Глава IV. Новые идеи - новые ускорители

§ 8. Принцип автофазировки

Энергии частиц, достигнутые на циклотроне, не могли удовлетворить ученых, занимающихся разгадкой тайн строения атомных ядер. Еще из опытов Резерфорда было известно, что силы, связывающие частицы в ядре, действуют на очень малых расстояниях порядка 10^-13см. Эти данные позволили японскому физику Юкава, исходя из теоретических соображений, высказать смелую мысль о том, что в природе должны существовать, неизвестные до сих пор, быстро распадающиеся частицы.

Подобно тому как фотоны, возникающие при электромагнитных взаимодействиях, характеризуют электрические силы, предполагаемые частицы должны возникать при ядерных взаимодействиях и служить характеристикой ядерных сил. Согласно предсказаниям теории Юкава, новые частицы должны обладать массой, промежуточной между массами электрона и протона. Прошло несколько лет, и ученые, изучавшие космические лучи, действительно обнаружили на фотопластинках следы частиц с массой, в 200 раз большей электронной. Позднее были открыты еще более тяжелые частицы, π-мезоны, которые в отличие от первых (μ-мезонов) активно взаимодействовали с атомными ядрами. Именно π-мезоны считают в настоящее время ответственными за ядерные силы. Лишь изучая свойства этих мезонов, можно понять природу ядерных сил. Но каким путем детально ознакомиться с мезонами? Сделать это с помощью космических лучей очень трудно, главным образом из-за их ничтожной интенсивности. Гораздо точнее можно изучить поведение новых частиц, создавая их искусственным путем в ядерных реакциях. Но чтобы образовался мезон, требуется большая энергия. Масса покоя заряженного π-мезона равна 273 электронным массам, а покоящемуся электрону соответствует энергия 0,511 Мэв. Отсюда, энергия покоящегося π-мезона равна 141 Мэв. На самом деле, нужна энергия существенно большая, так как значительную часть энергии принимают на себя другие частицы, образующиеся в ходе реакции. Так, например, чтобы μ-мезон образовался в ходе реакции р + р = n + р + π⁺, первичный протон должен обладать энергией не менее 293 Мэв. Вот почему с таким нетерпением ожидали физики создания ускорителей с энергией частиц в несколько сотен Мэв. Проблема значительного повышения энергии в ускорителях заряженных частиц была в 1944 г. решена советским ученым В. И. Векслером. Изучая резонансное ускорение частиц, движущихся с большой скоростью. В. И. Векслер открыл интереснейшее физическое явление, названное им автофазировкой. На использовании этого явления построены все современные ускорители. В чем же заключается автофазировка частиц? Вспомним, как с ростом массы ионов прекращается ускорение в циклотроне (рис. 38), При неизменном периоде высокой частоты T₀ (сплошная линия) период обращения иона T увеличивается, и частица попадает в ускоряющую щель, когда напряжение на щели уже несколько упадет по сравнению с предыдущим пролетом.

Рис. 38. Изменение частоты в циклотроне. Белые кружочки показывают изменение фазы частицы при постоянной частоте, черные кружочки - при изменении частоты

Теперь представим себе, что имеется возможность в процессе ускорения плавно увеличивать период T₀ высокой частоты. Тогда среди множества ускоряемых ионов найдутся такие, для которых увеличение собственного периода обращения будет таким же, как и увеличение периода высокой частоты. В результате резонанс не будет нарушен и "удачливые" частицы будут продолжать успешно ускоряться при постоянной фазе поля. Но "удачливых" частиц - ничтожная часть, и не было бы смысла строить подобный ускоритель, если бы не одно замечательное обстоятельство. Оказывается, не только "удачливые" или равновесные частицы будут продолжать набирать энергию в циклотроне с изменяющимся периодом высокой частоты. Остальные частицы, обладающие примерно той же энергией, что и равновесные, будут также ускоряться, но только несколько иным путем. Рассмотрим поведение частицы, которая вначале приобретает энергию меньшую, чем равновесные частицы. Меньший прирост энергии соответствует, естественно, меньшему прибавлению массы и периода обращения, чем у равновесных частиц. Вследствие этого частица подойдет следующий раз к щели несколько раньше, а значит, и при несколько большем напряжении на щели, чем в первый раз.

Так, постепенно, оборот за оборотом, частица увеличивает приращение энергии, пока через несколько десятков или даже сотен оборотов (рис. 39) фаза частицы не сравняется с равновесной фазой. Но частица не останавливается в своем фазовом движении и начинает приобретать энергию большую, чем равновесная. Через некоторое время начинается обратный процесс уменьшения прироста энергии. Таким образом, частицы как бы колеблются около нужной фазы φ₀, причем, что особенно важно, размах фазовых колебаний с увеличением энергии сокращается. Если увеличение периода высокой частоты происходит медленнее, то изменится и значение фазы φ₀, около которой происходят колебания фаз отдельных частиц. Частицы в процессе ускорения как бы выбирают автоматически нужную им для резонансного ускорения фазу. Вот почему это явление получило название автофазировки частиц.

Рис. 39. Автофазировка частиц в ускорителе

Благодаря автофазировке почти все частицы, начавшие ускорение, могут благополучно дойти до предельной энергии, определяемой радиусом магнита. Но набирать энергию они будут по-разному (рис. 40). Равновесные частицы будут приобретать энергию одинаковыми порциями. Остальные частицы будут ускоряться неравномерно - то быстрее, то медленнее. В среднем приращение энергии будет одинаковым для всех частиц. Нет необходимости подбирать какой-то жесткий закон изменения периода Т0 ускоряющего поля. Важно лишь, чтобы к концу ускорения период увеличился как раз настолько, насколько должна прибавиться масса ионов. Необходимо также, чтобы разность потенциалов на дуантах была достаточно велика.

Рис. 40. Нарастание энергии частиц в процессе автофазировки

В. И. Векслер указал также на вторую возможность использования явления автофазировки. Она заключается в применении растущего магнитного поля при неизменной частоте ускоряющего электрического поля. Период обращения ионов в этом случае будет сохраняться неизменным.

Частицы с избытком энергии будут двигаться по большему радиусу, чем равновесные, и поэтому с каждым оборотом приходить к ускоряющей щели с опозданием. И здесь будет действовать механизм автофазировки, но частицы будут приноравливаться уже к изменению магнитного поля.

В обоих разобранных примерах благодаря автофазировке ускоряемые ионы в среднем обращаются с частотой внешнего электрического поля.

Наконец, был предложен еще один способ ускорения, при котором сохраняется постоянным как магнитное поле, так и частота электрического поля. В этом случае рост периода обращения частиц должен быть кратным целому числу периодов поля высокой частоты. Открытие явления автофазировки (несколько позднее В. И. Векслера это явление установил также американский физик Мак-Миллан) сыграло огромную роль в развитии ускорителей. Была уничтожена преграда на пути повышения энергии ускоряемых частиц. Автофазировка позволяет, в принципе, ускорять частицы до любых энергий. Предел теперь определяется только техническими возможностями.

Вскоре после открытия автофазировки физики создали различные ускорители, основанные на этом явлении.