Ускори'тели на встре'чных пучка'х,ускорители со встречными пучками, установки, в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренные электрическим полем до высоких энергий (см. ) .На таких установках исследуются взаимодействия частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных условиях эффективных энергиях столкновения. Наибольшее распространение получили ускорители со встречными электрон-электронными (е -е -), электрон-позитронными (е -е +) и протон-протонными (рр) пучками.
        В обычных ускорителях взаимодействие частиц изучается в лабораторной системе отсчёта при столкновениях пучка ускоренных до высокой энергии частиц с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющихся частиц большая часть энергии налетающей частицы расходуется на сохранение движения центра масс системы частиц, т. е. на сообщение кинетической энергии частицам – продуктам реакции, и лишь небольшая её часть определяет «полезную», или эффективную, энергию столкновения, т. е. энергию взаимодействия частиц в системе их центра инерции, которая может идти, например, на рождение новых частиц. Из расчёта следует, что при столкновении двух частиц одинаковой массы ( m 0), одна из которых покоится в лабораторной системе отсчёта, а другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью, энергия в системе центра инерции , где E 0= m 0 c 2 –энергия покоя частицы, а Е –энергия налетающей частицы в лабораторной системе отсчёта. Т. о., чем больше Е,тем меньшая её доля определяет энергию взаимодействия частиц. Если же сталкиваются частицы с равными по величине и противоположно направленными импульсами, т. е. их суммарный импульс равен нулю, то лабораторная система отсчёта совпадает с системой центра инерции частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц; для частиц с одинаковыми массами (и энергией Е) Е ци= 2 E,т. е. кинетическая энергия может быть полностью использована на взаимодействие.
        Особенно велико преимущество изучения процессов взаимодействия на встречных пучках для лёгких частиц – электронов и позитронов, для которых E 0= 0,5 Мэв.Например, для соударяющихся во встречных пучках электронов с энергией в 1 Гэв Е ци= 2 Гэв;такая же эффективная энергия столкновения при одном неподвижном электроне потребовала бы энергии налетающего электрона Е= Е 2 ци/2 Е 0 (4000 Гэв.Для встречных пучков протонов ( E 0» 1 Гэв), например с энергией Е= 70 Гэв(энергия протонов Серпуховского ускорителя 7 6 Гэв) ,  Е ци= 140 Гэв,тогда как при столкновении с покоящимся протоном эффективная энергия столкновения 140 Гэвбыла бы достигнута лишь при энергии налетающего протона Е= 10 000 Гэв!
        У. на в. п. имеют важнейшее значение для изучения упругих и неупругих процессов взаимодействия стабильных частиц – протонов и электронов (и их античастиц); в области сверхвысоких энергий с ними не могут конкурировать обычные ускорители с неподвижной мишенью.
        Недостаток У. на в. п. – малая плотность пучков частиц по сравнению с плотностью неподвижной мишени. Для увеличения плотности частиц до процесса соударения производится накапливание заряженных частиц в специальных накопительных кольцах (см. ) ,так чтобы токи циркулирующих частиц составляли не менее десятков а.Однако и при таких токах интенсивность пучков вторичных частиц высоких энергий (p -и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях, на несколько порядков меньше, чем интенсивность пучков тех же частиц, получаемых на обычных ускорителях. Кроме того (т.к. энергия вторичной частицы не может превышать энергию сталкивающихся в У. на в. п. первичных частиц), получается проигрыш в энергии вторичных частиц по сравнению с традиционными ускорителями. Поэтому У. на в. п. не могут заменить, а лишь дополняют традиционные ускорители, и развитие тех и других должно идти параллельно.
