве источников используют ионные пушки, представляющие собой обычно разрядную камеру 1, заполненную газом, например водородом (режим протонного ускорителя). Давление в камере p» 10^–3 мм Hg, что на 2-3 порядка больше, чем давление в укорительной трубке (рис 148-б). Если камеру поместить внутрь обмотки 2 ВЧ – контура, то с помощью высокочастотного генератора газ можно разогреть. Происходит термическая диссоциация молекул, а затем ионизация атомов.

Положительные ионы вытягиваются из камеры вытягивающим электродом 4, который отделен от камеры изолятором 3, и захватываются затем полем ускорительной трубки. Остающиеся электроны уходят на стенки камеры, как на анод.

Высоковольтные ускорители используются для ускорения электронов, протонов, и легких ионов, например, гелия. ВУ, которые работают по рассмотренной (самой простой) схеме, ускоряют частицы до E» 4-5 МэВ. Их важнейшее достоинство – высокая монохроматичность пучка. Разброс энергий частиц в пучке всего лишь 0,0001 %. Это лучше любого другого ускорителя.

3. Линейные резонансные ускорители. Их два типа: Видероэ и Альвареса.

а. Линейный ускоритель Видероэ. Главный недостаток высоковольтных ускорителей состоит в трудности получения и эксплуатации источников сверхвысокого напряжения в миллионы вольт. При U > 5 МВ быстрый рост токов утечки препятствует дальнейшему увеличению напряжения.

В 1928 г. Рольф Видероэ показал, что эту трудность можно обойти, если сделать не один ускорительный участок, а несколько, расположив их друг за другом по прямой. Тогда к каждому ускорительному участку можно прикладывать сравнительно небольшое напряжение. Рост энергии ускоряемых частиц будет происходить суммированием приростов энергии на этих участках. Построенный Видероэ опытный образец такого ускорителя с двумя ускорительными участками подтвердил правильность идеи.

Ускоритель Видероэ представляет собой систему пролетных трубок – полых цилиндров, присоединенных через один к разным полюсам генератора переменного напряжения (рис.149). Ускоряемые частицы движутся вдоль оси пролетных трубок так, что в зазорах между трубками, где есть электрическое поле, они ускоряются. Внутри трубок, где поля нет, они движутся по инерции. За время движения частицы в трубке поле меняется на противоположное (на половину периода). Поэтому ускорение происходит в каждом зазоре.

Генератор работает с постоянной частотой. Чтобы ускорение происходило в резонансе, длина пролетных трубок и расстояние между нами из-за роста скорости частиц постепенно увеличиваются. Чем выше частота генератора, тем короче могут быть трубки.

Когда скорость частиц становится заметной в сравнении со скоростью света, из-за конечности скорости распространение ЭМ – волны от генератора нарушается синхронизм между начальной и конечной трубками. Поэтому ускорители Видероэ могут ускорять протоны до энергии E» 10 МэВ. В настоящее время они применяются, в основном, в качестве инжекторов для мощных кольцевых ускорителей.

б. Линейный резонансный ускоритель Альвареса. В 1946 г. Луис Альварес нашел способ устранить нарушение синхронизма между пролетными трубками. Для этого всю систему пролетных трубок он поместил в трубу 1, вдоль которой специальным ВЧ генератором создается стоячая (труба замкнута как на рис.150) или бегущая (выходной конец трубы открыт) ЭМ – волна.

К пролетным трубкам никаких проводов не подходит. Их длина и расстояние между ними рассчитываются так, чтобы зазоры между трубками приходились на ускоряющие участки ЭМ – волны в резонаторе в нужной фазе. Идея Альвареса позволила увеличить энергию ускоряемых частиц на несколько порядков. Самый большой в мире ускоритель с бегущей волной, ускоряющий электроны до энергии 22 ГэВ, построен в г. Стэнфорде (США) в 1966 г. Его длина 3050 м.

4. Циклотрон – это циклический ускоритель, в котором частица не проходит через длинный ряд ускоряющих полей, а много раз периодически возвращается к одним и тем же ускоряющим промежуткам.

