УСЕЧЁННАЯ ПИРАМИДА, геометрическое тело (рис.), отсекаемое от пирамиды плоскостью, параллельной основанию. Объём У. п. равен

ди оснований, h - высота (расстояние между основаниями).

УСЕЧЁННАЯ ПРИЗМА, геометрическое тело, отсекаемое от призмы плоскостью, непараллельной основанию. Объём У. п. равен V = IQ, где l - длина отрезка, соединяющего центры тяжести оснований, Q - площадь сечения призмы плоскостью, перпендикулярной к этому отрезку.

УСЕЧЁННЫЙ КОНУС, геометрическое тело, отсекаемое от круглого конуса плоскостью, параллельной основанию (рис.).Объём У.к.

+r₁r₂ + r²₂, где r₁ и r₂ - радиусы оснований, h - высота.

УСЕЧЁННЫЙ ЦИЛИНДР, геометрическое тело, отсекаемое от цилиндра плоскостью, непараллельной основанию. Объём

где h₁ н h₂ - наибольший и наименьший отрезки образующей цилиндра, r - радиус основания цилиндра.

УСИ, город в Китае, в пров. Цзянсу. 650 тыс. жит. (1970). Пристань на Великом канале; ж.-д. станция. Один из важнейших текст, центров страны (хл.-бум., шёлковые, шерстяные ткани). Маш.-строит., хим., пищ. (рисоочистка, муком., маслообрабатывающая, чаеобрабатываю-щая) пром-сть. Добыча угля и чёрная металлургия.

УСИЕВИЧ Григорий Александрович: [6 (18). 9. 1890, Тамбов, - 9. 8. 1918, с. Горки, ныне Камышловского р-на Свердловской обл.; похоронен в пос. Красногвардейском Свердловской обл.], деятель революц. движения в России. Чл. Коммунистич. партии с 1907. Род. в семье купца. С 1907 учился в Петерб. ун-те. В 1908 чл. Петерб. к-та РСДРП. В 1909 арестован, в 1911 сослан в Енисейскую губ. Сотрудничал в большевистских журн. "Просвещение" и газ, "Правда". В 1914 бежал из ссылки, эмигрировал в Австрию, где был арестован и заключён в концлагерь. С кон. 1915 жил в Швейцарии. После Февр. революции 1917 возвратился в Россию вместе с В. И. Лениным. С апр. 1917 чл. Моск. к-та РСДРП(б), чл. Исполкома Моссовета, большевистской фракции Гор. думы. Делегат 6-го съезда РСДРП(б). В октябрьские дни 1917 чл. оперативного штаба, занимавшегося воен.-технич. делами, чл.Моск. ВРК. В марте 1918 направлен в Зап. Сибирь для организации снабжения хлебом Москвы. С мая 1918 чл. Военно-революционного штаба в Омске, с июня - председатель Революционного штаба в Тюмени. Погиб в бою.

Лит.: Герои Октября, М., 1967; Рощевский П. И., Никифорова М. М., Г. А. Усиевич, в сб.: Сквозь грозы, Свердловск, 1967.

УСИЕВИЧ Елена Феликсовна [20. 2 (4. 3). 1893, Якутск, - 15. 1. 1968, Москва], советский литературный критик. Член КПСС с 1915. Дочь Ф. Я. Кона, жена Г. А. Усиевича. Участница Окт. революции 1917 и Гражд. войны 1918-20. Окончила Ин-т красной профессуры (1932). Печаталась с 1928. Автор книг "Владимир Маяковский" (1950), "Ванда Василевская" (1953); "Пути художественной правды" (1958), мн. статей по вопросам сов. лит-ры.

УСИКИ 1) в зоологии - то же, что антенны. 2) В ботанике У. (cir-rhi) - органы лазящих растений, обычно нитевидные, служащие для прикрепления к др. растениям или иным предметам. У. - результат метаморфоза побегов, листьев или их частей, иногда ветвей соцветий или воздушных корней. У. обвиваются вокруг предметов и спирально закручиваются (см. Гаптотро-пизм); иногда на концах У. развиваются особые дисковидные присоски. У. обычны у лиан, в т. ч. у винограда, тыквенных и др.

УСИЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ зданий и сооружений, повышение несущей способности конструкций существующих зданий (сооружений) или их отдельных частей. Необходимость в У. к. обычно возникает в тех случаях, когда в результате увеличения нагрузок или появления недопустимых дефектов в несущих конструкциях последние перестают удовлетворять требованиям нормальной эксплуатации. У. к. нередко оказывается экономически более целесообразным, чем стр-во нового здания (сооружения). Иногда У. к. вызывается и др. соображениями, напр. необходимостью сохранения зданий, имеющих историч. или архитектурную ценность. У. к. производят, как правило, посредством увеличения сечений элементов или изменения схемы конструкции. Методы У. к. определяются видом и материалом конструкций, а также необходимой степенью увеличения их несущей способности. В нек-рых случаях производится усиление оснований и фундаментов, к-рое обычно связано с надстройкой существующих зданий или увеличением действующих на них эксплуатационных нагрузок.

УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА в полупроводниках (дрейфом носителей тока), явление, состоящее в том, что проходящая по кристаллу полупроводника ультразвуковая волна усиливается, когда скорость дрейфа носителей тока в направлении волны превысит фазовую скорость последней. Физич. природу У. у. проще всего понять на примере кристалла полупроводника, обладающего пьезоэлектрич. эффектом, - т. н. пьезополупроводника (см. Пьезоэлектричество). Вследствие пье-зоэффекта проходящая по кристаллу упругая волна сопровождается электрич. полем, к-рое взаимодействует с носителями тока в полупроводнике - электронами и дырками. Это приводит к их перераспределению в пространстве и образованию области с повышенной концентрацией носителей - пространственного объёмного заряда. Если при этом к образцу приложено электрич. поле Е_d, создающее дрейф объёмного заряда со скоростью большей, чем фазовая скорость упругой волны с, то носители тока, обгоняя волну, будут отдавать ей энергию, в результате чего произойдёт усиление ультразвуковой волны. Аналогичный процесс происходит в лампе бегущей волны. В полупроводниках, не обладающих пьезоэффектом, взаимодействие упругой волны с носителями тока осуществляется через деформационный потенциал, т. е. непосредственно через взаимодействие электронов с фононами, к-рое характеризует изменение энергии электрона в зоне проводимости под действием упругой деформации решётки. Сила, действующая на электрон со стороны деформированной решётки, пропорциональна квадрату частоты волны со, поэтому У. у. в обычных полупроводниках эффективно только на гиперзвуковых частотах w>10⁹ гц (см. Гиперзвук).

На малых частотах, когда длина свободного пробега носителей тока l много меньше длины ультразвуковой волны Ч, У. у. обусловлено объёмным зарядом, т. е. сверхзвуковым движением локального "сгустка" носителей тока одного знака, образованного самой волной; если же l/Ч"1 -электроны (или дырки) почти свободны, образование объёмного заряда не происходит и усиление обусловлено когерентным излучением фононов отдельными носителями тока (подобно пучковой неустойчивости в газоразрядной плазме).

Для У. у. в пьезополупроводящих кристаллах симметрия кристалла и направление распространения упругой волны должны быть такими, чтобы упругая волна с данной поляризацией сопровождалась продольным электрич. полем, т. к. взаимодействие носителей тока в полупроводнике наиболее эффективно с продольной компонентой вектора электрич. поля волны. Усиление как продольных, так и поперечных волн может осуществляться в пьезополупроводящих кристаллах CdS, CdTe, ZnO, GaAs, CdSe.

Основная трудность использования У. у. на опыте состоит в чрезмерном нагревании образцов в режиме усиления. Чтобы этого избежать, опыты по У. у. обычно проводят в импульсном режиме, прикладывая к образцу дрейфовое поле только на время ультразвукового импульса. В пьезополупроводниках У. у. может достигать весьма больших значений, при этом становятся существенными нелинейные явления, ограничивающие усиление. Практич. применение У. у. возможно для создания активных ультразвуковых линий задержки, усиления колебаний СВЧ (с использованием двойного акустоэлектрич. преобразования), создания гиперзвуковых излучателей и приёмников. Исследование эффекта У. у. в полупроводниках (особенно в сильном магнитном поле) позволяет оценить и измерить ряд характерных параметров и констант твёрдого тела, в частности исследовать Ферми поверхность.

Лит. см. при ст. Ультразвук.

В. И. Пустовойт.

УСИЛЕНИЕ ФОТОГРАФИЧЕСКОЕ, процесс увеличения оптической плотности фотографич. изображения для исправления в основном недодержанных или недопроявленных негативов. У. ф. противоположно ослаблению фотографическому, осуществляется путём наращивания металла (ртуть, серебро) или к.-л. непрозрачного соединения на серебряные зёрна изображения, а также путём окрашивания фотографических изображений. У. ф. на многослойных цветных фотографич. материалах из-за большой сложности практич. применения не находит.

У. ф. основано на отбеливании метал-лич. серебра изображения растворами сулемы, бихромата калия и др. (см. Отбеливание фотографическое) с последующим "чернением" в энергично действующих проявителях, растворах аммиака и др. Эффект усиления связан с тем, что отбеливающие агенты восстанавливаются в тонкодисперсные порошки металлов (ртуть из сулемы) или труднорастворимые непрозрачные соединения (Сr₂О₃*СгО₃ из бихромата калия), к-рые откладываются на зёрна металлич. серебра изображения, создавая дополнительные оптич. плотности. При отбеливании бромной медью, или бромидом меди (II), "чернение" осуществляют раствором нитрата серебра в качестве источника дополнительного металла, откладывающегося на изображении. Если У.ф. достигается тонированием, то негатив становится обычно коричневым. При этом его эффективная фотографич. непрозрачность увеличивается, т. к. слой поглощает синий свет, к к-рому наиболее чувствительны фотографич. позитивные материалы.

Различают три вида У. ф.: пропорциональное, субпропорциональное и сверхпропорциональное. При пропорциональном У. ф. оптические плотности увеличиваются пропорционально их первоначальным значениям (но очень малые плотности почти не увеличиваются); в случае субпропорционального У. ф. малые плотности увеличиваются значительно больше средних и больших; при сверх-пропорциональном У. ф. большие плотности увеличиваются сильнее малых и средних.

Лит.: Цыганов М. Н., Устранение дефектов фотографического изображения, М., 1957; Никулин В. П., Фотографический рецептурный справочник, 4 изд., М., 1972. Л. Д. Первова.

УСИЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ (биол.), тоже, что интенсификация функций.

УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, увеличение интенсивности электрич. колебаний при сохранении их формы (частотного спектра, фазовых соотношений). У. э. к. осуществляется обычно за счёт энергии источников постоянного напряжения при помощи различных электронных приборов (вакуумных, газоразрядных, твердотельных) либо за счёт энергии др. электрич. колебаний.

УСИЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ антенны, безразмерная величина, равная произведению направленного действия коэффициента передающей или приёмной антенны на её кпд (подробнее см. в ст. Антенна).

УСИЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТ, отношение потока энергии излучения (мощности излучения), усиленного активной средой, к потоку энергии излучения, вошедшего в среду.

УСИЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЬ, величина, обратная расстоянию, проходимому светом в активной среде, на к-ром поток монохроматич. излучения усиливается в е раз (натуральный У. о. п.) или в 10 раз (десятичный У. о. п.) в результате вынужденного излучения среды. Измеряется в м^-1 или в см^-1.

УСИЛИТЕЛЬ в технике, устройство, в к-ром осуществляется увеличение энергетич. параметров входного (управляющего) сигнала (воздействия) за счёт использования энергии вспомогательного (управляемого) источника. В У., в отличие от преобразователя, связь между выходными и входными сигналами непрерывная и однозначная. По виду энергии управляющего сигнала и управляемого источника различают У. электрические, магнитные, гидравлические, пневматические, механические. У. - один из осн. элементов устройств автоматики, телемеханики, вычислит. и измерит. техники, радиоэлектроники и связи, а также приводов рабочих машин (в электроэнергетике, машиностроении, на транспорте). См. Усилитель электрических колебаний, Постоянного тока усилитель, Гидравлический усилитель, Электромашинный усилитель, Квантовый усилитель, Диэлектрический усилитель, Фотоэлектрический усилитель.

УСИЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, устройство, предназначенное для усиления электрических (электромагнитных) колебаний в системах многоканальной связи, радиоприёмной, радиопередающей, измерительной и др. аппаратуре. Такое усиление представляет собой процесс управления источником энергии (источником питания У.э. к.) в результате воздействия на него усиливаемых колебаний через усилит.элемент- чаще всего транзистор, электронную лампу, туннельный диод, параметрический диод, вариконд или индуктивности катушку с сердечником из ферромагнитного материала и др. При этом существенно, что управляемая мощность Ро (источника питания) заметно превышает управляющую P₁ (источника усиливаемых колебаний), наз. входной мощностью (рис. 1). Часть Ро, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), именуется выходной мощностью P₂. В отличие от пассивной цепи, т. е. цепи, не содержащей источника энергии, напр. трансформатора электрического, коэффициент усиления мощности (коэфф. передачи) У. э. к. K_P = P₂/P₁>1. Наряду с усилением мощности У, э. к. способен усиливать напряжение и ток источника колебаний, что оценивается коэффициентом усиления напряжения Кv = U₂/U₁и коэффициентом усиления тока K_t= I₂/I₁ (U₁, I₁ и U₂, I₂ - напряжение и ток соответственно на входе и выходе У. э. к.).

В одних приборах (напр., лабораторных генераторах электрич. колебаний) У. э. к. используется для усиления гармонических колебаний, в других (напр., радиоприёмниках) - для усиления сигнала сложной формы, представляющего собой сумму множества гармонич. колебаний с разными частотами и амплитудами. В общем случае У. э. к. служит для повышения уровня сигналов различного вида, к-рое оценивается прежде всего величиной К_Р. Простейший У. э. к. выполняют на 1 усилит. элементе. При необходимости получения К_Р, большего, чем такой У. э. к. может обеспечить, применяют более сложный У. э. к., содержащий несколько каскадов усиления.

Классификация У. э. к. В зависимости от вида применяемых усилит. элементов различают транзисторные и ламповые У. э. к., диодные регенеративные усилители, параметрические усилители, диэлектрические усилители, магнитные усилители, усилители на клистронах и лампах бегущей волны, квантовые усилители (см. также Мазер).

В транзисторных У. э. к., собранных на биполярных транзисторах или полевых транзисторах, в зависимости от того, какой из выводов усилит. элемента является общим для входа и выхода усилит. каскада, различают каскады с общим эмиттером или истоком (рис. 2, а и б), с общей базой или затвором (рис. 2, в и г) и с общим коллектором или стоком (см. рис., т. 20, стр. 83). В У. э. к. на биполярных транзисторах из-за наличия входного тока на управление транзистором приходится затрачивать определённую мощность. Этот недостаток в меньшей мере присущ каскадам с общим эмиттером (обладающим сравнительно большим входным сопротивлением - до неск. ком), в большей - каскадам с общей базой (десятки ом). Кроме того, первые обеспечивают Кр, на порядок больший, чем вторые (неск. тыс.), что является их осн. преимуществом. Каскады с общей базой, однако, более устойчивы в работе, менее критичны к изменениям темп-ры или смене транзистора, вносят весьма небольшие нелинейные искажения; они используются преим. в оконечных ступенях мощных У. э. к. Полевой транзистор по своим осн. параметрам (крутизне характеристик, входному сопротивлению, напряжению отсечки и др.) - весьма близкий аналог электронной лампы, используемой в ламповых У, э. к. (по способу использования электродов ей аналогичны как полевой, так и биполярный транзисторы: катоду соответствуют исток и эмиттер, сетке - затвор и база, аноду - сток и коллектор). Это позволяет применять результаты исследований ламповых каскадов с общим катодом, сеткой или анодом к соответствующим каскадам на полевых транзисторах.

Всякий У. э. к. характеризуется полосой пропускания частот. Если нижняя граничная частота полосы сколь угодно близка к нулю, имеем постоянного тока усилитель, если же она отделена от нуля конечным интервалом, - усилитель переменного тока (таков, напр., видеоусилитель). Различают селективные (избирательные) и апериодические (неизбирательные) У. э. к. К селективным относятся усилители колебаний принимаемой (высокой) и промежуточной частот радиоприёмника; первые обычно содержат каскады с колебательными контурами (или резонаторами), настроенными на одну и ту же частоту, вторые - полосовые электрические фильтры, позволяющие приблизить форму амплитудно-частотной характеристики У. э. к. к идеальной (прямоугольной). В группу апериодич. У. э. к. входят усилители звуковой частоты, видеоусилители, усилители импульсных сигналов и др.

Примеры практического использования У. э. к. Усилитель промежуточной частоты радиоприёмного устройства в одних вариантах содержит неск. каскадов с двухкон-турными (рис. 3) или более сложными электрич. фильтрами, в других он может представлять собой апериодич. усилитель с высокоселективными системами во входной и выходной цепях.

В мощных радиопередающих устройствах находит применение ламповый усилитель В Ч. В оконечном каскаде такого У. э. к. (рис. 4) нагрузкой служит передающая антенна, обычно связанная с усилителем посредством фидера.

В транзисторных усилителях систем многоканальной связи ширина полосы зависит от числа телеф. каналов: при 300 каналах она лежит в пределах 60-1300 кгц, при 1920 - верхняя граница приближается к 9 Мгц, при 10800 - к 6ОМгц. Напр., усилитель на 300 каналов (рис.5) обычно содержит 3 каскада с общим эмиттером, охваченных глубокой смешанной обратной связью (последовательно-параллельной по входу и выходу), позволяющей получить достаточно высокую выходную мощность и удовлетворить весьма жёстким требованиям, предъявляемым к допустимому уровню нелинейных искажений в системах дальней телеф. связи. При помощи такой обратной связи удаётся также реализовать не зависящие от усилит. свойств каскадов входное и выходное сопротивления и притом таких значений, к-рые обеспечивают согласование с подключёнными к У. э. к. линиями, напр. коаксиальными кабелями. Транзистор T₄, включённый по схеме с общей базой, соединён последовательно с транзистором Т₃, образуя с ним т. н. каскодный усилит, каскад (с широкой полосой пропускания и повышенной линейностью).

Операционный усилитель, применяемый для выполнения определённых математич. операций - суммирования, дифференцирования, интегрирования и т. д., - представляет собой усилитель постоянного тока с большим коэфф. усиления К_U (достигающим 10⁵), обычно в интегральном исполнении (см. Микроэлектроника). В комплексе с внешними элементами, образующими цепь обратной связи, операционный усилитель получил назв, решающего усилителя; он используется в вычислит. технике. В операц. усилителе (рис. 6) имеются неинвертирующий вход (обеспечивающий в процессе усиления совпадение полярностей поданного на него сигнала и сигнала на выходе) и инвертирующий (полярность изменяется на противоположную). Это свойство придаёт усилителю его первый каскад, выполненный пот. н. дифференциальной схеме, реагирующей на разность входных напряжений (в результате сигналы с разной полярностью складываются, а с одинаковой - вычитаются и при столь большом К_U практически не влияют на выходной сигнал). Инвертирующий вход обычно используется и для создания отрицательной или частотно-зависимой обратной связи.

Усилитель звуковой частоты, используемый, напр., при звукоусилении, обычно заканчивается двухтактным каскадом усиления.

Такой каскад содержит 2 усилит. элемента, работающих со сдвигом фаз усиливаемых колебаний на 180°. Для возбуждения двухтактного каскада, состоящего из однотипных усилит. элементов (напр., транзисторов р-п-р -типа), используют фазоинверсный предоконечный каскад (фазоинвертор) или трансформатор, вторичная обмотка к-рого имеет вывод от средней точки (рис. 7); каскад, содержащий разнотипные элементы (т. н. комплементарные структуры, напр. транзисторы р-п-р- и п-р-n-типов), возбуждается от источника однофазного напряжения, т. е. от обычного однотакт-ного каскада, и в этом случае отпадает необходимость применения трансформатора. По сравнению с однотактным каскадом двухтактный позволяет получать гораздо большую выходную мощность с меньшими нелинейными искажениями. Распространены бестрансформаторные У. э. к. звуковой частоты на транзисторах: одиночных комплементарных (с выходной мощностью до 1 вт) и т. н. составных (с выходной мощностью неск. десятков вт и более). Отсутствие трансформаторов допускает изготовление У. э. к. в виде полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем.

Ламповый усилитель большой мощности используется на узлах проводного вещания и в радиопередатчиках (в качестве модуляционного устройства). Он обычно содержит 4 двухтактных каскада, охваченных сравнительно глубокой отрицат. обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений, снижения фона на выходе и получения небольшого выходного сопротивления.

Лит.: Лурье Б. Я., Проектирование транзисторных усилителей с глубокой обратной связью, М., 1965; Калихман С. Г., Левин Я. М., Основы теории расчёта радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах, М., 1969; Ра-диопередающие устройства, М., 1969; Цыкин Г. С., Усилительные устройства, M., 1971; Войшвилло Г. В., Усилительные устройства, М., 1975. Г. В. Войшвилло.

УСИМА, Нюланд (фин. Uusimaa, швед. Nyland), ляни (губерния) на Ю. Финляндии, у Финского зал. Пл. 10,4 тыс. км². Св. 1 млн. жит. (1973), в т. ч. гор. 82%. Адм. ц.- г. Хельсинки. У. даёт 23% валовой пром. продукции страны, в пром-сти и стр-ве занято 35% экономически активного населения, в сел. и лесном х-ве 5%, в обслуживании 59% (1973). Машиностроение, особенно судостроение; электротехнич., нефте-перераб., текст., пищ., полиграфич. пром-сть. Пригородное сел. х-во.

УСИНСК, посёлок гор. типа, центр Усинского р-на Коми АССР. Расположен на прав. берегу р. Уса, недалеко от впадения её в Печору, в 150 км к С. от ж.-д. станции Печора (на линии Котлас - Вор-кута).17 тыс.жит. (1975). Центр нефт. р-на.

УСИНСКАЯ КОТЛОВИНА, межгорное понижение в Зап. Саяне, по ср. течению р. Ус (прав. приток Енисея), на Ю. Красноярского края РСФСР. Дл. 70 км, шир. 10-18 км. Выс. 650-800 м. Рельеф равнинный, по окраинам холмистый. Климат резко континентальный; ср. темп-pa января -28,6 ⁰С (часты инверсии), июля 16,7 ⁰С. Осадков ок. 350 мм в год. Вегетационный период 116 сут. Большая часть У. к. распахана (гл. обр. посевы зерновых); имеются участки злаковых и злаково-разнотравных степей на чернозёмных почвах. По окраинам - лиственнично-берёзовые лесостепи на серых лесных почвах и сосновые массивы на песках. Сев.-вост. часть У. к. пересекается Усинским трактом.

УСИНСКИЙ ТРАКТ, магистральная автомобильная дорога Абакан - Кызыл, 436 км (маршрут № 35), пересекающая Зап. Саяны и соединяющая столицу Тув. АССР г. Кызыл с центром Хакас. АО г. Абакан и ж.-д. сетью Сибири; имеет подъезды к Минусинску и Шушенскому. Построен в 1911-17 как гужевой тракт, с 1932 - автомоб. дорога. Название получил от р. Ус - притока Енисея, в долине к-рой проходят 85 км дороги. По У. т. поступают почти все грузы для Тув. АССР и вывозятся из Тувы минеральное сырьё, мясо, шерсть, зерно, пушнина. По У. т. осуществляется осн. часть пасс. перевозок. После постройки автодороги Красноярск - Дивногорск - Абакан (1960-66) связан с сетью автомоб. дорог Юж. Сибири.

УСКОКИ (серб.-хорв. uskok, букв.- беглец, перебежчик), воен. поселенцы в Хорватии 16-17 вв. (гл. обр. беженцы из находившихся под властью Османской империи югославянских земель). Осн. источник существования У.- собственное х-во. Во время воен. действий получали от бана (правителя) за несение воен. службы ден. вознаграждение и имели право на 2/3 воен. добычи.

УСКОЛЬЗАНИЯ СКОРОСТЬ в астрономии, см. Убегания скорость.

УСКОРЕНИЕ, векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости точки по её численному значению и по направлению. При прямолинейном движении точки, когда её скорость v возрастает (или убывает) равномерно, численно У. w = dv/dt, где dv - приращение скорости за промежуток времени dt. В общем случае вектор У. w равен первой производной от вектора скорости v по времени: w = dv/dt = v; он направлен в сторону вогнутости траектории точки и лежит в соприкасающейся плоскости.

