Популярное

Семейство ускорителей

Ускорители заряженных частиц — это одни из самых важных приборов б современной атомной физике, познающей тайны строения мельчайших частиц материи.

Наши познания о материи — от атомного ядра до звездных вселенных — мы расширяем, проводя все новые и новые опыты с заряженными частицами, ускоренными до огромных энергий в этих установках. Чем выше энергия ускоренных частиц, тем больше их «бронебойность», тем более удивительные результаты даст «стрельба» ими по «мишеням». Стремясь повышать энергию ускоренных частиц, ученые к конструкторы повышают мощность ускорителей, изменяют принципы ускорения частиц.

Какими же ускорителями располагает наука сегодня? Как работают различные типы ускорителей и чем отличаются они друг от друга? Какие из них наиболее совершенны?

Мы попытались кратко рассказать об этом в настоящей статье, поясняющей цветную вкладку. На вкладке различные типы ускорителей показаны в виде плодов, «созревших» на ветвях «дерева ускорителей». Горизонтальные линии — это уровни энергии в миллионах электроновольт. Схемы важнейших типов ускорителей показаны более детально на другой половине вкладки. Одинаковые приборы на дереве и на смежной странице показаны одинаковыми цифрами.

С правой стороны дерева вы видите ускорители прямого действия. Эта ветвь обозначена буквами ВВ — высоковольтные. Во всех таких ускорителях энергия заряженных частиц не может быть больше нескольких миллионов электроновольт.

На ветви ВВ — три «отростка». И. пос. Н — источники постоянного напряжения. И. пер. Н — источники переменного напряжения. Между ними ИГ — импульсные генераторы. К источникам постоянного напряжения относятся электростатические генераторы — ЭСГ. В современных лабораториях часто встречаются электростатические генераторы, в которых заряды перекосятся ремнями из изоляционного материала. Схема подобного генератора обозначена на рисунке цифрой 7. Постоянный ток сверхвысокого напряжения можно также получить при помощи каскадных выпрямителей — КВ.
Источники переменного напряжения могут работать с токами низкой частоты — ТНЧ и с токами высокой частоты — ТВЧ.

До уровня энергии около 100 млн. электроновольт поднимается ветвь вихревых ускорителей — В, в которых переменный магнитный поток вызывает появление электрического вихря, начинающего кружить и ускорять электроны. Эти ускорители получили название бетатронов (6 — на рисунке).
Влево от общего ствола идет ветвь резонансных ускорителей — РУ. Именно на этой ветви непрестанно появляются все новые и новые побеги, тянущиеся все выше, ко все более грандиозным энергиям заряженных частиц.

Во всех типах РУ ускоряемые заряженные частицы — электроны или ионы — многократно проходят через ускоряющие участки высокочастотного электромагнитного поля, с каждым таким проходом все увеличивая скорость. В этих ускорителях необходимо точное согласование, или, как говорят, поддержание резонанса между движением заряженных частиц и скоростью изменения электрических и магнитных полей, которые направляют и ускоряют движение заряженных частиц.

Высота каждой отдельной ступени ускорения в резонансных ускорителях невелика — обычно несколько тысяч вольт. Развитие этого типа ускорителей шло по пути непрестанного увеличения количества ступеней ускорения: от нескольких единиц в первых примитивных Ру до многих миллионов в современных резонансных устройствах.

Все РУ делятся на линейные — Ли циклические — Ц. В линейных ускорителях, как показывает само их название, ускоряемые частицы движутся по прямой линии. На ветви Л показаны два плода; ЛУИ — линейный ускоритель ионов и ЛУЭ — линейный ускоритель электронов.

Более распространены в современной технике циклические ускорители, в которых заряженные частицы движутся по спиральным или кольцевым орбитам и много раз последовательно проходят мимо одних и тех же ускоряющих электродов. Длина пути, проходимого заряженными частицами в этих приборах с момента начала ускорения до удара ускоренной частицы об исследуемую мишень, достигает иногда многих сотен тысяч километров.
На ветви циклических ускорителей самый старый побег — это циклотрон. В этом приборе имеется мощный электромагнит с массивными полюсами. Между полюсами электромагнита помещена ускорительная камера; в ней расположены два электрода, питаемые высокочастотным напряжением. И напряженность магнитного поля, и частота ускоряющего электрического напряжения остаются все время неизменными — НПЧ.

Вам, конечно, известно, что при ускорении заряженных частиц возрастает и их масса. В циклотроне, где частота электрического поля и напряженность магнитного поля неизменны, условие резонанса не может быть соблюдено при ускорении до высоких энергий. Если сохранить магнитную систему такую же, как у циклотрона, но для ускорения подавать электрическое напряжение с меняющейся (уменьшающейся по мере ускорения) частотой, то получается прибор, который называется фазотроном — Ф. На фазотронах можно ускорять ионы до энергии примерно в полмиллиарда электроновольт.
Ни циклотроны, ни фазотроны не имеют дальнейших перспектив развития. Они достигли своего предела.

Плодоносным направлением развития являются конструкции резонансных циклических ускорителей с кольцевым электромагнитом — КМ. При кольцевом магните уменьшается расход строительных материалов (стали, меди) на сооружение ускорителя.

Для ускорения электронов применяется прибор с кольцевым магнитом, который называется электронным синхротроном. Ускорители ионов с кольцевыми электромагнитами названы синхрофазотронами — СФ. На рисунке 1 помазана схема синхрофазотрона. Чтобы точно удержать сгусток ионов на кольцевой орбите, в процессе ускорения все время нарастает сила магнитного поля. Одновременно увеличивается и частота ускоряющего электрического напряжения. Самый большой в мире подобный прибор — это советский синхрофазотрон, работающий в городе Дубна,
Один из наиболее молодых побегов на ветви резонансных ускорителей — это ускоритель с острой фокусировкой — ОФ. Он обозначен на рисунке цифрой 2. В этом ускорителе кольцевой электромагнит состоит из многих секторов; при каждом переходе от сектора к сектору сгусток ионов получает толчок, ускоряется. Кольцевой магнит так сконструирован, что ускоряемые ионы очень точно придерживаются намеченной орбиты* Благодаря этому ускорительная камера может быть сделана относительно малого сечения. А это, в свою очередь, удешевляет и кольцевой электромагнит. В настоящее время в СССР идет проектирование ускорителя с острой фокусировкой на энергию до 50 млрд. электроновольт.

В последнее время выдвигаются новые проекты еще более мощных ускорителей. Новые замечательные плоды должны созреть на «дереве ускорителей».

ОТ РЕДАКЦИИ

В издательстве «Молодая гвардия» только что вышла книга: Г. Бабат «Ускорители». В ней в популярной форме дано описание этих интересных физических приборов.