§ 9. Фазотрон и синхротрон

В фазотроне используется способ изменения частоты электрического поля. Фазотрон, или, как его иногда называют, синхроциклотрон, сохранил в себе почти все черты своего предшественника - циклотрона. Здесь есть электромагнит, но только увеличенных размеров, высокочастотный генератор и вакуумная камера. Как и в циклотроне, ускорение начинается от центра магнита. В момент впуска ионов в камеру частота электрического поля на дуантах близка к максимальной (точка t₁, рис. 41). Она соответствует нулевым скоростям ионов и, следовательно, постоянной массе. По мере увеличения скорости ионов, частота уменьшается до своего минимального значения, которое соответствует наибольшей энергии ионов. Несколько раньше этого момента ускоренные частицы либо ударяются в мишень, либо выводятся наружу (точка t₂). После того как частота достигнет опять максимального значения, начинается новый цикл ускорения.

Рис. 41. Изменение частоты в фазотроне

Познакомимся с данными крупнейшего фазотрона, работающего в СССР с 1949 г. и принадлежащего Объединенному институту ядерных исследований (рис. 42). В этом ускорителе протоны разгоняются до энергии 680 Мэв. Магнит ускорителя имеет высоту трехэтажного дома и весит 7000 тонн. Диаметр его полюсов составляет 6 метров. Значительный спад магнитного поля от центра к краям (4,9%) обеспечивает лучшую, чем в циклотроне, вертикальную фокусировку пучка, oздесь можно допустить более сильное, чем в циклотроне, спадание магнитного поля, не боясь выхода частиц из резонанса. Полюса магнита являются одновременно крышками огромной вакуумной камеры объем которой более тридцати кубических метров В центре камеры, откачиваемой мощными насосами, помещается ионный источник. К нему по трубопроводу от расположенного снаружи баллона подводится газообразный водород (в случае ускорения протонов). Обычно в фазотронах ограничиваются лишь одним дуантом, вторым, заземленным электродом является сама вакуумная камера. На дуант фазотрона подается небольшое если сравнивать с циклотроном, переменное напряжение Амплитуда его не превышает 15-20 киловольт. За время ускорения протонов до 680 Мэв масса их увеличивается более чем на 72 процента. Чтобы изменить частоту электрического поля за время ускорения ионов прибегают к следующему приему. К дуанту фазотрона присоединяют конденсатор, одна из обкладок которого вращается в вакууме с большой скоростью. При этом емкость конденсатора и, следовательно, емкость всего контура дуанта, периодически изменяется в нужных пределах. Соответственно изменяется и собственная частота контура дуанта, зависящая от его емкости и индуктивности. Высокочастотный генератор с самовозбуждением, связанный с таким контуром, создает в нем колебания с частотой, равной собственной частоте контура.

Рис. 42. Фазотрон Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне

Интенсивность, получаемая в фазотроне, в сотни раз уступает интенсивности в циклотроне. Столь значительное падение интенсивности свойственно всем ускорителям, использующим явление автофазировки и связано с сокращением времени захвата частиц в режим ускорения. Если в циклотроне захват ионов происходит в течение значительной части периода ¹/₇-¹/₉, то в фазотроне может успешно начать ускорение только ничтожная часть всех ионов, непрерывно испускаемых источником Ото будут ионы, попавшие в камеру в тот короткий промежуток времени, когда частота электрического поля соответствует нулевым скоростям частиц Ионы попавшие в камеру раньше или позже, не смогут ускоряться резонансно, так как частота не будет уже подходящей для них. Но в таком случае нет смысла непрерывно направлять в камеру ионы. Ионный источник фазотрона обычно испускает ионы только во время захвата. Благодаря этому удается увеличить импульсный ионный ток. На внутреннюю мишень, установленную недалеко от края полюса, попадает 1,8*10¹² протонов в секунду. Импульсы следуют один за другим с интервалом около одной сотой секунды.