Проекции У. на прямоугольные декартовы оси координат Oxyz равны первым производным от проекций скорости или вторым производным от координат точки

на касательную и главную нормаль к траектории наз. соответственно касательным (тангенциальным) w_Т, и нормальным (центростремительным) w_n У.; они определяются равенствами: w_T = dv/dt =  где v - численная величина скорости, р - радиус кривизны траектории в соответствующей её точке.

У. характеризует изменение скорости точки по её численной величине, а нормальное У.- по направлению.

У. свободной материальной точки связано с её массой т и действующей силой F равенством mw = F (второй закон Ньютона). Размерность У. LT^-2.

Об У. точек вращающегося тела см. Вращательное движение, Угловое ускорение.

Лит. см. при ст. Кинематика.

С. М. Таре.

Физиологическое действие ускорения. По характеру воздействия на организм различают линейное ударное У. (время действия <= 1 сек; g>=10 g/сек), линейное длительно действующее У. (время действия >= 1 сек,g<=10 g/сек), а также угловое У. В авиационной и космической медицине для обозначения "возросшего веса тела" (вследствие У.) используется термин "перегрузка".

Наибольшим линейным ударным У. (ЛУУ) человек подвергается при падениях, авариях на транспорте, при аварийной посадке самолёта или космич. корабля, при катапультировании и т. д. Осн. неблагоприятный пато-физиологич. эффект ЛУУ сводится к нарушению целостности органов и тканей (позвоночник, череп, внутренние органы). Переносимость ЛУУ, направленных перпендикулярно к продольной оси тела, примерно в два раза выше, чем направленных вдоль позвоночника (30-40 g и 15-20 g соответственно). В процессе эволюции у человека сформировались нек-рые специфич. механизмы защиты от ЛУУ (амортизационные свойства костно-опорного аппарата, система подвески внутр. органов и т. п.).

Выраженность неблагоприятного эффекта линейного длительно действующего У. (ЛДУ) зависит от величины У. и его направления относительно тела человека. Чем более вектор ЛДУ приближается к продольной оси тела и направлению осн. магистральных кровеносных сосудов, тем выраженнее нарушения кровообращения, связанные с перераспределением крови под влиянием возросшего гидростатич. давления. Наихудшим образом переносятся У., приводящие к повышению кровенаполнения сосудов головы. Легче всего человек переносит этот вид У., когда его вектор составляет с продольной осью тела угол в 75-80° (см. рис.). Это условие реализуется на космич. кораблях типа "Союз" и "Аполлон". Наибольшим ЛДУ в совр. условиях человек может подвергаться при манёвренном полёте на скоростном самолёте или при полёте космич. корабля по баллистич. траектории. С ЛДУ в процессе эвс.тюции человек практически не встречался. Переносимость этого воздействия определяется общими, неспецифич. механизмами приспособления к неблагоприятным факторам внеш. среды. При вращательных движениях возникают угловые У., к-рые оказывают специфич. влияние на вестибулярный аппарат, а при определённых величинах могут вызвать явления, характерные для ЛУУ и ЛДУ.

Для повышения переносимости У. применяют различные технич. средства, обеспечивающие сохранение оптимальной позы и положения человека относительно вектора У., снижение величины У. и скорости его нарастания, уменьшение эффекта перераспределения крови в организме (амортизационные, индивидуально моделированные кресла, привязные ремни, защитные шлемы, противоперегрузоч-ные костюмы).

Лит.: Барер А. С., Проблемы ускорений в космической физиологии, "Космическая биология и медицина", 1967, в. 1; Сергее в

А. А., Физиологические механизмы действия ускорений, Л., 1967; Краткий справочник по космической биологии и медицине, 2 изд., М., 1972; Основы космической биологии и медицины. Совместное советско-американское издание, т. 2, кн. 1, М., 1975.

А. С. Барер.

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ, ускорение силы тяжести, ускорение, сообщаемое свободной материальной точке силой тяжести. Такое ускорение имел бы центр тяжести любого тела при падении тела на Землю с небольшой высоты в безвоздушном пространстве. Как и сила тяжести, У. с. п. зависит от широты места ф и высоты его над уровнем моря Н. Приблизительно У. с. п. g = 978,049 (1 + 0,005288 sin²ф-- 0,000006 sin²2ф) - 0,0003086 Н. На широте Москвы на уровне моря g = 981,56 см/сек².

УСКОРЕНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, то же, что ускорение свободного падения.

УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОЛЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ. Ускорение заряженных частиц в совр. ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения, т. е. ср. энергия, сообщаемая частице электрич. полем на единице длины ускоряющего устройства, определяется напряжённостью электрич. и магнитного полей и ограничена технич. возможностями устройств, создающих эти поля. Для разных типов ускорителей эффективность ускорения колеблется от 1 до 50 Мэв на 1 м длины системы. В 1960-х гг. возникло новое направление в физике ускорителей - т. н. когерентные методы ускорения, к-рые в принципе позволяли обойти трудности "классических" ускорителей. Основателем этого направления был В. И. Векслер. Главная задача когерентных методов ускорения - получение больших эффективностей ускорения. Их характерная особенность состоит в том, что электромагнитное поле, ускоряющее частицы, не является внешним, а возникает в результате взаимодействия группы ускоряемых частиц с др. группой зарядов, плазмой или электромагнитным излучением при условии его когерентного (синхронного) воздействия на всю ускоряемую группу частиц. Такой синхронизм обычно возникает автоматически. Величина ускоряющего поля зависит от числа участвующих в таком взаимодействии частиц и может достигать больших значений - 100 Мв/м и более. Однако реализации этих методов мешают возникающие плазменные и гидродина-мич. неустойчивости и поэтому в наст. время когерентное ускорение не имеет практич. значения для ускорения частиц. Если ускоряемые частицы не участвуют в создании ускоряющих полей, но последние создаются не с помощью электродов, как в "классических" ускорителях, а с помощью потоков, сгустков или колец заряженных частиц, то говорят околлективных методах ускорения. К 1976 существует ок. 20 различных схем коллективного ускорения частиц. Во всех таких ускорителях, в отличие от плазменных ускорителей, в создании ускоряющего поля участвуют релятивистские электроны.

Ниже рассмотрены нек-рые, наиболее характерные из коллективных методов ускорения.

1. Ускорение ионов электронными пучками

При прохождении электронного пучка высокой плотности через газ образуются ионы газа и ускоряются до энергий, существенно превышающих энергию электронов пучка. Окончательно механизм ускорения ионов не выяснен. Упрощённая схема этого процесса может быть построена след. образом. Электронный пучок высокой плотности, попадая в ме-таллич. трубку с газом, создаёт настолько сильное поле, что тормозится в этом поле и теряет свою скорость уже на очень малых расстояниях. В этой области за счёт уменьшения скорости плотность электронов максимальна. Затем начинается распад пучка под действием сил пространственного заряда. Энергия электронного пучка тратится не только на создание такого поля, но и на ионизацию газа, имеющегося в трубке. Через характерное

время ионизации, к-рое зависит от плотностей пучка и газа, по всему пути пучка до места его практич. остановки образуется достаточное количество положительно заряженных ионов, чтобы нейтрализовать пространственный заряд электронного пучка и локализовать поле внутри самого пучка. Тормозящее действие поля на приходящие после характерного времени ионизации электроны ослабляется, потери энергии прекращаются, и пучок электронов проходит дальше вдоль трубки. После этого весь процесс повторяется, и так продолжается до тех пор, пока пучок не пройдёт всю трубку. Т. о., место наибольшей плотности электронов движется вдоль трубки со скоростью, пропорциональной времени ионизации. Положительно заряженные ионы, попавшие в начальный момент в уплотнённую часть электронного пучка, удерживаются отрицательно заряженными электронами и движутся вместе с таким скачком плотности вдоль трубки с той же скоростью, а следовательно (из-за их большой массы), обладают много большей энергией, чем электроны. Эффективность ускорения в этом методе достигает 100 Мэв/м. Пока реализованы длины ускорения только в неск. см, и предстоит ещё большая работа по проверке правильности изложенной выше схемы ускорения.

2. Плазменный метод ускорения

Плазма является средой, в к-рой между отд. группами зарядов существуют поля до 1000-10 000 Мв/м. Создание в плазме регулярных волн, т. е. волн, обладающих определённой фазой, и использование их для ускорения заряженных частиц - суть плазменного метода ускорения, предложенного сов. физиком Я. Б. Файнбергом. Для решения этой задачи применяют мощные электронные пучки. При их прохождении сквозь плазму создаются условия, при к-рых 20-30% энергии пучка расходуется на создание плазменной волны. Чтобы обеспечить регулярность этой полны, используется предварительная небольшая модуляция электронного пучка внешним электромагнитным полем. Изменяя частоту и фазу модуляции, а также плотность плазмы, можно управлять возникающей волной и сделать её пригодной для ускорения частиц.

3. Ускорение ионов электронными кольцами

При этом способе ускорения создаётся устойчивый электронный сгусток, в к-рый вводятся положительно заряженные ионы. Электрич. поле электронного сгустка прочно удерживает ионы. При ускорении сгустка внешним полем ионы также ускоряются вместе со сгустком. Конечная энергия ионов во столько раз больше энергии электронов того же сгустка, во сколько раз масса иона больше массы электрона; если ускоряются протоны, то это отношение равно 1836. Данный метод имеет наибольшее практич. значение. Рассмотрим конкретную схему создания устойчивого сгустка электронов.

Физические основы создания устойчивого сгустка. Чтобы добиться устойчивости сгустка электронов, необходимо скомпенсировать силы кулоновского отталкивания электронов в сгустке. Это можно сделать добавлением в сгусток необходимого числа положительно заряженных ионов. Однако число ионов должно быть небольшим, чтобы масса сгустка существенно не менялась (т. к. ускорение зависит от отношения заряда к массе). Такие противоречивые требования выполняются лишь для движущихся электронов. Действительно, на электроны сгустка действуют кулоновские силы расталкивания, что приводит к разлёту сгустка. Но если сгусток движется, то, кроме кулоновских сил, появляются магнитные силы, связанные с движением зарядов и направленные противоположно силам расталкивания. Чем выше скорость движения электронов, тем больше магнитные силы. Для электронов с энергией движения, напр., в 10 Мэв результирующая сила расталкивания уменьшается в 400 раз по сравнению с силой для покоящихся электронов. В этом случае достаточно в электронный сгусток ввести малое число ионов (1/400 от числа электронов), чтобы полностью скомпенсировать кулоновское отталкивание. Для последующего ускорения такого образования во внешнем поле сгусток формируется в виде кольца движущихся электронов. Внутри сечения такого кольца (тора) расположены практически покоящиеся ионы. Кольцо используется для ускорения ионов. Сила, действующая на каждый ион кольца при движении его во внешнем поле, прямо пропорциональна числу электронов в кольце и обратно пропорциональна сечению кольца. Эти параметры и определяют эффективность ускорения в данном методе.

Схема ускорителя с электронными кольцами. Сгусток электронов формируется след. образом. Пучок электронов от линейного ускорителя вводится (инжектируется) в магнитное поле, такое же, как у ускорителя со слабой фокусировкой, и образует кольцо большого диаметра. Начальный размер кольца выбирается из условия удержания в поле нужного числа электронов. Затем магнитное поле нарастает и в соответствии с ростом поля все размеры кольца уменьшаются. Этот процесс продолжается вплоть до получения кольцевого сгустка требуемых параметров. В конечном состоянии сжатия при помощи газового клапана в область кольца впрыскивается необходимое количество газа. Электроны ионизуют газ, и образующиеся ионы захватываются электронным сгустком. Число захваченных ионов регулируется изменением давления впускаемой порции нейтрального газа. После этого меняется конфигурация магнитного поля, удерживающего электроны, и кольцо вместе с ионами начинает двигаться с ускорением вдоль своей оси в направлении спада магнитного поля (за счёт трансформации энергии вращения электронов в энергию поступательного движения кольца). Дальнейшее ускорение кольца производится внешним электрич. полем (см. рис.); при этом необходима ускоряющая система со значительным энергетическим запасом, напр. система высокочастотных резонаторов.

Эксперименты, проведённые на макетах таких ускорителей в Объединённом институте ядерных исследований (СССР, г. Дубна), позволили получить эффективность ускорения в десятки Мэв/м. Во многих странах ведутся работы по изучению возможностей получения в коллективных методах ускорения эффективностей в сотни Мэв/м.

