§ 89. Циклический ускоритель

Для того чтобы исследовать структуру атомных ядер, необходимо их бомбардировать частицами, имеющими значительную энергию, т. е. летящими с большой скоростью. Сообщить электрически заряженным частицам такую скорость можно только с помощью электрического поля. Магнитное поле не изменяет величины скорости, так как сила, действующая со стороны данного поля (сила Лоренца), направлена перпендикулярно к скорости частицы, поэтому изменяет лишь направление этой скорости - искривляет ее траекторию. Устройство для ускорения заряженных частиц называется ускорителем заряженных частиц.

Ускорители заряженных частиц делятся на два класса: ускорители с прямолинейным движением частиц (линейные ускорители с ускорительными трубками длиной почти 100 ж, что является их недостатком; первый линейный ускоритель был построен в 1924 г.) и ускорители, в которых частицы при разгоне движутся по спиральной траектории, их называют циклическими ускорителями (например, циклотрон, бетатрон, фазотрон, синхротрон). В циклических ускорителях одновременно используются электрическое поле для ускорения заряженных частиц и магнитное поле, которое силой Лоренца, действующей под углом к скорости частиц, придает их траектории вид спирали. Одновременное использование электрического и магнитного полей дало возможность создать циклический ускоритель, размеры которого намного меньше линейного. На примере циклотрона, который применяется для ускорения тяжелых заряженных частиц протонов, α-частиц, ионов), ознакомимся с устройством и принципом работы циклического ускорителя (первый циклотрон был построен в 1932 г.). Циклотрон (рис. 131, а) состоит из электромагнита, между полюсами которого находится вакуумная камера. Внутри нее расположены электроды - дуанты Д₁ и Д₂ (рис. 131, б) в виде двух металлических коробок. Дуанты изготовлены из проводящего ток немагнитного материала. Между пуантами имеется пространство, в котором они, будучи соединенными с источником переменного тока (до 100000 в), создают электрическое поле. Внутри дуантов электрического поля нет, а есть магнитное поле. В пространстве между дуантами в центре вакуумной камеры находится источник тех частиц, которые будут ускоряться.

Рис. 131. Схема устройства и действия циклотрона

Попав в пространство между дуантами, заряженные частицы ускоряются электрическим полем и влетают внутрь дуанта Д₁, где под действием силы Лоренца начинают двигаться по дуге окружности. Через половину оборота частицы появятся в пространстве между дуантами. К этому моменту с помощью специального лампового генератора дуанты перезаряжаются. Частица ускоряется электрическим полем и влетает в дуант Д₂ со скоростью ν, большей той, с которой она влетала в дуант Д₁. Из равенства видно, что с увеличением скорости ради дуги окружности по которой частица проходит в дуанте, через каждый полуоборот будет возрастать.

Период Заменив R из вышеприведенной формулы получим период обращения частицы в дуантах: Он не зависит от скорости частицы. Скорость ускоряемой частицы все время увеличивается, а период ее обращения остается постоянным. Описав вторую полуокружность, большего радиуса, чем первая, частица опять попадает в пространство между дуантами, где снова ускоряется, и т. д. Ускорение частицы между дуантами электрическим полем происходит потому, что между частотой обращения частицы и частотой изменения заряда (потенциала) на дуантах существует синхронность. При этом синхронизация происходит так: если, например, ускоряющая частица заряжена положительно, то на дуант, из полости которого она вылетает, подается положительный потенциал, а не дуант, в полость которого она должна влететь,- отрицательный. Под действием сил электрического поля дуантов, направленных в одну к сторону, частица получает ускорение. В дуантах частицы движутся равномерно с той скоростью, которую им поле сообщало при входе в полость одного из них.

Когда скорость частиц станет настолько большой, что их масса заметно увеличится, период их обращения (Т~m) возрастает. Это вызовет нарушение синхронизации, и электрическое поле перестанет ускорять частицы. Циклотрон может сообщить энергию протонам 10 Мэв, α-частицам - 40 Мэв. Имеются ускорители, например синхрофазотроны, в которых учтена зависимость массы от скорости. На Серпуховском ускорителе (один из крупнейших в мире) протонам сообщается энергия 70 Гэв^*, при этом протон проходит путь около 500000 км.

^* (1 Гэв = 1 гигаэлектронвольт = 10⁹ эв.)