Глава II. Тайны вещества будут раскрыты

§ 3. Первые ускорители

Вместе с замечательным успехом первых опытов по превращению атомных ядер обнаружились и серьезные препятствия, стоящие перед физиками на этом пути. Бомбардировка α-частицами позволила осуществить превращения ядер лишь самых легких элементов. Даже скорость самых быстрых α-частиц, испускаемых радиоактивными элементами - она составляет около 19 000 ^км/_сек,- оказалась недостаточной для преодоления сил электростатического отталкивания со стороны большей части ядер. У поверхности тяжелого ядра α-частица, масса которой составляет всего 6,6*10^-24 грамма, отталкивается с силой в 100 килограммов. Ядра окружены прочным защитным барьером. Чтобы его успешно преодолеть, нужны снаряды более мощные, чем α-частицы естественных радиоактивных источников.

Другим недостатком первых орудий атомной артиллерии явилась их малая "скорострельность". Потоки α-частиц, испускаемые источниками, оказались недостаточно интенсивными. Дело в том, что ядерное расщепление - явление редкое. Чтобы получить фотографию ядерного превращения азота, изображенную на рис. 10, потребовалось сфотографировать сто тысяч следов α-частиц! И это неудивительно. Ведь атом практически пуст, так как ядро занимает ничтожную часть его объема. При обстреле мишеней ядерными снарядами, большая их часть проходит сквозь атомы, не задевая ядер.

Попробуем грубо оценить вероятность прямого попадания α-частицы в ядро. Пусть мишень, подвергающаяся бомбардировке, имеет форму квадрата со стороной в 1 см и перпендикулярна направлению полета α-частиц. Если бы в мишени содержался лишь один атом вещества, то вероятность попадания о определялась бы отношением

где R - радиус ядра ~ 3*10^-13см. Тогда σ≈10^-25. Казалось бы, что, взяв достаточно толстую мишень, содержащую на площади в 1 см² большое количество атомов, можно заставить каждую α-частицу столкнуться с ядром. Но при таком рассуждении мы упускаем одно важное обстоятельство: проникновение сквозь атом не проходит бесследно для α-частицы. Она передает часть своей энергии атому, возбуждая или ионизуя его. Чтобы сохранить энергию, достаточную для ядерного превращения, α-частица должна пройти не более чем микронную толщину твердой мишени. При этой толщине на квадратный сантиметр приходится примерно N = 10¹⁹ ядер. Отсюда полная вероятность W = σN = 10^-6, то есть из миллиона α-частиц лишь одна попадает в ядро.

Таким образом, недостаточная энергия α-частиц и малая интенсивность естественных радиоактивных источников тормозили развитие ядерной физики. Нужны были новые, более мощные снаряды. Но как их получить? Нельзя ли искусственным путем разогнать до больших скоростей ядра легких элементов, например водорода, и использовать их для бомбардировки. Оказалось, что это можно сделать, используя хорошо известный факт ускорения заряженных частиц под действием электрического поля.

Пусть между пластинами А и Б создана большая разность потенциалов (рис. 11). Находящаяся вблизи пластины А положительно заряженная частица под действием электрического поля будет двигаться к отрицательно заряженной пластине Б и достигнет ее, если в пространстве между А и Б создан вакуум. За время движения от А к Б частица приобретет вполне определенную кинетическую энергию. В атомной физике принято измерять энергию посредством специальных единиц - электрон-вольтов. Энергию в 1 электрон-вольт (эв) приобретает частица с единичным электрическим зарядом (например, протон или электрон), прошедшая разность потенциалов 1 вольт.

Рис. 11. Принцип ускорения заряженных частиц

Если между электродами А я Б приложена разность потенциалов в 1000 вольт, то, проходя от одного до другого электрода, протон приобретает энергию в Г000 электрон-вольт или в 1 килоэлектрон-вольт (кэв)¹. Если заряд разгоняемой частицы равен двум элементарным зарядам (например, у дважды ионизованного атома гелия - α-частицы), то и энергия, ею приобретенная, будет соответственно вдвое больше энергии, полученной однократно заряженной частицей. Энергия в 1 эв невелика, она равна всего лишь 1,6*10^-12 эргов. Однако достаточно сообщить атому энергию в несколько электрон-вольт, чтобы вырвать один из его внешних электронов. Ядерные превращения связаны с затратами в миллионы раз большей энергии. Самые быстрые α-частицы, вылетающие из радиоактивных ядер, обладают энергией не свыше 10 Мэв.