Лит.: Veksler V. I., Coherent principle of acceleration of charged particles, "Proceedings CERN symposium on high energy accelerators and pion physics", v. 1, Gen., 1956, p. 80-83; Плютто А. А. и др., Ускорение ионов в электронном пучке, "Атомная энергия", 1969, т. 27, в. 5, с. 418; Файнберг Я. Б., Ускорение частиц в плазме, "Атомная энергия", 1959, т. 6, в. 4, с. 431 - 46; Veksler V. I. et al., Linear collective acceleration of ions, "Proceedings of the sixth International conference on high energy accelerators", Camb., 1967, p. 289.

В. П. Саранцев.

УСКОРЕННАЯ КИНОСЪЁМКА, киносъёмка с частотой, повышенной относительно обычной частоты кинопроекции (в проф. кинематографе 24 кадр/сек); к категории ускоренной относят съёмку с частотой до 64 кадр/сек. При демонстрации фильма, снятого методом У. к., возникает эффект замедления движения, что даёт зрителю возможность лучше различать фазы наблюдаемых на экране явлений и процессов. К У. к. прибегают также при съёмке с рук, из движущегося автомобиля, с лодки или катера и т. п.; в этом случае изображение на экране становится более устойчивым (не "прыгает"). У. к. производят, как правило, с использованием обычной проф. или любительской киносъёмочной аппаратуры с расширенным диапазоном частот съёмки. Лит.: Голдовский Е. М., Введение в кинотехнику, М., 1974.

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

Содержание:

I. История развития ускорителей

II. Классификация ускорителей

III. Принцип действия резонансных ускорителей

IV. Основные типы современных ускорителей

А. Циклические ускорители

Б. Линейные ускорители

У. з. ч.- устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрич. поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрич. зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрич. поле создаётся внеш. устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых др. заряженными частицами; такой метод ускорения наз. коллективным (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). У. з. ч. следует отличать от плазменных ускорителей, в к-рых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).

У. з. ч.- один из осн. инструментов совр. физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение У. з. ч. различных диапазонов энергий в металлургии - для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной пром-сти - для быстрой высококачеств. обработки изделий, в пищевой пром-сти - для стерилизации продуктов, в медицине - для лучевой терапии, для "бескровной хирургии" и в ряде др. отраслей.

I. История развития ускорителей

Толчком к развитию У. з. ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. Применявшиеся вначале естеств. источники заряженных частиц - радиоактивные элементы - были ограничены как по интенсивности, так и по энергии испускаемых частиц. С момента осуществления первого искусств. превращения ядер (1919, Э. Резерфорд) с помощью потока а-частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.

В начальный период (1919-32) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредств. ускорения заряженных частиц. В 1931 амер. физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 англ. физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами,- расщепление ядра лития протонами.

Период 1931-44 - время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при к-ром ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклич. ускорители - циклотроны (Э. О. Лоуренс)- вскоре обогнали в своём развитии электростатич. ускорители. К концу периода на циклотронах была достигнута энергия протонов порядка 10-20 Мэв. Резонансное ускорение возможно и в линейных ускорителях. Однако линейные резонансные ускорители не получили в те годы распространения из-за недостаточного развития радиотехники. В 1940 амер. физик Д. У. Керст реализовал циклич. индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идея к-рого ранее уже выдвигалась (амер. физик Дж. Слепян, 1922; швейц. физик Р. Видероэ, 1928).

Разработка ускорителей совр. типа началась с 1944, когда сов. физик В.Н.Векслер и независимо от него (несколько позже) амер. физик Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных ускорителей - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц.

В начале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, X. Снайдер, 1952), существенно повысивший технич. предел достижимых энергий в циклич. и линейных У. з. ч. В 1956 Векслер опубликовал работу, в к-рой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.

Последующие два десятилетия можно назвать годами реализации этих идей и технич. усовершенствования У. з. ч. Для ускорения электронов более перспективными оказались линейные резонансные ускорители. Крупнейший из них, на 22 Гэв, был запущен в 1966 амер. физиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонов наибольшие энергии достигнуты в синхрофазотронах. В 1957 в СССР (Дубна) был запущен самый крупный для того времени синхрофазотрон - на энергию 10 Гэв. Через несколько лет в Швейцарии и США вступили в строй синхрофазотроны с сильной фокусировкой на 25- 30 Гэв, а в 1967 в СССР под Серпуховом - синхрофазотрон на 76 Гэв, к-рый в течение многих лет был крупнейшим в мире. В 1972 в США был создан синхрофазотрон на 200-400 Гэв. В СССР и США разрабатываются проекты ускорителей на 1000-5000 Гэв.

Совр. развитие ускорителей идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиц. методы: исследуются возможности применения сверхпрово-дящих материалов (и соответствующей им техники низких темп-р) в магнитах и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетич. расходы; расширяется область применения методов автоматич. управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия во встречных пучках (см. Ускорители на встречных пучках). При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.

II. Классификация ускорителей

У. з. ч. можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов.

По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в к-рых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в к-рых траектории частиц близки к окружности (или спирали).

По характеру ускоряющего поля У. з. ч. делят на резонансные ускорители, в к-рых ускорение производится переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в к-рых направление поля за время ускорения не изменяется. Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в к-рых электрич. ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в к-рых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.

По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикудярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в к-рых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в к-рых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к нек-рым типам циклич. ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо терминов "однородная" и "знакопеременная" фокусировка пользуются терминами "слабая" и "сильная" ("жёсткая") фокусировка.

Резонансные циклич. ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего - "ведущего" - магнитного поля и ускоряющего электрич. поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация (табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.

III. Принцип действия резонансных ускорителей

В резонансном ускорителе непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды частица всё время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрич. поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная, частица всё время попадает в одну и ту же фазу - равновесную фазу.

В циклич. ускорителе период обращения Т частицы по орбите связан со ср. радиусом <R> орбиты соотношением:

(1)

(v - скорость частицы). Ср. радиус орбиты равен

(2)

где Е = тс² - полная релятивистская энергия частицы массы т, равная сумме энергии покоя частицы Е₀ = m₀с² и её кинетич. энергии W (m₀ - масса покоя частицы, с - скорость света), е - заряд частицы, <В> - среднее значение индукции магнитного поля; поэтому период обращения связан с энергией частицы соотношением:

(3)

Для равновесной частицы период обращения равен или кратен периоду Т_у ускоряющего поля. Фиксированным значениям периода обращения и индукции магнитного поля соответствуют вполне определённые равновесная энергия частицы и равновесный радиус её орбиты. Равновесная частица набирает за оборот энергию eV₀cosф₀, где ф₀ - равновесная фаза, т. е. фаза поля, действующего на равновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a Vo - амплитуда напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетич. энергии W_макс частица должна совершить N = W_макс/eV₀сosф₀оборотов. В циклич. ускорителях длина пути, проходимого частицей, достигает десятков и сотен тысяч км. При столь большой длине пути для успешной работы ускорителя необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения: небольшие отклонения частицы по фазе, по энергии, по радиусу и по вертикали, а также небольшие начальные скорости в направлениях, перпендикулярных орбите, не должны приводить к сильному отклонению частицы от равновесной орбиты - частица должна совершать колебат. движение около равновесной частицы. Обеспечение устойчивости движения частицы в направлениях, перпендикулярных орбите (по радиусу и по вертикали), наз. фокусировкой, а в направлении орбиты - фазировкой.

В линейном ускорителе протонов (с ускоряющими зазорами) для равновесной частицы время пролёта Т = L/v между соседними ускоряющими зазорами (L - расстояние между центрами зазоров, v - скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Ту = Ч/с, где Ч - длина волны электромагнитного поля. Энергия W_макс набирается при прохождении N = W_макс/еV₀cosф₀ ускоряющих зазоров, что определяет требуемую длину ускорителя. Длины совр. линейных ускорителей для протонов достигают сотен м. Поэтому и здесь вопрос устойчивости движения, т. е. обеспечения фокусировки и фазировки, является актуальным.

Для того чтобы рассеяние на ядрах атомов газа не приводило к сильному уходу частиц от равновесной траектории и их выпаданию из процесса ускорения, область вокруг равновесной траектории охватывается вакуумной камерой, в к-рой спец. насосами создаётся достаточно сильное разрежение.

Фазировка в резонансных ускорителях обеспечивается механизмом автофази-

Табл. 1. - Классификация ускорителей заряженных частиц

Тип траектории	Характер ускоряющего поля	Магнитное поле	Частота ускоряющего поля	Фокусировка	Название
Циклические ускорители
Окружность или спираль	Нерезонансный, индукционный	Переменное	-	Однородная	Бетатрон
	Резонансный	Постоянное	Постоянная		Циклотрон Микротрон	Протоны (или ионы) Электроны
				Знакопеременная	Изохронный циклотрон Секторный микротрон	Протоны Электроны
			Переменная	Однородная Знакопеременная	Фазотрон Секторный фазотрон	Протоны
		Переменное	Постоянная	Однородная Знакопеременная	Синхротрон слабофокусирующий Синхротрон сильнофокусирующий	Электроны
			Переменная	Однородная Знакопеременная	Синхрофазотрон слабофокуси-рующий Синхрофазотрон сильнофокусирующий	Протоны
Линейные ускорители
Прямая	Нерезонансный , электростатический				Электростатический ускоритель, каскадный ускоритель
	Нерезонансный , индукционный				Линейный индукционный ускоритель	Электроны
	Резонансный		Постоянная		Линейный резонансный ускоритель	Протоны, электроны

ровки, обусловленным зависимостью промежутка времени между последующими ускорениями от энергии. В циклич. ускорителях с однородной фокусировкой период обращения растёт с увеличением энергии, т. к. в соотношении (1) ср. радиус орбиты растёт с возрастанием энергии быстрее, чем скорость частицы. В ускорителях со знакопеременной фокусировкой зависимость ср. радиуса орбиты от энергии значительно слабее; поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с ростом энергии (у растёт быстрее, чем <R>), а при больших энергиях - увеличивается с ростом энергии (<R> растёт быстрее, чем v, к-рая ограничена скоростью света). При периоде, растущем с энергией, устойчива правая фаза на рис. 1: если частицаслучайно попадёт в фазу ф₁<ф₀, она приобретёт энергию меньше равновесной, поэтому её период обращения станет меньше равновесного, частица отстанет по фазе и, следовательно, её фаза приблизится к равновесной фазе ф₀. Если же период уменьшается с ростом энергии, то фаза фо становится неустойчивой, а устойчивой будет симметричная ей фаза - ф₀. Как бы то ни было, если eV₀достаточно велико, всегда существуют устойчивая равновесная фаза и область близких к ней фаз (область захвата), в пределах к-рой частицы колеблются около равновесной. Прирост энергии равновесной частицы еVосоsф₀ определяется условием резонанса: T=qT_y, где q - целое число, наз. кратностью частоты, или кратностью ускорения. Так, для циклич. ускорителя энергия равновесной частицы

(3')

где w_у = 2п/T_у - частота ускоряющего поля, так что для увеличения равновесной энергии нужно либо увеличивать магнитное поле (синхротрон), либо уменьшать частоту ускоряющего поля (фазотрон), либо изменять и то и другое (синхрофазотрон), либо, наконец, изменять кратность ускорения q (микротрон). Закон изменения магнитного поля, частоты и кратности ускорения и определяет значение фазы фо для равновесной частицы; вследствие автофазировки равновесная частица набирает именно ту энергию, к-рая определяется соотношением (3'). В соответствии с энергией изменяется радиус равновесной орбиты, определяемый формулой (2).

Для неравновесных частиц, находящихся внутри области захвата, прирост энергии происходит неравномерно, но в среднем они приобретают ту же энергию, что и равновесная частица. Эти частицы "захвачены" в режим ускорения. Частицы, сильно отличающиеся от равновесных по фазе или по энергии, вообще в среднем не будут приобретать энергии, т. к. будут попадать то в ускоряющее, то в замедляющее поле (" скользить по фазе ускоряющего напряжения").

Аналогичный механизм фазировки имеет место и в линейных резонансных ускорителях с той разницей, что там всегда время прохождения расстояний между соседними зазорами уменьшается с ростом энергии, так что устойчивая равновесная фаза всегда равна - фо.