В основе работы циклических ускорителей лежит то, что электрически заряженная частица с массой m и зарядом e, влетающая со скоростью v в магнитное поле B перпендикулярно его силовым линиям, движется по окружность радиуса R = mvçeB (Эл-во, §14). (23.1)

Период T и угловая скорость w обращения частицы не зависит от ее линейной скорости v. , . (23.2)

Первый циклотрон построил Эрнест Лоуренс в 1931 г. Циклотрон представляет собой полую цилиндрическую металлическую коробку, разрезанную вдоль диаметра пополам. Между половинками 1 и 2, называемыми дуантами, имеется промежуток 3 (рис 151). Коробка помещается в постоянное однородное магнитное поле между полюсами 4 и 5 электромагнита. К дуантам 1 и 2 прикладывается переменное электрическое напряжение с частотой w = eBçm от высокочастотного генератора 6. Непрерывной откачкой в дуантах поддерживается давление p» 10^–4-10^–5 мм Hg. В центре циклотрона между катодом и стенкой дуанта – анодом горит небольщая электрическая дуга, где образуются положительные ионы и электроны. Электроны уходят в стенку, как в анод, ионы остаются, создавая объемный положительный заряд. Давление в дуге примерно в 100 раз больше, чем в дуантах. Максимальное напряжение между дуантами составляет около 100 кВ.

Положительный ион, выйдя из дуги, движется в электрическом поле зазора от положительного к отрицательному дуанту, набирая энергию. Внутри дуанта он движется равномерно по дуге окружности радиуса R ₁ = mv ₁ çeB. Через половину периода он подходит к зазору с противоположной стороны от центра. К этому времени электрическое поле меняет направление на противоположное, поэтому ион снова ускоряется. Его скорость увеличивается до v ₂,поэтому ион переходит на дугу большего радиуса R ₂ = mv ₂ çeB.

Через половину периода ион опять приходит к зазору, направление электрического поля опять поменялось, поэтому ион вновь ускоряется. Несмотря на увеличение скорости v иона, время его движения внутри дуанта от зазора к зазору одно и то же, Tç 2 = pçw = p mçeB. Поэтому ВЧ генератор может работать с постоянной частотой. Но это справедливо лишь при условии, что скорость иона далека от скорости света.

Энергия иона при выходе из ускорителя не зависит от ускоряющего электрического поля. Она определяется индукцией B магнитного поля, зарядом e частиц и радиусом R_max дуантов. . (23.2)

Магнитное поле B в циклотронах около 1,5 Тл. Если радиус дуантов R_max = 0,4 м, то кинетическая энергия протонов, ускоряющихся в циклотроне, составляет E = mv ² ç 2 = (eBR_max)² ç 2 m = 2,7∙10^–12 Дж = 17 МэВ. При амплитудном напряжении между дуантами U = 100 кВ протон совершает в этом циклотроне EçeU = 2,7∙10^–12 ç 1,6∙10^–19∙10⁵ = 170 циклов ускорений, или 85 полных оборотов в течение примерно 4∙10^–6 с.

Достоинство циклотрона: компактность (занимает площадь стола), большой ток пучка частиц (до 1 мА). Главный недостаток: циклотрон ускоряет частицы только до нерелятивистских скоростей. Поэтому на циклотронах ускоряются лишь тяжелые частицы – протоны до энергий 20-25 МэВ, дейтроны, a – частицы, и многократно ионизированные ионы углерода, азота, кислорода.

5. Фазотрон (синхроциклотрон) позволяет ускорять частицы и до релятивистских энергий. Отличается от циклотрона тем, что в цикле ускорения сгустка частиц ВЧ – генератор работает с относительно медленно убывающей частотой. Фазотрон работает только в импульсном режиме. В каждый момент времени в камере ускоряется только один сгусток частиц. После его выхода из камеры начинает ускоряться другой. В 1 с может быть несколько сот таких импульсов. В одном импульсе содержится около 10¹⁰ частиц. Начальная частота работы генератора при ускорении, например, протонов n = 2 pw = 2 peBçm» 0,9 ГГц. Как и циклотроны, фазотроны ускоряют тяжелые частицы - протоны, дейтроны, a – частицы. Но максимальная энергия частиц много больше и достигает 1 ГэВ.

