Характеристики ускорителей. 
Релятивистские пучки заряженных частиц

Наиболее высоким к.п.д. обладают ускорители прямого действия — от 65% (ускорители непрерывного действия) до 95% (импульсные). Для ЛИУ этот показатель составляет 20 — 50%, для высокочастотных — меньше 10%. Это определяет выбор типа ускорителя, особенно при больших мощностях генерируемых пучков.

Энергия ускоренных частиц колеблется от сотен тысяч эВ (ускорители прямого действия) до десятков ГэВ (высокочастотные ускорители и ЛИУ).

Ускорители ионов по конструкции аналогичны электронным ускорителям. Различие заключается в полярности напряжения (направлении вектора напряженности электрического поля), применении специфических источников ионов, особенностях движения ионов в электромагнитных полях (из-за разницы в массе электрона и конкретного иона).

Конкретные конструкции ускорителей определяются необходимой энергией частиц, конфигурацией и параметрами пучка.

Применение ускорителей

Наиболее раннее и важнейшее применение ускорителей электронов — использование их в качестве генераторов тормозного излучения, возбуждаемого на мишени, бомбардируемой ускоренными электронами. В зависимости от энергии падающих электронов получают рентгеновское излучение разной длины волны.

Диапазон применения рентгеновского излучения настолько широк, что его изучением занимается целое направление в науке — физика рентгеновских лучей.

Рентгеновское излучение, проходя через вещество, поглощается по экспоненциальному закону.

где I (x), I0 — интенсивность излучения на глубине х и на поверхности образца, соответственно;

µ - коэффициент линейного ослабления, зависящий от энергии квантов излучения и вида вещества.

Такая зависимость справедлива для монохроматического излучения и геометрии «узкого луча». В реальных условиях накладываются эффекты за счет спектрального состава излучения, деформация спектра по мере прохождения, вклад рассеянных квантов излучения, образования вторичных электронов и вторичного излучения. Прогресс в исследованиях этой области физики привёл к чрезвычайно разнообразным применениям рентгеновских приборов. Одно из важнейших применений — метод неразрушающего контроля материалов. Его используют в промышленности для обнаружения дефектов в литых и сварных изделиях, анализа деформаций в недоступных визуальному осмотру элементах сборных конструкций. Рентгеновские трубки с энергией 100 кэВ используют для дефектоскопии пластмасс, лёгких металлов, стали толщиной до 150 мм. Рентгеновское излучение с энергией до 10 МэВ позволяет «просветить» до 600 мм стальных конструкций. В качестве регистраторов излучения используют фотографию, а также ионизационные датчики, рентгеновские катоды с внешним фотоэффектом электронно-оптических преобразователей, матрицы которых формируют видимое изображение на экране дисплея.

Особое место принадлежит рентгенографии в исследовании быстрых нестационарных процессов (взрыв, соударение тел, динамическая деформация узлов машин и т. д.). Скорость перемещения объектов достигает десятков километров за секунду, время протекания процесса — менее 10−6 с. В таких случаях применимы импульсные источники, возбуждаемые импульсными электронными ускорителями.

Рентгенография используется в медицине для диагностики заболеваний и стерилизации оборудования, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве (уничтожение вредителей, инициирование химических и биологических реакций).

Интенсивный поток электронов используют для радиационной и тепловой обработки материалов.

Характер воздействия потока частиц на вещество мишени в общем случае зависит от энергетики пучка. При интенсивности менее 100 Вт/см2 и времени экспозиции менее 0,1 с нагрев материала незначителен и основным является радиационное воздействие. Это воздействие выражается в ионизации и перестройке молекул вещества, а в случае пучка ионов, кроме указанных изменений, происходит внедрение ионов на различную глубину. Такая операция приводит к изменению химического состава и кристаллической решетки материала, и называется ионным легированием. Варьируя энергию пучка, время воздействия, распределение плотности тока пучка по поверхности мишени, можно менять глубину, концентрацию и профиль распределения примеси в толще материала. Электронный пучок с энергией 80…150 кэВ используется для экспонирования электронорезиста (технология электронолитографии), причем, в отличие от традиционного процесса фотолитографии, размер элементов может быть уменьшен до 10−9 м и менее (по мере увеличения энергии электронов). Это связано с очень малой длиной волны электрона, по сравнению со световой.