        В накопительные кольца, представляющие собой кольцевые вакуумные камеры, помещенные в магнитное поле, ускоренные заряженные частицы поступают из обычного ускорителя. Магнитное поле создаётся, как правило, секторными магнитами, разделёнными прямолинейными промежутками (без магнитного поля) для областей пересечения пучков (и для размещения ускорительного устройства). Установка со встречными пучками содержит один или два накопительных кольца в зависимости от того, различны (как у е -е +, р , где  – антипротон) или соответственно одинаковы (как у е -е -, рр) знаки электрических зарядов сталкивающихся частиц. Предварительное ускорение пучков (до инжекции в накопительные кольца) производится в синхрофазотронах или синхротронах (с сильной или слабой фокусировкой), а также в линейных ускорителях. Возможно и дополнительное ускорение частиц в накопительных кольцах после инжекции. Однако независимо от того, производится ли дополнительное ускорение, каждый накопительный комплекс на встречных пучках обязательно включает ускоряющую систему для компенсации потерь энергии заряженных частиц на (для электрон-позитронных пучков) и остаточного газа в камере. Второе назначение системы ускорения – фиксация азимутальных размеров пучка (число сгустков частиц равно кратности частоты ускоряющей системы по отношению к частоте обращения частиц). Типичные схемы электрон-позитронного и протон-протонного накопительного комплекса приведены на рис. 1 и 2 .
        Основная характеристика системы со встречными пучками – величина, которая определяет число ( N) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью (1.) установки. Если изучается взаимодействие с сечением d ,то N= L( .В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = R( N 1 N 2/ S)w/2p, где N 1, N 2– полные числа частиц в каждом пучке, заполняющем кольца, S– площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w – круговая частота обращения частиц по замкнутой орбите, R –коэффициент использования установки, равный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае Rзависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относительных размеров пучков. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10 -26–10 -32 см 2,величина светимости должна составлять 10 28–10 32 см -2 сек -1 .Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966 сов. физиком Г. И. для тяжёлых частиц (протонов и антипротонов), у которых из-за практического отсутствия синхротронного излучения не происходит автоматического затухания поперечных колебаний частиц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой температурой. Экспериментальное подтверждение этого эффекта было впервые получено в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (1974).
        Для того чтобы обеспечить непрерывный физический эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение которого интенсивность пучка уменьшается в е(2,7 раз) зависит от ряда эффектов. Главные из них – однократное и многократное рассеяние ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для электронов и позитронов – синхротронное излучение и квантовые флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка – относительная величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в (ЦЕРНе) – 0,1%/ч при токе 22 а]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10 -11 мм рт. ст.в объёме камеры и 10 -12 мм рт. ст.в зонах встречи пучков.
        Необходимым элементом ускорителя со встречными е -е +пучками является электрон-позитронный конвертер – металлическая мишень (с толщиной около 1 радиационной длины; на рис. 1 на прямом пучке), в которой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь, – пары электрон-позитрон. Коэффициент конверсии – отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона – при энергии электронного пучка в сотни Мэвможет достигать величины 10 -4для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.
        Для схемы протон-протонных столкновений ( рис. 2 ), реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить несколько физических экспериментов.
        Типичные параметры наиболее крупных У. на в. п. приведены в таблице.
      Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры
Установка Тип встречных пучков Энергия, Мэв Средний радиус орбиты, м Светимость, см -2Чсек -1 Год запуска ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск) е +е - 2 ґ700 1,9 ~ 10 29 1966 ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск) е +е - 2 ґ3500 12,0 ~ 10 30 заканчивается сооружение SPEAR (США, Станфорд) е +е - 2 ґ4500 37,2 6Ч10 30 1972 АСО (Франция, Орсе) е +е - 2 ґ540 3,5 10 29 1966 ADONE (Италия, Фраскати) е +е - 2 ґ1500 16,4 6 Ч10 29 1969 ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева) рр 2 ґ31400 150 6,7 Ч10 30 1971 ISABELLE (США, Брук-хейвен) 2 ґ200 Ч10 3 428 проектируется РЕР (США, Станфорд) е +е - 2 ґ15 Ч10 3 350 10 32 проектируется SUPER ADONE (Италия, Фраскати) е +е - 2 ґ12 Ч10 3 136  10 32 проектируется          Краткая история развития У. на в. п.Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956 во многих лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956–66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам – электронам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для которых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв.Первые установки на встречных е -е -и е -е +пучках были созданы в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных ускорителей (амер. физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей в Орсе (П. Марин и др., Франция).