Ток заряженных частиц в фазотронах на 1-2 порядка меньше, чем в циклотронах и колеблется в пределах от 2 до 100 мкА. Максимальное ускоряющее напряжение равно 10-30 кВ. В фазотроне на 1 ГэВ протон в режиме ускорения совершает около 100 000 оборотов. В пределах от 25 МэВ до 1 ГэВ фазотронный метод ускорения частиц является сейчас основным. Диаметр крупных фазотронов на 1 ГэВ составляет 6-7 м.

6. Синхрофазотрон – это циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц, в котором изменяются во времени как частота ускоряющего поля, так и величина магнитного поля. Причем радиус равновесной орбиты остается почти постоянным.

Движение частиц происходит в кольцевой вакуумной камере, помещенной в магнитное поле системы магнитов, расположенных в определенном порядке по кольцу. Различают синхрофазотроны (СФТ) со слабой фокусировкой и СФТ с сильной фокусировкой.

В СФТ со слабой фокусировкой магнитная система состоит из нескольких магнитных секторов 1, имеющих форму дуги окружности, разделенных прямолинейными промежутками 2 (рис.152). Ускоряемые протоны вводятся из инжектора 3 через систему ввода 4. В промежутках 2 располагаются ускоряющие устройства 5, вакуумные насосы и системы наблюдения за пучком. В вакуумной камере 6, представляющей собой сплошную замкнутую трубку, поддерживается давление p» 10^–6 мм Hg. По мере ускорения сгустка частиц магнитное поле растет от минимального до максимального значения.

Ускоряющие устройства работают по тому же принципу, что и в циклотроне. Частота электрического поля изменяется в соответствии с изменением магнитного поля. Форма полюсов магнитов подбирается так, чтобы происходило малое спадание магнитного поля по радиусу (рис.153). В этом случае появляется сила F, возвращающая частицу в равновесную плоскость (составляющая F_Z фокусирует пучок по высоте, F_R – по радиусу).

СФТ с сильной фокусировкой отличается более выраженной неоднородностью магнитного поля по радиусу (рис.154) и наличием чередующихся квадрупольных линз (рис.155). Каждая квадрупольная линза действует как система из двух магнитных линз: одна из них фокусирует частицы в направлении оси х, другая в направлении оси у. В ускорителе эти линзы располагаются друг за другом с поворотом на 90°.

Допустим, нечетные линзы направлены вдоль оси х полюсами N-N, как на рис.155, а четные линзы направлены вдоль оси х полюсами S-S. В результате если нечетные линзы фокусируют частицы вдоль оси х, то четные линзы несколько дефокусируют их. Но суммарный эффект усиливает фокусировку частиц.

Синхрофазотроны – это самые большие и самые мощные на сегодняшний день циклические ускорители тяжелых частиц. Например СФТ в г. Дубне, (Россия, пущен в 1957 г.) на 10 ГэВ с мягкой фокусировкой имеет массу магнитов 36 000 тонн и диаметр кольцевой камеры 60 м. СФТ в г. Серпухове (Россия, пущен с 1967 г.) дает протоны с энергией 76 ГэВ. Средний ток 0,02 мкА, 10¹² частиц в импульсе, 8 импульсов в минуту. За полный цикл ускорения частица совершает 400 000 оборотов. Диаметр ускорительного кольца 472 м. Сечение камеры по высоте 115 мм и по радиусу 170 мм. В этом ускорителе применена жесткая фокусировка. Поэтому, несмотря на увеличение размеров, масса магнитов составляет «всего» 20 000 тонн.

В 1972 г. в Батавии (США) был пущен протонный СФТ на 500 ГэВ. Диметр его кольца 2 км, но за счет более жесткой фокусировки пучка размеры вакуумной камеры удалось уменьшить до 50 мм по высоте и до 130 мм по ширине (это при длине кольца более 6 км!).

7. Ускорители электронов. Все рассмотренные циклические ускорители – циклотроны, фазотроны и синхрофазотроны – применяются для ускорения исключительно тяжелых частиц – протонов, дейтронов, ионов. В них релятивистское нарастание массы частиц или относительно невелико, как в циклотроне, или происходит относительно медленно, так что ускоритель успевает подстроить свои частоту и магнитное поле.

Проблема ускорения таких легких частиц, как электрон в том, что релятивистское нарастание массы происходит в них очень быстро. Поэтому для создания электронных круговых ускорителей потребовались специальные решения. Наиболее интересными в этом отношении представляются микротрон, бетатрон и синхротрон.