Фокусировка частиц в ускорителях. В циклич. ускорителях фокусировка достигается главным образом спец. подбором формы магнитного поля. Если бы магнитное поле было строго однородно, то при любом отклонении скорости частицы от плоскости орбиты ускоряемая частица уходила бы с равновесной орбиты в направлении оси магнита (по вертикали г). Но если магнитное поле уменьшается с увеличением радиуса, то оно имеет ч бочкообразную" форму (это связано с тем, что в отсутствии токов магнитное поле - безвихревое), благодаря чему сила F, действующая на частицу, имеет составляющую F_г по направлению к плоскости равновесной орбиты (рис. 2).

Изменение поля по радиусу принято характеризовать показателем спада поля п = - д(lnВ)/д(lnR). Т. о., для устойчивости движения в вертикальном (аксиальном) направлении необходимо вы-

полнение условия n>0, т.е. чтобы поле убывало с увеличением радиуса. Движение в радиальном направлении определяется соотношением между силой действия на частицу магнитного поля eBv/c и центростремительной силой mv²/R, соответствующей радиусу К. На равновесной орбите обе эти величины равны. Если частица с той же скоростью случайно оказалась на большем радиусе, то для обеспечения устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила действия магнитного поля на этом радиусе eBv/c была больше, чем mv²/R, т. е. чтобы магнитное поле уменьшалось медленее, чем 1/К. Тот же вывод получается, если рассмотреть случайное отклонение частицы в сторону меньших радиусов. Т. о., условие устойчивости в радиальном направлении налагает ограничение на скорость убывания магнитного поля: показатель спада поля п должен быть меньше 1 (п < 1). Для одновременной устойчивости в радиальном и вертикальном направлениях должно выполняться условие:

0<n<1. (4) Можно показать, что силы фокусировки, действующие по радиусу и по вертикали,

получаются при этом равными:

где m - масса, w - угловая скорость обращения частицы, dR и dz-отклонения частицы от равновесной орбиты по радиусу и по вертикали. Под действием этих фокусирующих сил частицы совершают колебания (т. н. бетатронные колебания) вокруг равновесной орбиты с частотами:

Эти частоты меньше частоты обращения со, т. е. за оборот частица совершает меньше одного бетатронного колебания. Фокусирующие силы ограничены предельно допустимыми значениями п. Такая фокусировка наз. однородной, или слабой.

Для того чтобы увеличить фокусирующую силу по вертикали, надо применить сильно спадающее поле (n>>1). Напротив, для получения большой фокусирующей силы по радиусу надо применить поле с большими отрицат. значениями п (т. е. сильно возрастающее по радиусу). Эти требования одновременно несовместимы. Однако оказывается, что при определённых ограничениях их можно реализовать поочерёдно, обеспечив тем самым сильную фокусировку и по радиусу, и по вертикали. На этом основан принцип знакопеременной фокусировки (рис. 3). Вся длина равновесной орбиты разбивается на большое число одинаковых периодов, в к-рых устанавливаются магниты, сильно фокусирующие попеременно то по радиусу, то по вертикали. При определённом соотношении между значениями показателя спада магнитного поля, длиной магнитов и числом периодов такая система обладает сильным фокусирующим действием по обоим поперечным направлениям. Физически это объясняется тем, что в фокусирующих магнитах частица оказывается дальше от равновесного положения, чем в дефокусирую-щих (т. к. предшествующий дефокуси-рующий магнит отклонил её от орбиты), поэтому действие фокусирующих магнитов сильнее действия дефокусирующих. Частота колебаний частиц при такой фокусировке получается существенно выше частоты обращения, так что за один оборот частица совершает неск. колебаний. Увеличение фокусирующей силы приводит к уменьшению амплитуды колебаний частиц под действием различных раскачивающих факторов, что позволяет уменьшить поперечные размеры вакуумной камеры и магнитов, а следовательно, существенно уменьшить вес и стоимость установки. Поэтому во всех крупных циклических ускорителях на большие энергии применяется знакопеременная (сильная) фокусировка. Неприятная особенность сильной фокусировки - наличие многочисленных резонансов, обусловленных большой частотой колебаний частиц: если число колебаний частицы по вертикали или по радиусу за один полный оборот частицы или их сумма или разность оказываются целыми или полуцелыми числами, то происходит резонансная раскачка колебаний. В связи с этим необходимо предъявлять большие требования к точности изготовления магнитов.

Знакопеременная фокусировка магнитным полем применяется и в линейных ускорителях с той разницей, что на равновесной орбите (прямая) магнитное поле равно нулю. Система фокусировки представляет собой в этом случае набор магнитов (магнитных квадрупольных линз), создающих магнитное поле, равное нулю на оси О системы и линейно нарастающее при отклонении от оси (рис. 4). В одной плоскости магниты фокусируют частицы (сила F направлена к оси), в дру гой - дефокусируют (F направлена от оси). Эти плоскости фокусировки чередуются от магнита к магниту, что и приводит к знакопеременной фокусировке. При малых энергиях частиц наряду с магнитной фокусировкой применяется (как в циклических, так и в линейных ускорителях) фокусировка электрич. полем, для чего используется ускоряющее электрич. поле установки. Принцип фокусировки пояснён на рис. 5. В обычном ускоряющем зазоре электрич. поле обычно "провисает" внутрь в центре зазора. Поэтому в первой части зазора оно имеет составляющую, направленную к оси зазора (фокусирующую), во второй - от оси зазора (дефокусирующую). Результирующий фокусирующий эффект получается, если фокусирующее действиеоказывается больше дефокусирующего. Поскольку частица, проходя зазор, ускоряется, то во второй части зазора она летит быстрее, т. е. находится там меньшее время, чем в первой, поэтому фокусирующее действие преобладает. Этот эффект, основанный на изменении скорости частицы, наз. электростатической фокусировкой. Он имеет заметную величину лишь для малых скоростей частиц, так что его применение в ускорителях ограниченно. Разность действия электрич. поля в первой и во второй части зазора может быть обусловлена также изменением электрич. поля во времени (электродинамическая фокусировка): если за время пролёта электрич. поле уменьшается, то дефокусирующее действие оказывается меньше фокусирующего. Фокусировка такого типа имеет место в циклотроне и фазотроне как дополнит. фактор к магнитной фокусировке. Однако в линейных ускорителях протонов устойчивой является отрицат. фаза фо (см. выше), при к-рой поле растёт со временем. Поэтому в линейных ускорителях электрич. поле дефокусирует и нужны спец. дополнит, меры для фокусировки частиц.

Можно и к электрич. полю применить принцип знакопеременной фокусировки. Напр., с помощью электродов сложной формы можно обеспечить изменение знака фокусирующей силы от зазора к зазору или, меняя от зазора к зазору знак равновесной фазы, можно получить систему со знакопеременной фокусировкой и знакопеременной фазировкой. Такие системы были предложены и разработаны, но они имеют весьма ограниченное применение.

При больших интенсивностях ускоряемых пучков начинает сказываться взаимодействие между отд. частицами пучка; расталкивание по закону Кулона одноимённо заряженных частиц приводит к ослаблению фокусирующих сил. В цик-лич. У. з. ч. испускаемое частицами электромагнитное излучение (т. н. син-хротронное излучение; см. ниже) также может вызвать неустойчивость движения. В различных ускорителях взаимодействие заряженных частиц сказывается по-разному, но почти всегда именно оно определяет предельно достижимую интенсивность (наряду с ним иногда оказывается определяющей мощность, необходимая для ускорения пучка).

IV. Основные типы современных ускорителей

А. Циклические ускорители

Синхрофазотрон (протонный синхротрон)- циклич. резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магнитным полем (В) и изменяющейся частотой ускоряющего электрич. поля (w_y). При этом w_y и В меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты R оставался постоянным. В синхрофазотроне частота обращения частиц w = w_y/q и ср. значение магнитной индукции <В> на орбите связаны соотношением:

Это условие вытекает из формул (3) и (2). Из формулы (7) видно, что с ростом маг нитного поля частота обращения сначала увеличивается пропорционально полю, а затем меняется всё медленнее, приближаясь к предельному значению с/ < R > , отвечающему движению частицы со скоростью света; соответственно должна изменяться частота ускоряющего поля w_y = wq. Постоянство радиуса равновесной орбиты позволяет сделать магнит синхрофазотрона в виде сравнительно узкого кольца, что сильно удешевляет установку. Из всех совр. У. з. ч. синхрофазотроны позволяют получать самые высокие энергии частиц. До 1972 самым большим ускорителем в мире являлся Серпуховский синхрофазотрон (СССР), ускоряющий протоны до энергии 76 Гэв. В 1972 в США (Батейвия) запущен синхрофазотрон на 200 Гэв; в 1975 его энергия была увеличена до 400 Гэв, а в 1976 - до 500 Гэв. В 1976 введён в строй ускоритель на 400 Гэв в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, близ Женевы). Проектируются синхрофазотроны на 1000 Гэв и выше.

Поскольку предельное значение магнитного поля ограничено технич. возможностями, то, как следует из соотношения (2), увеличение энергии неизбежно сопряжено с увеличением радиуса установки. Для максимальных достигнутых энергий радиус ускорителей составляет сотни м, а в проектируемых ускорителях на сверхвысокие энергии - неск. км. Именно размер установки, а следовательно и её стоимость, ограничивает предельную достижимую энергию в ускорителе. Наименьшая энергия, для получения к-рой применяют синхрофазотроны, составляет примерно 1 Гэв; для получения протонов меньшей энергии целесообразно применять фазотроны (см. ниже).

Протоны вводятся (инжектируются) в синхрофазотрон извне из др. ускорителя меньшей энергии. Таким предварительным ускорителем служит линейный ускоритель, а иногда также вспомогательный (бустерный) кольцевой ускоритель, для к-рого, в свою очередь, инжектором служит линейный ускоритель. Такая многоступенчатая схема, повышая энергию инжекции, облегчает условия работы осн. ускорителя (легче выдержать допуски на точность воспроизведения магнитного поля при инжекции, в меньшем диапазоне нужно изменять частоту ускоряющего поля) и удешевляет его, а также повышает достижимую в ускорителе интенсивность ускоренного пучка.

В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магнитная система состоит из неск. магнитныхсекторов (рис. 6), разделённых прямолинейными промежутками. В промежутках располагаются системы ввода, ускоряющие устройства, системы наблюдения за пучком, вакуумные насосы и др. Вводное устройство служит для перевода частиц из инжектора в вакуумную камеру осн. ускорителя. Обычно ввод производится с помощью импульсного отклоняющего устройства, электрическое или магнитное поле к-рого "заворачивает" впускаемые частицы, направляя их по орбите. В вакуумной камере, представляющей собой сплошную замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты, создаётся с помощью непрерывно действующих откачивающих насосов достаточно низкое (~10^-6 мм рт.ст.) давление, чтобы рассеяние ускоряемых частиц на остаточном газе не приводило к расширению пучка и потере частиц. Закруглённые участки камеры расположены в зазорах между полюсами электромагнитов, создающих внутри камеры магнитное поле, необходимое для управления движением частиц по замкнутой орбите (заворачивания частиц по орбите). Т. к. радиус равновесной орбиты должен оставаться постоянным, необходимо, чтобы магнитное поле росло в процессе ускорения от значения, соответствующего энергии ин-жекции, до максимального значения, соответствующего конечной энергии. Возрастание магнитного поля осуществляется увеличением силы тока, протекающего через обмотки электромагнитов. Форма полюсов магнитов подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание магнитного поля по радиусу в соответствии с условием (4), необходимое для устойчивого движения частиц в поперечном направлении. В одном или нескольких зазорах расположены ускоряющие устройства, создающие переменное электрическое поле. Частота поля изменяется в строгом соответствии с изменением магнитного поля [см. формулу (7)].

Необходимая точность воспроизведения частоты очень велика. Это достигается обычно с помощью системы автоматического слежения за частотой по данным о положении частиц: ошибка в частоте приводит к отходу частиц от равновесного положения, чувствительные датчики регистрируют этот отход, их сигнал усиливается и используется для введения необходимых поправок в частоту.

Под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения q. В процессе ускорения сгустки сокращаются по длине, сжимаясь к равновесной фазе. Одновременно происходит уменьшение поперечных размеров пучка, к-рый в начале ускорения занимает почти всё сечение вакуумной камеры.

Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается прежде всего устройством магнитной системы, состоящей из большого числа магнитов, в к-рых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магнитного поля по радиусу. Фокусировка частиц в этом случае значительно сильнее, чем в слабофокусирующем ускорителе. Каждый магнит (рис. 7) осуществляет две функции: заворачивает частицы по орбите и фокусирует их (система с совме щёнными функциями). Применяется также магнитная структура с разделёнными функциями, в к-рой для заворачивания частиц используются магниты с однородным полем, а фокусировка осуществляется с помощью магнитных квадрупольных линз, расположенных в промежутках между магнитами.