¹ (Дальше по всей книге мы будем пользоваться следующими общепринятыми сокращениями:

1 Бэв = 1 000 000 000 электрон-вольт.)

Таким образом, для получения частиц, обладающих большей энергией, необходимо поместить их источник в очень сильное электрическое поле. По этому пути и пошли создатели ускорителей - установок для получения заряженных частиц, обладающих большой скоростью.

Первые ускорители состояли из двух основных частей - устройства для получения высокого напряжения и высоковольтной вакуумной трубки, внутри которой происходило ускорение частиц. Вакуумная трубка изготовляется из материала, обладающего хорошими изоляционными свойствами - стекла, фарфора или керамики. Ведь она должна выдерживать напряжение в несколько миллионов вольт, прикладываемое к расположенным по ее концам электродам. Воздух из вакуумной трубки выкачивается. Его остается в трубке примерно в миллиард раз меньше, чем до откачки. Столь сильное разрежение значительно уменьшает вероятность столкновения ускоряемых ионов с молекулами газа, а также улучшает изоляционные качества устройства.

Получение хорошего вакуума является важной задачей при создании любого ускорителя. Откачка воздуха осуществляется двумя ступенями. Вначале механические центробежные насосы создают разрежение около 10^-2 - 10^-3мм ртутного столба. Затем в действие вступают так называемые диффузионные масляные насосы, которые обеспечивают получение нужного вакуума (10^-5 - 10^-6мм рт. ст.). Достижение столь высокой степени разрежения, естественно, требует создания хорошей герметизации, системы контроля состояния вакуума и других мер, на которых мы не имеем возможности останавливаться.

При ускорении положительно заряженных частиц источник ионов (рис. 12) помещают вблизи положительного электрода. Ионы получают, бомбардируя атомы газообразного элемента (например, водорода при ускорении протонов или гелия, в случае если ускоряются α-частицы) электронами, испускаемыми раскаленной металлической нитью. Образовавшиеся ионы вытягиваются из источника электрическим полем.

Рис. 12. Схема устройства вакуумной трубки

Помимо двух основных электродов, к которым подводится высокое напряжение, в вакуумной трубке имеется ряд промежуточных электродов. С помощью делителя напряжения на каждый промежуточный электрод подается определенная часть полного напряжения. Установка промежуточных электродов позволяет сделать падение потенциала вдоль оси трубки более равномерным и избежать возникновения разрядов у ее концов. Но этим не исчерпывается роль промежуточных электродов. Они позволяют решить еще одну, чрезвычайно важную задачу.

Вакуумная трубка, в которой разгоняются ионы, имеет в длину несколько метров. Можно ли быть уверенным, что все или, по крайней мере, большая часть испущенных источником ионов успешно пройдет весь путь при любой конструкции ускорительной трубки. К сожалению, нет. Препятствия, попадающиеся на пути ионов - оставшиеся в ускорителе молекулы газа - изменят их направление. Помимо этого, имея одинаковый заряд, ионы отталкиваются друг от друга. Существенно и то, что из любого источника частицы вылетают несколько расходящимся пучком. Все эти причины вынуждают принимать специальные меры по сжатию или, иначе, фокусировке частиц в ускорителях.

В рассмотренной выше вакуумной ионной трубке фокусировка частиц происходит в щелях между промежуточными электродами. Силовые линии электрического поля в левой половине зазора направлены к оси трубки, а в правой половине зазора - от нее (рис. 13). Это означает, что пучок положительных ионов, движущийся слева направо, сначала прижимается к оси, то есть фокусируется, а затем, во второй половине зазора, уходит от оси в стороны. Казалось бы, что в цезора, улидит ит иси в сти-рины. лом щель между промежуточными электродами не способствует фокусировке пучка ионов. Однако это не так. При движении в полости электродов частицы не испытывают воздействия электрического поля и, следовательно, не ускоряются. Приращение скорости происходит только во время пролета щели. Левую, фокусирующую половину щели частицы проходят дольше, чем правую, дефокусирующую половину. Благодаря этому в целом щель будет фокусировать пучок.

