В современной физике используют пучки заряженных частиц для
проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Но энергия частиц,
испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно
невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных
источников заряженных частиц высоких энергий - ускорителей.
Известно, что, попав между электродами с разными зарядами, заряженная
частица, например электрон или протон, ускоряет движение под действием
электрических сил. Это явление и породило идею создания в 1930-е гг.
линейного ускорителя.
Линейный ускоритель представляет собой длинную трубу, в которой
поддерживается вакуум (см. рис.). Заряженные частицы (электроны или
протоны) движутся по прямой, последовательно проходя сквозь цепочку
трубчатых электродов (их называют трубками дрейфа). От специального
высокочастотного генератора на электроды подают переменное электрическое
напряжение так, что, когда первый электрод оказывается заряженным,
допустим, положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно и т.
д.
Попадая в ускоритель из электронной <пушки>, пучок электронов под
действием потенциала первого, положительного электрода начинает
ускоряться, пролетая сквозь него. В этот же момент фаза питающего
напряжения меняется, и электрод, только что заряженный положительно,
становится отрицательным. Теперь он уже отталкивает от себя электроны. А
второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны
к себе, еще более ускоряя их. Таким образом, частица ускоряется всякий
раз, когда оказывается в промежутке между соседними трубками дрейфа (его
называют ускоряющим промежутком).
Существующие линейные ускорители позволяют увеличить энергию электронов
до 1 - 10 ГэВ. В ускорителе в Станфорде (США) длиной 3 км достигнута
энергия 20 ГэВ.
Итак, энергия, сообщаемая частицам, зависит от длины ускорителя.
Поскольку линейный ускоритель имеет ограниченную длину, необходимо было
разрабатывать и другие типы ускорителей.
Изучая заряженные частицы, ученые наблюдали их движение в магнитном поле
вокруг магнитных силовых линий. Так возникла идея создания циклотрона.
Основная часть циклотрона - мощный электромагнит. Между его полюсами
помещена вакуумная камера, внутри которой находятся электроды,
напоминающие по форме половинки консервной банки (так называемые дуанты)
и разделенные небольшим зазором (см. рис.). Электроды соединены с
полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится
источник заряженных частиц - протонов. Вылетев из источника, протон
сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный момент
отрицательно. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому
частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, силовые
линии которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает
полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время
первый электрод стал уже положительным и теперь выталкивает частицу, в
то время как другой электрод втягивает ее в себя. Так, переходя из
одного дуанта в другой, частица набирает скорость и описывает
раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью
специальных магнитов на мишени экспериментаторов.
Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем
они становятся тяжелее и начинают постепенно отставать от меняющего свой
знак электрического напряжения на дуантах. Они уже не попадают в такт
электрическим силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую
удается сообщить частицам в циклотроне, составляет несколько десятков
МэВ.
Два способа возбуждения электромагнитной волны в
линейном ускорителе: а - с помощью генератора высокочастотного
напряжения 1 - ионный источник; 2 - пролетные трубки; 3 - мишень; 4 -
генератор; б - с помощью импульсных генераторов - магнетронов или
кристаллов: 1 - ионный источник; 2 - пролетные трубки; 3 - мишень; 4 -
генератор; 5 - волновод; 6 - электростатический ускоритель протонов.
Схема устройства циклотрона: 1 - вакуумная
ускорительная камера; 2 - постоянный магнит; 3 - источник частиц; 4 -
траектория частицы в циклотроне; 5 - электроды для подачи ускоряющего
напряжения.
Один из самых крупных в мире протонный
синхрофазотрон Института физики высоких энергий под Серпуховом.
Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения,
поочередно подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в
такт <отяжелевшим> частицам. Ускоритель такого типа называется
синхроциклотроном, или фазотроном.
На одном из крупнейших фазотронов в Объединенном институте ядерных
исследований в Дубне получают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны
(ядра тяжелого водорода - дейтерия) с энергией 380 МэВ.
По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра,
требовались частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость
строить еще более мощные ускорители - синхротроны и синхрофазотроны, в
которых частицы движутся не по спирали, а по замкнутой окружности в
кольцевой камере. Траекторию частицы поддерживает уже не один магнит, а
большое число магнитных секций, расположенных друг за другом вдоль
кольца. Специальные электростатические или индукционные устройства
разгоняют частицы до громадных энергий.
Один из крупнейших в мире - протонный синхрофазотрон Института физики
высоких энергий под Серпуховом. Длина его кольцевой вакуумной камеры,
находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; он позволяет
реализовать энергию протонов 76 ГэВ.
Максимальная энергия протонов в современных синхрофазотронах - 500 ГэВ.
Растут энергии заряженных частиц, и все глубже проникают физики в
таинственный микромир, открывая неизвестные прежде явления природы.
Могучий арсенал ускорительной техники берут на вооружение многие отрасли
науки и производства. С помощью небольших циклических ускорителей -
бетатронов - получают пучки электронов с энергией порядка 100 МэВ. Их
используют для дефектоскопии в технике и лучевой терапии в медицине.
Пучки быстрых ионов используются в полупроводниковой промышленности для
создания электронных микросхем и т. д.