8. Микротрон – циклический резонансный ускоритель электронов с постоянным во времени магнитным полем и постоянной частотой ускоряющего СВЧ – генератора. Идею микротрона впервые высказал в 1946 г. Владимир Векслер.

В отличие от циклотрона и фазотрона источник ускоряемых электронов находится не в центре, а на краю области магнитного поля. Там же находится ускоряющее устройство 1, при прохождении через которое энергия электрона всякий раз увеличивается на энергию покоя электрона m_ec ² (рис 156). После этого электрон, описав окружность в магнитном поле, возвращается в ускорительный промежуток, где его энергия снова возрастает на m_ec ². И так далее. Здесь и далее m_e - масса покоя электрона.

Допустим, электрон вошел в ускоряющее устройство с энергией, близкой к нулю. Вышел с энергией E _кин = m_ec ². Полная энергия электрона удвоилась mc ² = m_ec ² + E _кин = 2 m_ec ². Удвоилась и релятивистская масса частицы, m ₁ = 2 m_e. Период Т ₁ движения частицы по первому кругу найдется из формулы (23.2): . (23.4)

После второго ускорения частица пройдет второй круг за время Т₂ = 3 Т₀, после n-го ускорения – за время Т_n = (n + 1) T _0, где T ₀ = 2 p m_eçeB. (23.5)

Если ускоряющее устройство представляет собой полый резонатор, подключенный к СВЧ – генератору, работающему на частоте n ₀ = 1 çT ₀ = eBç 2 p m_e, (23.5)

то после первого ускорения частица пройдет 1-й круг за два такта работы генератора – ускоряющего (на рис.156 эта часть траектории показана жирно) и холостого. После второго ускорения второй круг – за три такта – одного ускоряющего и двух холостых и т.д.

Частота работы СВЧ – генератора при ускорении электронов в магнитном поле B = 0,1 Тл равна n₀ = 1,6∙10^–19∙0,1 ç 2∙3,14∙10^–30 = 2,8 ГГц. Это соответствует длине волны генератора l ₀ = сç n₀ = 11 см.

Ускоряющее напряжение U в резонаторе для электронов находится из условия: eU = m_ec ². Отсюда U = m_ec ² çe = 9.1∙10^–31×(3×10⁸)2 ç 1.6×10^–19 = 511 кВ.

Сегодняшние микротроны позволяют ускорять электроны до 30 МэВ. При этом интенсивность пучка резко падает с ростом энергии. Так, микротрон на 13 МэВ дает ток в импульсе 100 мА, а микротрон на 30 МэВ всего лишь 0,05 мА. Диаметр магнитных наконечников в микротроне на 30 МэВ около 2,5 м.

9. Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором энергия частиц увеличивается за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим сечение орбиты частиц. Первый бетатрон построил в 1940 г. Дональд Керст. В основе его действия лежит явление электромагнитной индукции.

Если между полюсными наконечниками 1 электромагнита поместить замкнутое проводящее кольцо 2, то при переменном токе в обмотке 3 в кольце также возникает переменный ток индукции (рис.157). На электроны проводимости в кольце действует сила со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного потока между полюсными наконечниками.

В бетатроне вместо металлического кольца 2 находится эвакуированная кольцевая труба (тор). Если инжектировать в нее электроны (от электронной пушки) в момент нарастания магнитного поля, то при соответствующих величине и характере изменения магнитного поля электроны будут разгонятся внутри трубы. Схематический разрез бетатрона указан на рис.158. Он представляет собой электромагнит с центральным сердечником 1 и кольцевыми полюсными наконечниками 2, между которыми находится кольцевая вакуумная камера 3. Центральный и периферийный сердечники объединяются ярмом 4. Обмотки 5 и 6 создают два магнитных поля. Одно из них 6 – управляющее, оно удерживает электроны на орбите и формируется наконечниками 2, другое 5 – индуцирующее, оно формируется в зазоре центрального сердечника и своим изменением создает ускоряющее электроны вихревое электрическое поле. Ускорение электронов производится в течении одной четверти периода, тогда, когда магнитное поле нарастает. Если обмотка электромагнита питается переменным током c частотой n = 50 Гц, то цикл ускорения импульса электронов продолжается 1 ç 4 n = 1 ç 200 с. Среднее магнитное поле в бетатронах не превышает 1 Тл. Диаметр стационарной орбиты электронов около 1 м.