Рис. 13. Фокусирующее действие ускоряющей щели

Мы рассмотрели устройство одного из элементов высоковольтного ускорителя - вакуумной трубки. На трубку должно быть подано необходимое для разгона частиц высокое напряжение. Его получают несколькими путями. В так называемом каскадном генераторе в каждой ячейке при помощи высоковольтного трансформатора и выпрямительной лампы - кенотрона - происходит зарядка конденсатора (рис. 14). Потенциал относительно земли верхней обкладки наиболее удаленного конденсатора будет равен суммарному напряжению всех конденсаторов.

Рис. 14. Принципиальная схема каскадного генератора

В 1932 г. английские физики Кокрофт и Уолтон с помощью каскадного генератора ускорили протоны до энергии 700 кэв и впервые в истории осуществили ядерную реакцию, вызванную искусственно ускоренными частицами. В результате реакции ядро лития, служившего мишенью, превращалось в две быстрые α-частицы (рис. 15).

Рис. 15. Первая ядерная реакция, осуществленная на ускорителе

Этот опыт показал, что не только α-частицы могут служить снарядами при бомбардировке атомных ядер. Более того, выяснилось, что протоны способны вызвать указанную реакцию, обладая энергией всего лишь в несколько сотен килоэлектрон-вольт, в то время как для α-частиц естественных радиоактивных препаратов необходимая энергия составляла несколько Мэв. Столь значительная эффективность протонов по сравнению с α-частицами вызвана отчасти тем, что протону, с зарядом вдвое меньшим, чем у α-частицы, легче подойти к ядру мишени. Основная же причина заключается в том, что уже на первых ускорителях были получены пучки ионов, интенсивность которых в сотни и тысячи раз превышала интенсивность самых сильных естественных радиоактивных препаратов. Поэтому, несмотря на очень малую вероятность расщепления (из 100 миллионов протонов с энергией 200 кэв, падающих на литиевую мишень, только один протон вызывает превращение ядра лития в две α-частицы), наблюдение этого процесса стало гораздо более доступным, чем в первых опытах Резерфорда. В настоящее время каскадные генераторы применяются для получения интенсивных потоков (до 1011 ^част/_сек) быстрых нейтронов.

Другой высоковольтный генератор, получивший широкое распространение, был сконструирован Ван-де-Граафом. По своему устройству эта установка напоминает электростатическую машину, которая ныне используется для опытов по физике в школах. Внешний вид первых электростатических генераторов был весьма необычным (рис. 16). Огромный пустотелый металлический шар Р изолирован от земли посредством высокой колонны. На поверхности шара постепенно накапливается электрический заряд. Он доставляется на внутреннюю поверхность шара при помощи бесконечного ремня из бумаги или шелка. Заряд попадает на быстро-движущийся ремень по специальной гребенке и таким же путем снимается с ремня, растекаясь по поверхности шара. Потенциал шара растет до тех пор, пока это позволяют утечки по воздуху и по поверхности изоляторов.

Рис. 16. Электростатический генератор Ван-де-Граафа

Один из крупнейших электростатических генераторов, построенный в Харькове в 1937 г., имел шар диаметром около 10 метров. Напряжение в 4-5 миллионов вольт подавалось на десятиметровую вакуумную трубу, в которой ускорялись частицы. В последующие годы размеры электростатических генераторов были заметно сокращены. Это удалось сделать, поместив весь ускоритель в атмосферу сжатого газа (азот, фреон). Давление в несколько атмосфер увеличило стойкость установки против электрических пробоев.

Ускорители Ван-де-Граафа находят обширное применение в ядерных исследованиях. Другое применение электростатические генераторы получили недавно при создании новейших ускорителей, где они используются для предварительного ускорения ионов.