Глава III. Физикам нужны частицы больших энергий

§ 5. Линейные резонансные ускорители

Опыт создания высоковольтных ускорителей показал, что получение потоков быстрых частиц с энергией, большей нескольких миллионов электрон-вольт, является весьма трудной задачей. Размеры ускорительных установок росли, достигая многих метров, а напряжение на них почти не удавалось повысить.

Именно поэтому в 30-х годах все усиленней начинают разрабатываться новые методы ускорения, не требующие создания очень

высоких напряжений. Идея этих методов заключается в следующем. Чтобы в высоковольтном ускорителе получить протоны с энергией 10 Мэв, их необходимо ускорять в электрическом поле с разностью потенциалов 10 миллионов вольт. Но той же энергии в 10 Мэв протоны могут достичь, пройдя последовательно двести раз электрическое поле с разностью потенциалов 50 000 вольт. Создание такого поля - сравнительно простая техническая задача. Необходимо, однако, решить другую важную задачу - добиться успешного прохождения частицами ряда ускоряющих промежутков. Как это осуществить?

Попробуем в уже знакомой нам ионной трубке соединить между собой промежуточные электроды изображенным на рис. 20 способом. Тогда образуются две группы электродов - одна, соединенная с положительным полюсом источника напряжения (1, 3) а другая - с отрицательным (2, 4). Посмотрим, будет ли в подобной системе происходить многократное ускорение частиц.

Рис. 20. Попытка осуществления многократного ускорения частиц небольшим по величине электрическим полем

Вылетающие из ионного источника положительно заряженные частицы в первой щели действительно увеличат скорость, попав в ускоряющее поле. Находясь в полости второго электрода, протоны будут двигаться по инерции, не подвергаясь действию со стороны поля. Но, подлетая ко второй щели, протоны попадут в тормозящее электрическое поле, в котором потеряют энергию, приобретенную ранее. Следовательно, в таком простом виде схема ускорителя не годится.

Для последовательного многократного ускорения необходимо, чтобы частицы в каждой щели встречали "попутное" ускоряющее поле. Нельзя ли во время прохождения частицей полости промежуточных электродов переключать концы у источника напряжения, меняя таким образом направление электрического поля в щели с тормозящего на ускоряющее. Попробуем сосчитать, с какой частотой нужно производить подобные переключения. Скорость протона с энергией 50 кэв, то есть уже после первого прохождения щели, составит 3500 ^км/_сек. Трубку длиной в 10 см он пройдет за десятимиллионные доли секунды. Естественно, никакой механический переключатель не может успеть сработать за такой короткий срок.

Учеными был найден выход из создавшегося затруднения. Они решили использовать для ускорения частиц не генераторы постоянного тока с переключателями, а высокочастотные генераторы переменного тока, подобные тем, которые применяются на радиостанциях. В этих генераторах направление тока, а следовательно и полярность напряжения, меняется миллионы и десятки миллионов раз в секунду.

Посмотрим, как будет работать ускоритель, питающийся от высокочастотного генератора (рис. 21). Пусть все нечетные промежуточные электроды будут соединены с заземленным выводом, а все четные электроды - с высоковольтным выводом генератора. Часть вылетающих из ионного источника протонов подлетит к первой щели в момент, когда потенциал на соседнем электроде будет -V, то есть поле будет ускоряющим. По мере пролета этих частиц внутри электрода 2 напряжение на нем будет увеличиваться, станет равным нулю и к моменту вылета протонов из полости электрода 2 станет равным +V. Так как следующий, третий, электрод заземлен, то электрическое поле будет снова иметь нужное направление и протоны вновь ускорятся. Для успешного ускорения необходимо, чтобы разгоняемые частицы всегда при подходе к щели попадали в ускоряющее поле. Это значит, что время пролета частиц между двумя соседними щелями не должно изменяться. Но скорость частиц постепенно нарастает. Следовательно, промежуточные электроды необходимо делать переменной, увеличивающейся длины. В этом случае время прохождения трубки, равное отношению длины трубки к скорости частицы, будет оставаться неизменным и равным полупериоду генератора высокой частоты.

Рис. 21. Принцип действия резонансного ускорителя

Описанный метод ускорения был назван резонансным. Резонансом называется явление сильного возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте собственных колебаний тела. Явления резонанса находят себе самое разнообразное применение в различных областях науки и техники. В качестве примера укажем радиотехнику, где на каждом шагу используются свойства резонанса в электрических цепях. При ускорении резонансным методом частота, с которой частицы пересекают ускоряющие промежутки, должна быть равна частоте (в рассмотренном случае - удвоенной частоте) генератора, создающего ускоряющее электрическое поле.

Описанный нами резонансный ускоритель был назван линейным. В нем частицы движутся приблизительно по прямолинейным траекториям. Приращение энергии частиц в таком ускорителе происходит скачкообразно. Величина каждого скачка зависит не только от величины максимального напряжения генератора высокой частоты, но и от того, в какой момент или, как говорят, в какой фазе пересекает частица ускоряющую щель. Если прохождение щели происходит в тот момент, когда напряжение наибольшее, то фазу θ считают равной нулю. Если напряжение успевает несколько понизиться, то фаза θ₁ считается положительной (рис. 22, правая часть), и наоборот, когда в момент прохождения щели напряжение еще не достигло максимального значения, фаза θ₂ - отрицательна.

Рис. 22. Различные фазы прохождения частицей ускоряющей щели

При сохранении точного резонанса фаза частицы остается во время ускорения постоянной, и частица каждый раз будет приобретать одинаковую энергию. Скорость частицы будет быстро расти. Именно это обстоятельство затрудняло применение линейных ускорителей. Генераторы достаточно коротких волн в 30-х годах отсутствовали и приходилось применять чрезвычайно длинные трубки. По этой причине линейные ускорители использовались для ускорения тяжелых, обладающих меньшей скоростью ионов.

Значительно большее распространение получил другой резонансный ускоритель - циклотрон.