Электронные пучки малой мощности с энергией 0,3…15 МэВ широко используют в промышленных органических технологиях[15]:

• — в процессе синтеза полиэтилена (изменение структуры с существенным улучшением потребительских свойств);
• — производство термопластичных полимеров;
• — отверждение покрытий (инициирование химической реакции);
• — сополимеризация различных материалов;
• — модифицирование тканей (повышение химической и биологической стойкости, прочности, устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды).

Электронные пучки используют для стерилизации медицинского оборудования, обеззараживания сточных вод, дезинсекции зерна и т. д.

Использование интенсивных пучков электронов для сварки и плавки металлов (тепловая обработка) известно с 40-х годов прошлого века. Энергия пучка — от 30 до 175 кэВ, мишень помещается в вакууме, удельная мощность — до 107 Вт/см2. Преимущества электронно-лучевой сварки — высокое качество, малая область прогрева и зоны деформации. Электронно-лучевую плавку применяют для рафинирования (очистки) металлов, получения слитков тугоплавких и химически активных металлов, плавку керамических материалов. Мощность сварочных установок — до 100 кВт, плавильных — до 1 МВт.

Используются электронные пучки и для закалки поверхностного слоя металла, причем, в отличие от лазерного нагрева, однородность обработки значительно выше.

Электронные пучки используют для резки, размерной обработки, для наплавления порошковых покрытий и т. д.

Электронные и ионные пучки традиционно используются в ядерной физике, как инструмент воздействия на атомное ядро и элементарные частицы. Высокая энергия заряженных частиц (десятки ГэВ) является инструментом, выявляющим строение ядра, элементарных частиц, и даже их внутреннюю структуру. Релятивистские интенсивные электронные пучки (РИЭП) используют для исследования теплофизических и электрофизических свойств вещества при экстремальных температурах и давлениях. С помощью мощных РИЭП можно исследовать ударные волны и фазовые переходы в твердом теле, динамику состояния вещества при импульсном изменении его термодинамических параметров. В экспериментах такого рода используется удельная мощность до 1013 Вт/см2, время воздействия 10−7 с.

Одним из наиболее важных приложений являются работы по управляемому термоядерному синтезу (УТС) [15]. Идея быстрого сжатия дейтерий-тритиевой мишени с целью нагрева её до десятков миллионов градусов и выполнения известного критерия Лоусона n· ф? 1014 с/см3 (произведение концентрации полученной плазмы на время её жизни) требует экстремальных характеристик пучков заряженных частиц. Необходима энергия заряженных частиц 1…5 МэВ, суммарная энергия пучка 1…10 МДж, длительность 10−8…10−7 с, мощность 1015 Вт. Эта идея реализуется путем параллельного включения многих ускорителей. Проблемой является транспортировка и концентрация пучков на мишени, повышение эффективности поглощения энергии пучка мишенью. Крупнейшая в Евразии установка «Ангара 5−1» (г. Троицк, Подмосковье), используемая в российской программе УТС, состоит из 48 модулей и имеет следующие параметры: энергия частиц — 2 МэВ, ток пучка — 40 МА, длительность импульса — 90 нс.

Широкое применение электронные пучки нашли в области генерирования мощного СВЧ-излучения, при коллективном ускорении ионов, электроионизационном возбуждении газовых лазеров. Типичные параметры импульсного электроионизационного СО2 — лазера: энергия электронов — 100…300 кэВ, напряжение на электродах разрядного промежутка 150…250 кВ, удельный энергосъем — 1 Дж/(м3Па), к.п.д. лазера — 25%, длина волны излучения 10,6 мкм.