Akceleratory liniowe

Akcelerator, w których przyspieszane cząstki poruszają się po torach prostych. Do akceleratorów liniowych należą: akcelerator Cockcrofta-Waltona (kaskadowy), akcelerator van de Graaffa, akcelerator liniowy z falą bieżącą, akcelerator liniowy z falą stojącą. W akceleratorze liniowym z falą bieżącą do przyspieszania wykorzystuje się bieżącą falę elektromagnetyczną, powstającą w falowodzie o konstrukcji zapobiegającej odbiciu fali. W falowodzie pole elektrycznego fali porusza się z prędkością fazową dobraną tak, aby była równa prędkości cząstek, cały czas przyspieszając je w kierunku osi akceleratora. Właściwą prędkość fazową uzyskuje się konstruując odpowiednie przegrody.

W Stanford (USA) działa akcelerator liniowy z falą bieżącą (o długości 3 km) przyspieszający elektrony do energii 20 GeV (ostatnio przekonstruowany na nietypowy akcelerator wiązek przeciwbieżnych).

Schemat układu przysłon falowodu akceleratora liniowego wielkiej częstotliwości z falą bieżącą

Wnętrze tunelu akceleratora liniowego Stanford Linear Accelerator Center w USA

Akcelerator liniowy z falą stojącą, akcelerator przyspieszający protony lub ciężkie jony za pomocą rezonatorów fal elektromagnetycznych wysokiej częstości. Jonowód, w którym przyspieszane są cząstki podzielony jest na segmenty tak, by w przerwach między segmentami działał przyspieszająco na cząstki, wektor pola elektrycznego fali stojącej. Tam, gdzie wektor ten działałby hamująco, jonowód ekranuje cząstki od wpływu pola elektrycznego. Podobnie jak w akceleratorach liniowych z falą bieżącą konieczne jest tu wstępne przyspieszenie cząstek. W tym celu stosuje się akceleratory elektrostatyczne lub akceleratory kaskadowe.

Akcelerator liniowy wielkiej częstotliwości z falą stojącą

Betatron - akcelerator indukcyjny, rodzaj akceleratora cyklicznego, służącego do przyspieszania elektronów. Przyspieszanie następuje pod wpływem wirowego pola elektrycznego, indukowanego przez zmienny strumień pola magnetycznego. W beatronie elektrony przyspieszane są na stabilnej orbicie, cykl przyspieszania wynosi 1/4 okresu sinusoidalnie zmiennego napięcia zasilania. Pod koniec przyspieszania dodatkowy impuls pola kieruje elektrony na tarczę, gdzie w wyniku promieniowania hamowania wytwarzane są wysokoenergetyczne fotony (kwanty promieniowania gamma).

Pierwszy betatron zbudowany w 1940 r. przez Donalda Kersta

Schemat betatronu

Synchrotron - cykliczny akcelerator cząstek naładowanych. Uzyskiwane energie elektronów - do 23 GeV, protonów - do 1 TeV.

Synchrotron elektronowy - rodzaj akceleratora cyklicznego służącego do impulsowego, cyklicznego przyspieszania elektronów. Elektrony poruszają się po stałej orbicie w rosnącym w trakcie cyklu przyspieszania polu magnetycznym, przy stałej rezonansowej częstości przyspieszającego pola elektrycznego.
Energie elektronów osiągane w synchrotronie elektronowym ograniczane są przez straty wywołane promieniowaniem synchrotronowym. Przeciwdziała się im zwiększając rozmiary synchrotronu - dla osiągnięcia energii rzędu 100 GeV średnica synchrotronu elektronowego musi wynosić ok. 10 km (np. akcelerator LEP).

Synchrotron protonowy - rodzaj akceleratora cyklicznego (zmodyfikowany synchrocyklotron) pracujący impulsowo - możliwa jest w nim dalsza kompensacja efektów relatywistycznych.
W synchrotronie protonowym protony poruszają się po stałej orbicie w narastającym polu magnetycznym, przyspieszające pole elektryczne ma odpowiednio modyfikowaną, zmienną częstotliwość.
Synchrotrony protonowe z nadprzewodzącymi magnesami (magnes) pozwalają osiągać energie protonów rzędu TeV.

Schemat synchrotronu elektronowego