Обычно бетатроны применяются для ускорения электронов до энергии 50 МэВ. Средний ток в импульсе не более 0,01мкА при 10⁹-10¹⁰ частиц в импульсе. Бетатроны сравнительно дешевы. Поэтому они широко применяются для получения g - квантов (электронный пучок направляется на тормозную мишень) и в других прикладных целях.

10. Синхротроны – циклический кольцевой резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов с орбитой почти постоянного радиуса. По конструкции похож на синхрофазотрон (рис.151). Но в отличие от него в синхротроне частота ускоряющего электрического поля постоянна. Меняется во времени лишь индукция магнитного поля.

Ультрарелятивистскими электроны становятся, начиная с энергии примерно 10 МэВ. При такой энергии скорость электрона равна v = 0,9988 с, то есть очень мало отличается от скорости света с. Практически независимым от энергии становится и ультрарелятивистский период обращения электронов при фиксированном радиусе орбиты R, Т = 2 pRçc.

Синхротроны средних энергий конструируют обычно на базе бетатронов. Ускоритель работает сначала как бетатрон до достижения ультрарелятивистских энергий, а затем переходит в синхротронный режим.

Начиная с энергии примерно 100 МэВ, электроны на кольцевой орбите начинают заметно терять энергию на ЭМ – излучение, обусловленное центростремительным ускорением. Это синхротронное излучение ставит предел высшей энергии, достигаемой в синхротронах.

Электронные синхротроны строят на энергии от 100 МэВ до 10 ГэВ. Число частиц в импульсе имеет порядок 10¹⁰, число импульсов в секунду 30 – 60, средний ток около 0,1 мкА.

11. Источникик нейтронов. Во всех перечисленных устройствах ускоряются лишь электрически заряженные частицы. Нейтральные частицы, в частности нейтроны, получают с помощью ядерных реакций. В зависимости от того, какую энергию должны иметь нейтроны, используют ту или иную реакцию. Рассмотрим некоторые из источников нейтронов.

а. Бериллиевый источник нейтронов. В его основе – реакция (a, n) открытия нейтронов (см. с.94). . (23.6)

В герметичную ампулу помещается порошок металлического бериллия с a - активным препаратом, например, с полонием – 210. Альфа – частицы не могут проходить сквозь стенки ампулы, тогда как образующиеся в результате реакции (23.6) нейтроны свободно выходят. Вместо полония, у которого малый период полураспада Т = 140 дней, в качестве a - источника может применяться радий (Т = 1600 лет). В этом случае получается источник нейтронов с практически неограниченным сроком действия.

б. Литиевый источник позволяет получать нейтроны низких энергий в результате (p, n) реакций. . (23.7)

Реакция эндотермическая. Она идет за счет энергии протонов, разгоняемых в ускорителе. Устанавливая ту или иную энергию притонов, можно получать монохроматические нейтроны с энергиями от 30 до 500 кэВ.

в. Ядерный реактор позволяет получать самые интенсивные потоки нейтронов. Но это и самый дорогой источник. В современных исследовательских реакторах плотность потока нейтронов в активной зоне и замедлителе достигает 10¹⁵ частиц на см² в секунду. Это очень много. Поэтому, хотя энергетический спектр реакторных нейтронов весьма широк (см. рис.145 на с.116), из него всегда можно выделить достаточно интенсивный и достаточно узкий по энергии пучок частиц. Для этого служат монохроматоры нейтронов.

Наиболее употребителен механический монохроматор. Он представляет собой вал 1 с двумя дисками 2 и 3, в которых имеются узкие радиальные щели 4 и 5 (рис.159). Диски обычно делают из кадмия, не пропускающего нейтроны.

Если вал с дисками вращается с угловой скоростью w, а щель 4 в диске 3 отстает на угол j от щели 5 в диске 2, то сквозь монохроматор будут проходить те нейтроны, скорость которых v удовлетворяет условию: . (23.8)

Изменяя угловую скорость w вращения дисков, можно из полихроматического реакторного потока нейтронов вырезать фракцию нейтронов с нужными энергиями.