Значительно труднее вывести пучок протонов из камеры наружу. Шаг спирали, по которой раскручиваются частицы в фазотроне, очень невелик. Поэтому здесь не удается эффективно использовать для отклонения пучка постоянное электрическое поле, как это делается в циклотроне. Специалистами был разработан оригинальный способ вывода пучка из фазотрона. В нужный момент в определенных местах искусственно создаются неоднородности магнитного поля. Благодаря им орбиты ионов меняют свою форму и пучок протонов через отверстие в специальном магнитном экране выходит из камеры. Таким путем удалось вывести наружу до 8% всех протонов. Посмотрим, как располагается аппаратура вблизи ускорителя (рис. 43). Обращает на себя внимание многометровая бетонная стена, окружающая фазотрон со всех сторон. Она нужна для защиты людей от воздействия излучений. Сами протоны пучка легко поглощаются, но, попадая на вещество, дают в большом количестве нейтроны и γ-лучи. Они и составляют основную опасность. Мы знаем, что из космических пространств на Землю поступают частицы огромных энергий, причем количество их не так уж мало. На каждый квадратный сантиметр поверхности Земли в минуту падают в среднем 1,5 частицы. Это означает, что тело каждого человека ежеминутно пронзается тысячами энергичных частиц. Однако заметного вреда здоровью людей подобная бомбардировка не приносит. Иная картина на ускорителях. От миллиардов частиц, ежесекундно образующихся на них, нужна серьезная защита. Люди, работающие на ускорителях или с радиоактивными материалами, во время работы имеют при себе приборы, позволяющие судить о том, какую дозу излучений они получили. В защите нуждаются не только люди. Вся аппаратура для исследований, за исключением мишеней, также не должна подвергаться действию излучений. Поэтому через бетонную защиту фазотрона пучки проходят по узким каналам. От внутренней мишени фазотрона можно получить выходящие наружу пучки нейтронов, π-мезонов и протонов. Нейтронный пучок, не подверженный действию магнитного поля, без отклонения проходит в соответствующий канал, π-мезоны отклоняются рассеянным магнитным полем фазотрона в противоположные стороны. Интересным новшеством является использование в качестве защиты железного ярма фазотрона, за которым размещается "мезонная лаборатория". Для вывода в нее мезонов в трехметровом ярме магнита просверлены отверстия. Сквозь них проходят заряженные π-мезоны, которые образуются на расположенной внутри дуанта бериллиевой мишени. Интенсивность пучка отрицательных π-мезонов здесь доходит до 200 мезонов в секунду через квадратный сантиметр,

Рис. 43. Размещение аппаратуры для физических исследований на синхроциклотроне 680 Мэв

С помощью фазотронов проводятся важнейшие исследования взаимодействия элементарных частиц и ядер. Были детально изучены свойства π-мезонов и их взаимодействия. Одним из наиболее важных результатов, полученных на фазотронах, явился вывод о зарядовой независимости ядерных сил. Опыты по рассеянию протонов и нейтронов на протонах показали, что протон и нейтрон можно считать как бы двумя состояниями одной и той же частицы нуклона. Если не считать те явления, в которых сказывается присутствие у протона электрического заряда, обе частицы ведут себя совершенно одинаковым образом в самых различных ядерных процессах.

Фазотрон был первым ускорителем, подтвердившим правильность открытия, сделанного В. И. Векслером. Вскоре вступил в строй и другой ускоритель, основанный на явлении автофазировки частиц. В нем для борьбы с вредным влиянием возрастания массы ускоряемой частицы используется способ изменения магнитного поля.

В синхротроне ускоряются электроны. По своей конструкции он весьма напоминает бетатрон (рис. 44). Магнит синхротрона служит, как и в бетатроне, для создания переменного по времени магнитного потока. Но в синхротроне магнитное поле создается только в кольцевой области вблизи орбиты электронов: оно лишь выполняет задачу управления движением электронов по кругу.

Рис. 44. Схема устройства синхротрона

Поэтому массивный, заполняющий весь объем, полюс магнита заменен здесь легким кольцевым.