        В связи с запуском в 1959–60 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэви в США на 33 Гэвоткрылись реальные возможности для создания накопительных колец на встречных рр пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопительных кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв(К. Йонсен с сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22–25 аи светимости 6,7-10 30 см -2 сек -1стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, р и pe —накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании, реализация которых предполагается в 1980–90.
        Лит.:Kerst D. W., Properties of an intersectingbeam accelerating system, CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36; Будкер Г. И., Наумов А. А. и др., Работы по встречным электрон-электронным, позитрон-электронным и протон-протонным пучкам в Институте ядерной физики СО АН СССР, в кн.: Труды Международной конференции по ускорителям. Дубна. 1963, М., 1964, с. 274–87; Jonsen К. [а. о.], Some problems connected with the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312–25; Будкер Г. И., Ускорители и встречные пучки, в кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва. 1974, М., 1975, т. 2, с. 300–318.
         В. П. Дмитриевский.
      Рис. 1. Схема ускорителя на встречных электрон-позиторонных пучках. Пучок ускоренных в синхротороне С электронов (е -) выводится по каналу 1 и попадает на мишень М, в которой рождаются позитроны (е +). В течение некоторого времени позитроны накапливаются в накопительном кольце НК, после чего включаются поворотные магниты ПМ, с помощью которых электронный пучок из С направляется по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение пучков е +е -(КЛ — фокусирующие магнитные квадрупольные линзы).
      Рис. 2. а — схема расположения синхрофазотрона (СФ) и двух пересекающихся накопительных колец НК, в которых происходят протон-протонные столкновения (установка в ЦЕРНе); 1—8 — места пересечения колец; стрелки указывают направление движения протонов (р); K 1, K 2— каналы для ввода протонов в НК (в бустере производится предварительное ускорение протонов; в НК протоны дополнительно ускоряются до 31,4 Гэв). б — деталь пересечения пучков протонов между сечениями AA'; 1 — элементы структуры магнита, фокусирующего пучки протонов.

       Ускори'тель высоково'льтный,устройство для ускорения заряженных частиц электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Основные элементы У. в. – высоковольтный генератор, источник заряженных частиц и система, предназначенная для ускорения частиц ( рис. 1 ). Напряжение, получаемое от высоковольтного генератора, подаётся на электроды ускоряющей системы и создаёт внутри этой системы электрическое поле. Заряженные частицы из источника ускоряются этим полем до энергии Е = enu эв,где e– элементарный электрический заряд, n –число элементарных зарядов ускоряемой частицы, u –напряжение (в в) высоковольтного генератора. Давление внутри ускоряющей системы не должно превышать 10 -4–10 -5 мм рт. ст.,т.к. иначе происходит значительное рассеяние ускоряемых частиц на молекулах газа.
        Важное преимущество У. в. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. С помощью У. в. легко может быть достигнут относительный разброс энергии ~ 10 -4 ,а у отдельных ускорителей 10 -5 –10 -6 .Благодаря этому У. в. нашли широкое применение при исследованиях в атомной и ядерной физике. Др. преимущество У. в. – возможность создания установок с большой мощностью и высоким кпд, что весьма важно при использовании ускорителей в прикладных целях.
        Виды У. в.В зависимости от типа используемого высоковольтного генератора различают электростатические, каскадные, трансформаторные и импульсные У. в.