Переход к сильнофокусирующим магнитным системам сопряжён с повышением требований к точности изготовления и монтажа магнитов; при длине кольцевого магнита больше 1 км точность монтажа измеряется десятыми и сотыми долями мм. Это обусловлено большой чувствительностью поведения частиц к различным случайным отклонениям магнитного поля, связанной с резонансной раскачкой пучка.

Другая особенность ускорителя с сильной фокусировкой - наличие т. н. критической, или переходной, энергии. При энергии частицы меньше критической устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напря жения (фаза -ф₀ на рис. 1), т. к. с увеличением энергии период уменьшается (как в линейном ускорителе). При энергии частицы больше критической увеличение энергии приводит, напротив, к увеличению периода обращения (как в ускорителе со слабой фокусировкой) и равновесной становится фаза +фо. Чтобы при прохождении критической энергии не происходили потери пучка, в момент перехода через критическую энергию в систему вводится быстрое смещение фазы колебаний на 2ф₀, так что ускоряемые частицы, к-рые до критической энергии были сгруппированы вблизи устойчивой фазы - ф₀, оказываются в окрестности новой устойчивой фазы + ф₀.

Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутр. мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается новый цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в совр. синхрофазотронах составляет 5-30 циклов в минуту. В каждом цикле ускоряется 10¹¹ -10¹³ частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространств. заряда.

В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, магнита), рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить магнитные поля по крайней мере в 3-4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автома-тич. управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).

Синхротрон - циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нём изменяется во времени лишь магнитное поле, а частота ускоряющего электрич. поля остаётся неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц (R = v/w), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэв скорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому магнит синхротрона (как и магнит синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и наз. также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение). Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:

(Е₀ = m₀с² - энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв), т. е. очень быстро растёт с увеличением энергии электрона. [В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжёлых частиц (протонов, ядер) Е₀много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.] В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия еV₀соsф₀ расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой - из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнит. раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энергии. К 1976 в синхротронах достигнуты макс. энергии порядка 5-10 Гэв

(см. табл. 2). Существуют проекты синхротронов на 100-150 Гэв. В синхротронах на меньшие энергии (сотни Мэв) Вместо инжекции извне (как в синхрофазотроне) часто применяют бетатронную инжекцию: ускоритель сначала работает как бетатрон (см. ниже), а после достижения электроном релятивистских скоростей (v=c) включается ускоряющее ВЧ поле и ускоритель переходит на син-хротронный режим.

Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частот ы) - третий осн. тип резонансных циклич. ускорителей, работающих на принципе автофазировки. В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрич. поля меняется. Из соотношения (3') видно, что для увеличения равновесной энергии частоту следует уменьшать. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, а-частиц). Крупнейшие совр. фазотроны дают протоны с кинетич. энергией до 1000 Мэв. В фазотроне частицы движутся по спиральным траекториям от центра, где расположен ионный источник (га-

зовый разряд), к периферии вакуумной камеры (рис. 8). Энергию они приобретают за счёт многократного прохождения ускоряющего зазора. Ускоренные частицы либо используются внутри камеры, либо выводятся наружу с помощью отклоняющих систем. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора - конденсатора переменной ёмкости, включённого в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.

В фазотронах с однородным по азимуту магнитным полем фокусировка по вертикали очень слабая, т. к. n"1. Для её увеличения иногда применяют дополнит. модуляции магнитного поля по азимуту, т. е. используют знакопеременную фокусировку.

Описанные 3 типа резонансных ускорителей, основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: определённая группа захваченных в синхротронный режим частиц повышает свою энергию по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магнитного поля. После достижения максимальной энергии эта группа частиц либо используется внутри камеры, либо выводится из ускорителя; параметры ускорителя возвращаются к исходным значениям, и начинается новый цикл ускорения. Длительность импульса ускорения в синхротронах и фазотронах порядка сотых долей сек, в синхрофазотронах - неск. сек.

Циклотрон - циклич. резонансный ускоритель протонов (или ионов), в к-ром и магнитное поле, и частота ускоряющего электрич. поля постоянны. В отличие от ранее описанных ускорителей, цикло трон - ускоритель непрерывного действия. Конструктивно он весьма схож с фазотроном. Частицы из ионного источника непрерывно поступают в вакуумную камеру и ускоряются электродами, двигаясь по спирали. Однако поскольку в циклотроне с однородной фокусировкой w_у и В постоянны во времени, а энергия частиц растёт, то условие резонанса (3') нарушается: резонансное ускорение может происходить лишь до тех пор, пока приобретённая кинетич. энергия W много меньше энергии покоя m₀с², т. е. пока не сказывается эффект релятивистского возрастания массы частицы. Это и определяет предел достижимых энергий в циклотроне (для протонов примерно 10-20 Мэв), причём предельная энергия достигается при очень больших значениях напряжения на ускоряющих электродах. Зато циклотрон вследствие работы в непрерывном режиме обладает преимуществом по интенсивности. Магнитное поле в циклотроне очень слабо спадает по радиусу (сильное спадание поля ещё больше усилило бы отклонение от точного резонанса). Поэтому фокусировка магнитным полем в вертикальном направлении очень слабая (n=0), особенно в центре магнита. Однако в центр. области скорости частиц ещё малы и существенное влияние оказывает фокусировка электрич. полем.

Соблюдение точного резонанса между частицей и ускоряющим полем постоянной частоты можно обеспечить и в циклотроне, если магнитное поле будет расти по радиусу. В ускорителе с однородной фокусировкой это недопустимо из-за неустойчивости движения в вертикальном направлении. Если же использовать знакопеременную фокусировку, то можно реализовать устойчивое ускорение до значительно больших энергий, чем в обычных циклотронах. Такого типа установки (секторные, или изохронные, циклотроны), обладая преимуществом большой интенсивности, свойственным циклотронам, способны давать интенсивные пучки протонов при энергиях до 1000 Мэв. Изохронный циклотрон SIN (Швейцария) даёт протонный ток 12 мка (максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне - 590 Мэв).

Микротрон (электронный циклотрон)- циклич. резонансный ускоритель, в к-ром, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q. Частица обращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. При этом, если частица с самого начала обращалась в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. Напр., первый оборот частица проходит за один период ускоряющего поля ( т. е. q = 1), второй за два ( q = 2), третий - за три (q = 3) и т. д. Ясно, что частица попадает при этом в одну и ту же фазу ускоряющего поля. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной, также будут ускоряться. Микротрон - ускоритель непрерывного действия и способен давать

Рис. 8. Схема движения частиц в циклотроне и фазотроне; магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. 1 - ионный источник; 2 - орбита ускоряемой частицы (спираль); 3 - ускоряющие электроды; 4 - выводное устройство (отклоняющие пластины); 5 - источник ускоряющего поля.

Табл. 2. -Крупнейшие циклические ускорители

Местонахождение	Максимальная энергия, Гэв	Диаметр установки, м	Сечение камеры, см	Тип инжектора	Энергия инжекции, Мэв	Год запуска
Синхрофазотроны
Дубна (СССР)	10	72	35X120	Линейный ускоритель	9,4	1957
Аргонн (США)	12,7	55	15X82	то же	50	1963
Женева (Швейцария)	28	200	7X15	" "	50	1959
Брукхейвен (США)	33	257	8X17	Бустер Линейный ускоритель " " (строится бустер)	800 200	1972 1960
Серпухов (СССР)	76	472	12X20		100	1967
Батейвия (США)	500 (на 1976)	2000	5X13	Бустер	8000	1972
Синхротроны
Дарсбери (Великобритания)	5,2	70	(4 - 6)Х Х(11 - 15)	Линейный ускоритель	43	1966
Ереван (СССР)	6,1	69	3X10	то же	50	1967
Гамбург (ФРГ)	7,5	101	(4- 7)Х X (10-12)	" "	300-500	1964
Корнелл (США)	12,2	250	2,5X5,5	" "	150	1967
Фазотроны
Женева (Швейцария)	0,60	5,0	_	_	_	1957
Дубна (СССР)	0,68	6,0	-	-	-	1953
Ленинград (СССР)	1,00	6,85	-	-	-	1968

токи порядка 100 ма, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (СССР, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существ. повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.

Для длит. сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрич. полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили.

Бетатрон - единственный циклич. ускоритель (электронов) нерезонансного типа. Ускорение электронов в бетатроне производится вихревым электрич. полем индукции, создаваемым переменным магнитным потоком, проходящим через сердечник (центр. часть) магнита. Кольцевая вакуумная камера расположена в магнитном зазоре, где с помощью полюсных наконечников сформировано спадающее магнитное поле, обеспечивающее обращение частиц по окружности и фокусировку частиц около ср. равновесного радиуса (см. рис. 9). Для того чтобы радиус орбиты оставался постоянным, между скоростью прироста энергии, определяемой изменением поля в центр. части, и скоростью увеличения заворачивающего магнитного поля должно существовать определённое соотноше ние (бетатронное условие). Оно сводится к условию:

В_орб =1/2* В_ср (9)

и означает, что поле на орбите (В_орб) должно быть в 2 раза меньше ср. поля (В_ср) внутри орбиты. При выполнении этого условия и условия фокусировки (4) будет происходить устойчивое ускорение частиц на орбите постоянного радиуса. Бетатрон - ускоритель импульсного действия и может служить источником электронов до энергий порядка 100- 300 Мэв. Однако для энергий выше 100- 200 Мэв более удобен синхротрон, не имеющий громоздкого центр. сердечника. Особенно распространены бетатроны на ср. энергии - 20-50 Мэв, используемые для различных целей и выпускаемые серийно. Как уже отмечалось, бе-татронным режимом ускорения часто пользуются в синхротронах для предварит. ускорения. Т. к. это ускорение про изводится до небольшой энергии, необходимый для бетатронного ускорения сердечник невелик и существенно не усложняет конструкции синхротрона.

Б. линейные ускорители

Линейный электростатический ускоритель - см. Ускоритель высоковольтный.

Линейный индукционный ускоритель. В этом У. з. ч. для ускорения используется эдс индукции, возникающая при изменении кольцеобразного магнитного поля. Вдоль оси ускорителя устанавливаются ферромагнитные кольца, охватываемые токовыми обмотками. При резком изменении тока в обмотках происходит быстрое изменение магнитного поля, к-рое согласно закону электромагнитной индукции создаёт на оси ускорителя электрич. поле Е. Заряженная частица, пролетающая за время существования этого поля вдоль оси, приобретает энергию eEL, где L - пройденное расстояние. Чтобы ускоряющее поле было достаточно велико, нужно быстро изменять магнитное поле, поэтому время существования ускоряющего поля и, следовательно, длительность импульса ускорения невелики (порядка 10^-9-10^-6сек). Преимущества линейных индукц. ускорителей - большие значения тока ускоренных частиц (сотни и тысячи а), большая однородность пучка (малый разброс по энергии и малые скорости поперечного движения) и большой кпд, т. е. коэфф. преобразования затрачиваемой в ускоряющей системе энергии в энергию пучка. Существующие линейные индукц. ускорители дают электронные пучки с энергией в неск. Мэв. Они применяются преим. как источники интенсивных пучков релятивистских электронов в установках для коллективного ускорения частиц и для исследований по термоядерному синтезу, однако по своим возможностям они допускают значительно более широкое применение.

Линейные резонансные ускорители - наиболее распространённый тип линейных ускорителей, особенно на большие энергии. Линейные резонансные ускорители электронов дают энергии от десятков Мэв до ~20 Гэв, протонов - до 800 Мэв. Существ. различие между протонным и электронным линейными ускорителями обусловлено гл. обр. тем, что протоны ускоряются до нерелятивистских или слаборелятивистских скоростей, тогда как электроны - до ультрарелятивистских скоростей; протонные ускорители на энергии ~600-800 Мэв, при к-рых релятивистские эффекты становятся заметными, конструктивно сближаются с электронными (см. табл. 3).