Ускорение электронов в синхротроне происходит за счет электрического поля высокой частоты. Оно создается в специальном устройстве - "резонаторе", который обычно является частью ускорительной камеры. Резонатор питается от генератора с длиной волны, равной длине окружности, по которой вращаются электроны. Каждый раз, проходя мимо ускоряющей щели резонатора, электроны приобретают энергию в несколько сотен электрон-вольт. Электроны должны двигаться с неизменной частотой, равной частоте электрического поля, по окружности почти постоянного радиуса. Но для этого скорость их практически не должна изменяться. Мы знаем, что уже при энергии в 2 Мэв скорость электронов становится очень близкой к скорости света (β = 0,98). Следовательно, прежде чем ускорять электроны высокочастотным электрическим полем, им нужно сообщить кинетическую энергию в 2-3 Мэв. Как это сделать? Обычно для этой цели используют так называемый бетатронный запуск. В центре магнита помещают тонкий стальной сердечник, создающий ускоряющее магнитное поле. К тому времени, когда электроны приобретут необходимую энергию, сердечник насыщается и вплоть до начала следующего цикла не играет роли.

При помощи катодного осциллографа, витка, помещенного в магнитном поле, и счетчика частиц мы можем получить очень наглядную картину процесса ускорения в синхротроне (рис. 45). Как и в случае бетатрона, ускорение происходит только в одной четверти периода изменения магнитного поля, соответствующей нарастанию поля. Вскоре после того как напряженность магнитного поля на орбите пройдет через нуль, на электронную пушку подается импульс напряжения и электроны "впрыскиваются" в камеру синхротрона (а). Незадолго до начала насыщения центрального сердечника (точка b) включается электрическое поле, которое подхватывает электроны в основной резонансный режим ускорения. Пик с соответствует импульсам в счетчике от электронов, ускорившихся лишь в бетатронном режиме и не захваченных в последующее ускорение. Количество таких частиц ничтожно. Основная часть электронов продолжает увеличивать свою энергию вместе с ростом магнитного поля синхротрона. После снятия напряжения с резонатора (момент выключения d зависит от того, до какой энергии нужно ускорять электроны) пучок электронов под воздействием нарастающего магнитного поля начинает по спирали закручиваться внутрь¹, пока не ударит о мишень. В точке осциллограммы виден пик е от импульсов счетчика, регистрирующего тормозное излучение, возникающее в момент попадания электронов на мишень.

¹ (Причину движения внутрь нетрудно понять. Энергия электронов, примерно равная 300 Н*R, не изменяется после прекращения ускорения. Увеличение магнитного поля H, естественно, приводит к уменьшению радиуса орбиты R.)

Рис. 45. Процесс ускорения в синхротроне

При желании (в небольших ускорителях) электроны могут быть направлены на наружную мишень. Для этого высокочастотное поле нужно выключать в момент, близкий к максимуму магнитного поля. Спадание H вызовет увеличение радиуса орбиты электронов. Наружной мишенью обычно служит тыльная сторона электронной пушки.

Синхротроны строятся на огромные энергии вплоть до нескольких Бэв. Излучение электронов, ограничивающее максимальную энергию частиц в бетатроне, здесь не является столь опасным. Рост излучения электронов приводит к тому, что они начинают забирать большую энергию от электрического поля. Необходимо иметь на ускоряющей щели достаточную разность потенциалов. Мы еще раз можем убедиться в замечательном свойстве автофазировки частиц. Помимо требований к высокочастотной системе, которая должна восполнить огромные радиационные потери, излучение оказывает серьезное влияние на движение частиц в ускорителе. Как показали работы советского физика А. А. Коломенского, в слабо-фокусирующих ускорителях, где показатель спадания магнитного поля n меньше 1 и больше нуля, излучение приводит к дополнительному затуханию колебаний. Наоборот, в сильнофокусирующих ускорителях (см. ниже) излучение увеличивает размах колебаний и нужно принимать специальные меры против "раскачки" колебаний.

Излучение электронов в синхротроне захватывает область видимых длин волн. Его можно наблюдать с помощью системы зеркал в виде яркого пятна.

На синхротронах изучают ядерные превращения, происходящие под действием γ-лучей различной энергии. На рис. 46 показан синхротрон, работающий в Физическом институте им. Лебедева в Москве. Он дает пучок тормозного излучения с энергией до 265 Мэв.

Рис. 46. Синхротрон Физического института им. П. Н. Лебедева, на котором электроны ускоряются до энергии 265 Мэв