        1) В электростатическом ускорителе (ЭСУ) напряжение создаётся электростатическим генератором – генератором, основанным на переносе зарядов механическим транспортёром. Генератор с гибким транспортёром из диэлектрической ленты называется генератором Ван-де-Граафа ( рис. 2 ). Электрические заряды наносятся на поверхность движущегося транспортёра зарядным устройством, состоящим из системы игл и плоского электрода, между которыми создаётся .Затем заряды переносятся к высоковольтному электроду, где при помощи др. аналогичного устройства они снимаются, а вместо них на поверхность транспортёра наносятся заряды противоположного знака, снимаемые первым устройством. Существуют также генераторы с транспортёром в виде жёсткого диэлектрического ротора (роторные электростатические генераторы). С 1960-х гг. в некоторых ЭСУ используется цепной транспортёр с металлическими электродами, соединёнными между собой диэлектрическими звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества которого – высокая стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее напряжение, полученное с иомощью электростатических генераторов, составляет около 20 Мв; проектируются установки на напряжение до 30 Ме.
        2) В каскадном ускорителе источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное путём последовательного включения постоянных напряжений, получаемых в отдельных каскадах схемы. Существует несколько схем каскадных генераторов, среди которых наиболее известен генератор Кокрофта – Уолтона с последовательным питанием каскадов (см. ) .В 60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивнои связью каскадов с источником питания ( рис. 3 ); их преимущество – равномерное распределение напряжения по каскадам, а недостаток – необходимость изоляции каскадов на полное рабочее напряжение установки. Современные каскадные генераторы позволяют получать напряжение до 4 Мепри мощности установок в несколько десятков квт.
        3) В трансформаторных ускорителях генератором высокого напряжения является высоковольтный трансформатор, питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система таких ускорителей имеет устройство отсечки, обеспечивающее прохождение пучка ускоряемых частиц лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет нужную полярность и близко к максимуму. Этим достигается достаточно малый разброс энергии ускоряемых частиц. Высоковольтный трансформатор практически не имеет ограничений по мощности и является наиболее перспективным типом генератора для мощных и сверхмощных У. в. с энергией ускоренных частиц до 2–3 Мэв.
        4) В импульсных ускорителях источником напряжения служат импульсные трансформаторы различных типов (например, ) ,а также ёмкостные генераторы импульсного напряжения. В последних большое число конденсаторов заряжается параллельно от общего источника, затем при помощи разрядников осуществляется их переключение на последовательное, и на нагрузке возникает импульс напряжения с амплитудой до нескольких Мв.
        Линейные размеры У. в. определяются напряжением высоковольтного генератора и электрической прочностью его изоляции и ускоряющей системы. Ввиду малой электрической прочности воздуха при атмосферном давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией свыше 1 Мэвобычно нецелесообразно. Ускорители на большую энергию размещаются в герметичных сосудах, заполненных газом при давлении, в 5–15 раз превышающем атмосферное. Это значительно уменьшает размеры ускорителей и снижает стоимость их сооружения. Особенно эффективно применение электроотрицательных газов (фреона и шестифтористой серы), а также их смесей с азотом и углекислотой. Импульсные ускорители с той же целью размещают внутри сосудов с жидким диэлектриком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой).
        Основной способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции – секционирование изоляционных конструкций, т. е. разделение больших изоляционных промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлических электродов с заданным распределением потенциала.
        Перезарядный ускоритель (тандем). Снижения требуемого напряжения высоковольтного генератора и тем самым уменьшения размеров У. в. можно также добиться, используя перезарядку (изменение знака заряда) частиц в процессе ускорения. В ускорителях такого типа ( рис. 4 ), называемых тандемными, или перезарядными, отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положительные ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или плёнку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных ускорителей ( рис. 5 ). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, которые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицательные ионы. Затем эти ионы ускоряются и инжектируются во 2-й ускоритель. Такая схема позволяет получить однозарядные ионы с утроенной энергией.
        Источники заряженных частиц для У. в.Источники электронов, часто наз. электронными пушками, обычно представляют собой катод, нагреваемый либо током, протекающим непосредственно по катоду, либо отдельным подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. ) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи которых электрическое поле усиливается до ~ 10 7 в/см.Затем электрический ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в ,которая сама становится источником электронов.
        В ионных источниках заряженные частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или парами вещества при давлении 10 -1–10 -3 мм рт.