Протонные линейные резонансные ускорители. Идея линейного резонансного ускорителя выдвинута в 1924 швед. учёным Г. Изингом и в 1928 реализована на модели Виде-роэ. Ускоритель (рис. 10) представляет собой систему пролётных трубок (полых цилиндров), присоединённых через одну к разным полюсам источника переменного напряжения. Электрич. поле не проникает внутрь трубок, а сосредоточено в зазорах между ними. Длина трубок подобрана так, что частицы, попавшие в первый зазор между трубками в момент, когда поле ускоряет частицы, будут и в последующих зазорах попадать в ускоряющую фазу поля (резонанс), т. е. их энергия будет непрерывно повышаться. Ускоритель примерно такого типа был реализован в 1931 Э. О. Лоуренсом и Д. Слоуном (США).

Успехи ВЧ радиотехники в 40-е гг. дали дальнейший толчок развитию протонных линейных резонансных ускорителей. Вместо цепей с сосредоточенными постоянными в совр. ускорителях протонов применяется обычно схема, предложенная амер. физиком Л. Альваресом, представляющая собой резонатор с дрейфовыми трубками. В объёме резонатора цилиндрич. формы создаётся переменное электрич. поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые частицы пролетают систему дрейфовых (пролётных) трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению частиц (рис. 11). Когда же поле направлено в противоположную сторону, частицы находятся внутри трубок, куда поле не проникает.

Табл.3. - Крупнейшие линейные ускорители

Местонахождение	Год запуска	Максимальная энергия, Мэв	Длина, м		Длительность импульса ускоряемых частиц, мксек	Максимальный средний ток, мка	Максимальный ток в импульсе, ма
Электронные
Харьков (СССР)	1964	1800		240	1,4	0,8
Станфорд (США)	1966	22300		3050	1,6	48
Протонные
Серпухов (СССР), инжектор	1967	100		80	300		180
Батей вия (США), инжектор	1970	200		145	400		120
Лос-Аламос (США)	1972	800		795	500	30
Мезонная фабрика, АН	строится	600		450	100	500

В линейном резонансном ускорителе, как было указано выше, действует механизм автофазировки, так что частицы, расположенные в нек-рой области вблизи равновесной частицы (область захвата), ускоряются вместе с ней, набирая в среднем такую же энергию. Устойчивая равновесная фаза в линейном ускорителе отрицательна, т. е. находится на участке, где поле растёт. Поэтому электрич. поле оказывает в линейном ускорителе дефокусирующее действие и нужно принимать спец. меры для обеспечения фокусировки протонов. В ускорителях на небольшие энергии можно применять фольговую или сеточную фокусировку: входы дрейфовых трубок перекрываются фольговой или сетчатой перегородкой. Это приводит к деформации поля между трубками, при к-рой дефокусирующая область почти полностью исчезает. В ускорителях на большие энергии этот метод фокусировки неприменим (фольги и сетки приводят к недопустимым потерям интенсивности и, кроме того, перегорают под действием пучка). Наиболее распространённый метод фокусировки - знакопеременная фокусировка с помощью магнитных квадрупольных линз (располагаемых внутри дрейфовых трубок), создающих в окрестности оси ускорителя магнитное поле, линейно нарастающее по мере удаления от оси. Качественно фокусировка таким полем объясняется так же, как в циклич. ускорителях.

Преимущество линейных ускорителей над циклическими - отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнич. системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50-100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше к-рого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнич. точки зрения, т. к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрич. поля (слишком мало шунтовое сопротивление). Для ускорения до больших энергий разработаны спец. системы связанных резонаторов; может также применяться волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных ускорителях; см. ниже). Совр. линейные ускорители протонов на большую энергию состоят из двух ступеней: в первой ускорение производится до 100- 200 Мэв резонаторами типа Альвареса, во второй - резонаторами иного типа, имеющими при этих скоростях частиц более благоприятные характеристики. По такой двухступенчатой схеме реализован линейный протонный ускоритель в Лос-Аламосе (США) на 800 Мэв, дающий ср. ток 30 мка (проектируется повышение тока до 1000 мка), предназначенный для физ. опытов с интенсивными вторичными пучками (т. н. мезонная фабрика). По этой же схеме в СССР разработана мезонная фабрика на 600 Мэв.

Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё одним существ. преимуществом над циклическими - в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия совр. линейных электронных ускорителей составляет 20 Гэв, но она диктуется только экономич. соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины. Для электронных ускорителей, в к-рых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов её нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, напр., введением в волновод перегородок (диафрагм; рис. 12). Близость скорости электронов

к скорости света приводит к особенностям в движении электронов относительно ускоряющей волны. Для электронов отсутствует механизм автофазировки: изменение энергии электрона практически не приводит к изменению его скорости и, следовательно, к перемещению относительно ускоряющей волны. Фокусировка в поперечном направлении тоже оказывается, как правило, ненужной, т. к. случайные поперечные скорости электронов убывают по мере роста их энергии (по закону сохранения импульса постоянным остаётся поперечный импульс mv , а т. к. по теории относительности масса m растёт с ростом энергии, то скорость v убывает). Кроме того, поперечное кулоновское расталкивание в электронных ускорителях оказывается почти скомпенсированным магнитным притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки могут, однако, возбуждать в ускоряющем волноводе паразитные волны, раскачивающие пучок и приводящие к его неустойчивости. Этот эффект особенно существен в больших ускорителях, где он ограничивает предельно достижимые токи. Разработан ряд инженерных методов подавления этого эффекта.

Широко распространены линейные резонансные электронные ускорители на малые (порядка десятков Мэв) энергии, используемые для исследований по ядерной и нейтронной физике и для прикладных целей.

Ведутся интенсивные исследования возможностей применения сверхпрово-дящих материалов для стенок резонаторов и волноводов в протонных и электронных ускорителях. Это сильно сократило бы расход ВЧ мощности и позволило бы перейти на работу ускорителей в непрерывном режиме.

Описанные типы У. з. ч. применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц. Электронные ускорители практически без переделок могут быть использованы для ускорения позитронов. Для ускорения тяжёлых частиц используются различные типы протонных ускорителей. Наибольшая энергия ионов достигнута на ускорителе "Бэвалак" (Bevalac, США) типа синхрофазотрона, где в 1974 получены ускоренные ядра вплоть до ядер аргона с энергией 2 Гэв на нуклон. В Дубне разработан проект ускорителя ("нукло-трона"), рассчитанного на получение 16 Гэв на нуклон. Как источник тяжёлых ионов применяются также ускорители типа циклотрона и линейные ускорители.

Лит.: Гринберг А. П., Методы ускорения заряженных частиц, М. -Л., 1950; Ускорители, [сб. статей], пер. с англ. и нем., М., 1962; Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц , М 1970; Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители, М., 1969; Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский электрон, М., 1974. Э. Л. Бурштейн.

УСКОРИТЕЛИ НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ, ускорители со встречными пучками, установки, в к-рых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренных электрич. полем до высоких энергий (см. Ускорители заряженных частиц). 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 кинетич. 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, к-рая может идти, напр., на рождение новых частиц. Из расчёта следует, что при столкновении двух частиц одинаковой массы (m₀), одна из к-рых покоится в лабораторной системе отсчёта, а другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью, энергия в системе центра инерции Е_ци, = (2Е₀Е)^1/2, где Е₀ = т₀с² - 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 = 2Е, т. е. кинетич. энергия может быть полностью использована на взаимодействие.

Особенно велико преимущество изучения процессов взаимодействия на встречных пучках для лёгких частиц - электронов и позитронов, для к-рых Е₀ = =0,5 Мэв. Напр., 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 - = Е²_ци/2Е₀ = 4000 Гэв. Для встречных пучков протонов (Е₀ = 1 Гэв), напр. с энергией Е = 70 Гэв (энергия протонов Серпуховского ускорителя 76 Гэв), Е_ци = = 140 Гэв, тогда как при столкновении с покоящимся протоном эффективная энергия столкновения 140 Гэв была 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 спец. накопительных кольцах (см. Накопители заряженных частиц), так чтобы токи циркулирующих частиц составляли не менее десятков а. Однако и при таких токах интенсивность пучков вторичных частиц высоких энергий (п- и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях, на неск. 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 традиц. ускорителями. Поэтому У. на в. п. не могут заменить, а лишь дополняют традиц. ускорители, и развитие тех и других должно идти параллельно.

В накопительные кольца, представляющие собой кольцевые вакуумные камеры, помещённые 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 ускорит. устройства). Установка со встречными пучками содержит один или два накопительных кольца в зависимости от того, различны (как у е- е⁺, р р, где р - антипротон) или соответственно одинаковы (как у е- е-, рр) знаки электрич. зарядов сталкивающихся частиц. Предварит. ускорение пучков (до инжекции в накопительные кольца) производится в синхрофазотронах или синхротронах (с сильной или слабой фокусировкой), а также в линейных ускорителях. Возможно и дополнит. ускорение частиц в накопительных кольцах после инжекции. Однако независимо от того, производится ли дополнит. ускорение, каждый накопительный комплекс на встречных пучках обязательно включает ускоряющую систему для компенсации потерь энергии заряженных частиц на синхротронное излучение (для элек-трон-позитронных пучков) и ионизацию 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.

Осн. характеристика системы со встречными пучками - величина, к-рая определяет число (N) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью (L) установки. Если изучается взаимодействие с сечением а, то N = Lс. В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = = R(N₁N₂/S)w/2n, где N₁, N₂ - 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 - коэфф. использования установки, равный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае R зависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относит  размеров пучков. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением а = 10^-26 - 10^-32 см², величина светимости должна составлять 10²⁸ - 10³² см^-2сек^-1. Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи спец. 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. Будкером для тяжёт лых частиц (протонов и антипротонов), у к-рых из-за практич. отсутствия син-хротронного излучения не происходит автоматич. затухания поперечных колебаний частиц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой темп-рой. Экспериментальное подтверждение этого эффекта было впервые получено в Ин-те ядерной физики Сиб. отделения АН СССР (1974).

Для того чтобы обеспечить непрерывный физ. эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение к-рого 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; существ. роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка - относит. величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе)- 0,1% /ч при токе 22 а]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10^-11мм 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 - ме-таллич. мишень (с толщиной ок. 1 радиационной длины; на рис. 1 на прямом  пучке), в к-рой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь,- пары электрон-позитрон. Коэфф. конверсии - отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона - при энергии электронного пучка в сотни Мэв может достигать величины 10^-4 для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.

Рис. 1. Схема ускорителя на встречных электрон-позитронных пучках. Пучок ускоренных в синхротроне 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); K₁, K₂ - 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 АА'; 1 - элементы структуры магнита, фокусирующего пучки протонов.

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 неск. физ. экспериментов.

Типичные параметры наиболее крупных У. на в. п. приведены в таблице.

Краткая история развития У. на в. п.

Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956 во мн. 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 элект-рон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для к-рых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв. Первые установки на встречных е~ е~ и е~ е⁺ пучках были созданы в Ин-те ядерной физики Сиб. 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 Фраска-ти (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 Гэв и в США на 33 Гэв открылись 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 а и светимости 6,7 * 10³⁰см^-2 сек^-1 стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, рр и ре~ накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании, реализация к-рых предполагается в 1980-90. Лит.: Кеrst D. W., Properties of an in-tersecting-beam accelerating system, CERN Symposium, v. 1, 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 K. [a. p.], 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.

УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ, устройство для ускорения заряженных частиц электрич. полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Осн. 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 электрич. поле. Заряженные частицы из источника ускоряются этим полем до энергии Е = епи эв, где е - элементарный электрич. заряд, п - число элементарных зарядов ускоряемой частицы, и - напряжение (в в) высоковольтного генератора.

Давление внутри ускоряющей системы не должно превышать 10^-4 - 10^-5 мм рт. ст., т. к. иначе происходит значит. 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 электрич. поле. С помощью У. в. легко может быть достигнут относит. разброс энергии ~ 10^-4, а у отд. 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 электростатич. генератором - генератором, основанным на переносе зарядов механич. транспортёром. Генератор с гибким транспортёром из диэлектрич. ленты наз. генератором Ван-де-Граафа (рис. 2). Электрич. заряды наносятся на поверхность движущегося транспортёра зарядным устройством, состоящим из системы игл и плоского электрода, между к-рыми создаётся коронный разряд. 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 диэлектрич. ротора (роторные электростатич. генераторы).

С 1960-х гг. в нек-рых ЭСУ используется цепной транспортёр с металлич. электродами, соединёнными между собой диэлектрич. звеньями (т. н. пеллетрон), преимущества к-рого - высокая стабильность зарядного тока, большой срок службы, высокий кпд. Наибольшее напряжение, полученное с помощью электростатич. генераторов, составляет ок. 20 Мв; проектируются установки на напряжение до 30 Мв.

2) В каскадном ускорителе источником напряжения служит каскадный генератор, преобразующий низкое переменное напряжение в высокое постоянное путём последоват. включения постоянных напряжений, получаемых в отд. каскадах схемы. Существует неск. схем каскадных генераторов, среди к-рых наиболее известен генератор Кокрофта- Уолтона с последоват. питанием каскадов (см. Каскадный генератор). В 60-х гг. получили распространение каскадные генераторы с параллельным питанием каскадов: динамитрон, генераторы с индуктивной связью каскадов с источником питания (рис. 3); их преимущество - равномерное распределение напряжения по каскадам, а недостаток - необходимость изоляции каскадов на полное рабочее напряжение установки. Совр. каскадные генераторы позволяют получать напряжение до 4 Мв при мощности установок в неск. десятков квт.

Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры

Установка	Тип встречных пучков	Энергия, Мэв	Средний радиус орбиты, м	Светимость, см^2-2 * сек^-1	Год запуска
ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск)	е+е-	2X700	1,9	~10^29	1966
ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск)	е^+е-	2X3500	12,0	~10^30	заканчивается сооружение
SPEAR (США, Стан-форд)	е^+е-	2X4500	37,2	6 *10^30	1972
АСО (Франция, Орсе)	е+е-	2X540	3,5	10^29	1966
ADONE (Италия, Фрас-кати)	е^+е-	2X1500	16,4	6*10^29	1969
ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева)	РР	2X31400	150	6,7*10^30	1971
ISABELLE (США, Брук-хейвен)	РР РР	2Х200*10^3	428	10^33 10^29	проектируется
PEP (США, Станфорд)	е^+е-	2Х15*10^3	350	10^32	проектируется
SUPER ADONE (Италия, Фраскати)	е+е-	2Х12*10^3	136	10^32	проектируется

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 (напр., Тесла трансформатор), 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 неск. Мв.

Линейные размеры У. в. определяются напряжением высоковольтного генератора и электрич. прочностью его изоляции и ускоряющей системы. Ввиду малой электрич. прочности воздуха при атм. давлении сооружение У. в. открытого типа с энергией св. 1 Мэв обычно 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 электро-отрицат. 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).

Осн. способ повышения рабочего градиента напряжения в высоковольтной изоляции - секционирование изоляц конструкций, т. е. разделение больших изоляц. промежутков на ряд малых отрезков при помощи металлич. 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), наз. тандем-ными, или перезарядными, отрицат. ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются по направлению к высоковольтному электроду генератора и там после взаимодействия с мишенью превращаются в положит. ионы. Затем они продолжают двигаться прямолинейно и вновь ускоряются тем же генератором напряжения. Мишень для перезарядки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или пленку твёрдого вещества. Существуют установки из двух перезарядных уско-

рителей (рис. 5). В этом случае внутрь высоковольтного электрода 1-го ускорителя вводятся (инжектируются) нейтральные частицы малой энергии, к-рые после взаимодействия с мишенью превращаются в отрицат. 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 отд. подогревателем, и систему электродов, формирующую испускаемый катодом поток электронов. В импульсных сильноточных У. в. успешно используются холодные катоды с автоэлектронной эмиссией (см. Туннельная эмиссия) и с последующей взрывной эмиссией. При этом первоначально источником электронов являются мельчайшие выступы на поверхности катода, вблизи к-рых электрич. поле усиливается до ~ 10⁷ в/см. Затем электрич. ток, протекающий по микровыступам, вызывает их быстрый нагрев и частичное испарение; облако пара под действием электронного пучка превращается в плазму, к-рая сама становится источником электронов.

В ионных источниках заряженные частицы образуются обычно внутри разрядной камеры, наполненной газом или парами вещества при давлении 10 - 10^-3 мм рт. ст., содержащими атомы соответствующего элемента. Первичная ионизация происходит под действием электрич. разряда: высокочастотного (ВЧ источники; рис.6) дугового разряда в неоднородном электрич. и магнитном полях (дуоплазматрон, предложенный нем. физиком М. Арденне) и т. д Ионы, образующиеся в области разряда, извлекаются оттуда полем т. н. вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Положит. ионы получают из центр. части области разряда, где их концентрация выше, а отрицательные - с периферии этой области. Отрицат. ионы для перезарядных ускорителей могут быть получены также перезарядкой пучка положит. ионов на газовой или пароструйной мишени, при взаимодействии положит. ионов с твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т. д.

Ускоряющая система У. в. (ускорительная трубка). Ускорит. трубка является частью вакуумной системы У. в., давление в к-рой не должно превышать 10 мм рт. ст. У большинства У. в. она представляет собой цилиндр, состоящий из диэлектрич. колец, разделённых металлич. электродами с отверстием в центре, служащим для прохождения пучка заряженных частиц и откачки газа, поступающего из ионного источника и десорбируемого внутр. поверхностью системы (рис. 7). Кольца и электроды соединены друг с другом спец. клеем, пайкой или термодиффузионной сваркой, обесположительных ионов. печивающими вакуумное уплотнение. Ускорит. трубка - один из осн. элементов У. в., недостаточная электрич. прочность к-рого часто ограничивает энергию ускоренных частиц.

В отличие от изоляц. конструкций, работающих в сжатом газе, простое секционирование изолятора ускорит. трубки металлич. электродами оказывается малоэффективным. При напряжении высоковольтного генератора более 4-5 Мв в трубке резко возрастает интенсивность разрядных процессов, а её электрич. прочность снижается. Это явление, получившее назв. "эффект полного напряжения", объясняется наличием сквозного вакуумного канала, в к-ром происходит обмен вторичными заряженными частицами и их размножение. Причины появления таких частиц - облучение внутр. поверхности трубки рассеянными частицами пучка, эмиссия электронов с загрязнённых поверхностей, разряд по поверхности изоляторов и т. д. Для борьбы с "эффектом полного напряжения" предлагались различные конструкции ускорит. трубок. Наиболее известны ускорит. трубки с "наклонным полем", в к-рых электроды трубки устанавливаются под небольшим углом к плоскости её поперечного сечения, периодически изменяемым на противоположный. Ускоряемые частицы, имеющие значит. энергию, проходят по каналу такой трубки, не задевая его стенок, а возникающие внутри трубки вторичные частицы с меньшей энергией задерживаются электродами. Устранения "эффекта полного напряжения" удалось добиться также в ускорит. трубках с плоскими электродами, у к-рых электроды и изоляторы соединены пайкой, а рабочий вакуум составляет 10^-8-10^-9мм рт. ст.

Успехи в разработке новых конструкций высоковольтных генераторов и ускорит. трубок позволили повысить энергии протонов, получаемых в перезарядных У. в. до 40 Мэв. Многозарядные тяжёлые ионы могут быть ускорены до значительно больших энергий. Ток пучка крупнейших У. в. ионов составляет единицы - десятки мка при размерах пучка на мишени неск. мм и его расходимости менее 10^-3рад.

Краткая история развития У. в. Первый У. в. каскадного типа на энергию 700 кэв был построен в 1932 англ. физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном. В предвоенные годы наибольшее развитие получили ЭСУ с высоковольтными генераторами Ван-де-Граафа. К 1940 благодаря применению для изоляции сжатого газа и использованию секционированных высоковольтных конструкций энергия ускоренных частиц была повышена до ~4Мэв. В СССР первые ЭСУ были разработаны в Украинском физико-технич. ин-те под рук. А. К. Вальтера. В послевоенные годы увеличения энергии частиц, получаемых с помощью У. в., удалось добиться путём применения перезарядных ускорителей и ускорит. трубок с наклонным полем, предложенных Р. Ван-де-Граафом (США). Усовершенствования зарядной и ускоряющей систем ЭСУ были предложены Р. Хербом (США) в 60-х гг. Новые типы каскадных генераторов, позволившие увеличить мощность У. в. (динамитрон и трансформатор с изолированным сердечником), были разработаны в 1960-65 К. Моргенштер-ном (США) и Ван-де-Граафом. Большинство совр. советских У. в. для науч. исследований и использования в технике разработаны коллективом Н.-и. ин-та электрофизич. аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Трансформаторные ускорители предложены и разработаны в 60-х гг. коллективом Ин-та ядерной физики Сиб. отд. АН СССР под рук. Г. И. Будкера.

Применение У. в. На протяжении ряда лет, начиная с создания в 1932 первого У. в., осн. областью их применения была ядерная физика. С помощью У. в. получены важные сведения о внутр. строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной и объёмной структуре твёрдых тел и т. д. Помимо непосредственного использования в физ. экспериментах, У. в. применяются для предварит. ускорения заряженных частиц в крупнейших циклич. и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т. д.

Благодаря низкой стоимости и компактности У. в. нашли широкое применение в различных технологич. процессах на пром. предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100-200 кэв применяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий, ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы) могут быть использованы, напр., для проведения ак-тивационного анализа различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов к нейтронному облучению и т. д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками св. 10¹² нейтронов/сек.

Ускорители электронов с энергией 1- 2 Мэв и мощностью в неск. квт могут служить генераторами рентгеновского тормозного излучения в пром. дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, напр. вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.

Перспективное направление практич. использования электронных ускорителей с энергией 0,2 - 3 Мэв и мощностью 10- 100 квт - обработка электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств путём радиац. полимеризации, радиац. вулканизации, деструкции и т. д.

Лит.: Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Ускорители. Сб., пер. с англ. и нем., под ред. Б. Н. Ябло-кова, М., 1962; Электростатические ускорители заряженных частиц. Сб., под ред. А. К. Вальтера, М., 1963. М. П. Свинъин.

УСЛАР Пётр Карлович [20. 8 (1. 9). 1816, дер. Курово Тверской губ.,-8(20). 6.1875, там же], барон, русский языковед. Чл.-корр. Петерб. АН (1868). Окончил курс в Академии Генштаба. Один из основоположников науч. изучения кавказских (иберийско-кавказских) языков. Автор грамматич. очерков с текстами и словарями абхазского, чеченского, аварского, лакского, даргинского, лезгинского, табасаранского (в рукописи) языков. Разработал метод дескриптивного анализа языка. Один из предшественников теории фонем. Развивал концепцию пассивности переходного глагола в языках эргативного строя. Предпринимал попытки создания письменностей и организации просвещения для бесписьменных народов Кавказа.

Соч.: Этнография Кавказа. Языкознание, т. 1 - 6, Тифлис, 1887 - 96.

Лит.: Чикобава А. С., П. Услар и вопросы научного изучения горских иберийско-кавказских языков, в кн.: Иберийско-кавказское языкознание, т. 7, Тб., 1955.

Г. А. Климов.

УСЛАР ПЬЕТРИ (Uslar Pietri) Артуро (р. 16. 5. 1906, Каракас), венесуэльский писатель, критик, социолог. С 1928 участвовал в студенческом движении и подвергался преследованиям диктаторского режима. В 1939-45 занимал разные министерские посты. В 1946-51 проф. лат.-амер. лит-ры в Колумбийском ун-те (США), с 1950 - в Каракасском ун-те. Основатель авангардистского журн. " Vier-nes" ("Вьернес"). Сб. рассказов "Варрава и другие рассказы" (1928) написан в духе костумбризма.Реалистич. картины природы даны в сб-ках рассказов "Сеть" (1936) и "Тридцать человек и их тени" (1949). Автор историч. романов "Алые копья" (1931) и "Путь Эль Дорадо" (1948), романов "Портрет одной географии" (1962), "Время маски" (1964) из жизни совр. Венесуэлы, а также историко-лит. трудов.

С о ч.: Obras selectas, Madrid-Caracas, 1956; Teatro, Caracas, [1958].

Лит.: Miliani D., Uslar Pietri - reno-vador del cuento venezolano, [Caracas, 1969]; "Imagen", 1974, № 92 - 93 (номер посвящён А. Услару Пьетри). 3. И. Плавскин

УСЛОВНАЯ СХОДИМОСТЬ, понятие

ся. Если ряд условно сходится, то ряды, составленные из его положительных и отрицательных членов, расходятся. Путём изменения порядка членов условно сходящегося ряда можно получить ряд, сходящийся к любой наперёд заданной сумме или же расходящийся (теорема Римана). При почленном умножении двух условно сходящихся рядов может получиться расходящийся ряд. Понятие У. с. обобщается на ряды векторов, бесконечные произведения, а также на несобственные интегралы.