Техника - молодёжи 1956-01-02, страница 14

8 — генераторы ускоряющих напряжений, 9 — ускоряющие электроды, 10 — насосные установки. Внизу—схема прохождения пучка протонов сквозь дрейфовые трубки: а) прямолинейная траектория ускоряемых частиц, б) ускоряемые частицы, в) дрейфовые трубки.

вследствие этого постепенно нарастает. Ясно, что чем больше размеры кондуктора и чем лучше он изолирован от земли, тем больше можно увеличить его потенциал, тем выше будет предельное электрическое напряжение, даваемое электростатическим генератором.

Поэтому размеры таких генераторов получались весьма значительными. Диаметр кондуктора в больших электростатических генераторах достигал 5 м. Для размещения таких генераторов требовались высокие, обширные помещения, так как расстояние от поверхности шара — кондуктора — до потолка и стен надо было увеличить настолько, насколько это возможно. Однако, используя только изолирующие свойства воздуха, поднять напряжение выше 3—4 млн. в не удавалось.

Современный электростатический генератор помещают в стальной баллон, куда накачивается под давлением в несколько десятков атмосфер азот или какой-либо другой газ, изолирующие свойства которого лучше, чем у воздуха, вследствие чего напряжение удается повысить уже до 7—8 млн. в.

Несмотря на сравнительно ограниченную величину даваемого напряжения, электростатические генераторы широко применяются в современных физических лабораториях, главным образом вследствие того, что эти генераторы позволяют очень плавно и с большой точностью регулировать получаемое напряжение. Однако физикам для познания природы ядерных сил нужны частицы, обладающие энергиями, равными сотням миллионов и даже сотням миллиардов электрон-вольт.

Частицы с такой энергией наблюдаются в космических лучах — излучении, приходящем на землю из глубин вселенной. Но космические лучи неудобны тем, .что они - вносят большой элемент случайности в эксперимент. Приходится слишком долго ждать того момента, когда в космическом излучении появится частица с той именно энергией, которая нужна в условиях данного опыта.

Для получения частиц со сверхвысокой энергией в лабораторных условиях необходимо было разработать такой метод ускорения; при котором не нужно было бы итти по линии лишь увеличения высокого напряжения.

ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

Чтобы использовать сравнительно небольшую разность потенциалов, равную нескольким десяткам тысяч вольт, для ускорения частиц до энергий, измеряемых сотнями миллионов электрон-вольт, решили заставить заряженные частицы проходить одну и ту же ускоряющую разность потенциалов много раз.

Наиболее простым оказалось расположить на пути заряженных частиц не один ускоряющий промежуток, а целую цепь промежутков, расположенных на одной прямой. Так появился линейный ускоритель, упрощенная схема устройства которого изображена на рисунке. Частицы, предварительно ускоренные в небольшом электростатическом генераторе до энергии порядка

1—2 млн. электрон-вольт, попадают внутрь металлического корпуса, в котором и размещены ускоряющие электроды линейного ускорителя. Они представляют собой медные цилиндрические трубки, расположенные вдоль центральной оси корпуса точно по прямой линии друг за другом. Длина трубок различна и возрастает по мере удаления от исходной части ускорителя.

На каждую пару трубок подается переменное электрическое напряжение от специального высокочастотного генератора. Следовательно, потенциал каждого ускоряющего электрода будет со временем изменяться и по величине и по знаку.

Не будет ли это мешать процессу ускорения?

Ведь для ускорения частицы необходимо, чтобы она всегда проходила такую разность потенциалов, при которой она будет увеличивать свою скорость, а здесь у нас всегда будут такие моменты времени, когда разность потенциалов между электродами станет противоположной по знаку и поэтому может оказать даже тормозящее действие на частицу.

Например, для положительно заряженной частицы нужно, чтобы при подходе ее к первому электроду — первой трубке — потенциал этой трубки был бы максимально отрицателен, а затем, когда частица уже пролетит внутри первой трубки и станет выходить из нее, потенциал этой трубки изменил бы знак и стал бы максимально положительным и как бы подталкивал частицу дальше. В это время потенциал второго электрода (второй трубки) должен стать уже максимально отрицательным. При подходе частицы к ускоряющему промежутку между вторым и третьим электродами опять потребуется, чтобы потенциал второго электрода был максимально положительный, а потенциал третьего — максимально отрицательный и т. д.

Все эти требования легко выполнить, если частица, пролетая от одного электрода к другому, будет всегда во-время, без малейшего опоздания попадать в ускоряющий промежуток именно тогда, когда к нему прилагается максимальная ускоряющая разность потенциалов. Иначе говоря, в линейном ускорителе необходимо строго поддерживать резонанс — точную согласованность — между движением частицы и изменением разности потенциалов на ускоряющих промежутках.

Такое условие характерно для целого класса ускорителей заряженных частиц, называемых поэтому резонансными ускорителями. К ним относятся, кроме линейных ускорителей, почти все циклические ускорители.

Частица, попавшая внутрь любого ускоряющего электрода, не будет уже подвергаться действию электрического поля, так как трубки заслоняют, экранируют движущиеся внутри них частицы от действия электрического поля (по законам физики электрическое поле внутри электрически заряженного полого проводника равно нулю). Частицы внутри трубок движутся поэтому с постоянной скоростью, или, как говорят иногда, «дрейфуют» в них. Отсюда и произошло название ускоряющих электродов линейного ускорителя — трубки дрейфа.

Расчет показывает, что для резонансного ускорения необходимо, чтобы частица была экранирована от действия электрического поля на протяжении одного и того же промежутка времени, в какой бы трубке дрейфа она ни находилась. Следовательно, по мере нарастания скорости частицы от' одной трубки к другой должны поэтому увеличиваться и длины отдельных трубок дрейфа.

Все промежутки между трубками дрейфа являются ускоряющими промежутками, так как именно в них проявляется действие ускоряющего электрического напряжения от высокочастотного генератора. Одно и то же электрическое напряжение при этом используется много раз, так как оно действует не в одном, а в нескольких десятках промежутков. В каждом промежутке частицы получают дополнительные порции энергии и к концу ускорения приобретают энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт.

Ясно, что ускорение частиц может происходить только при наличии вакуума внутри линейного ускорителя. Для этого в составе оборудования ускорителя находятся вакуумные насосы, откачивающие воздух из металлического бака ускорителя до давления 10 ~⁶—10^—6 мм ртутного столба.

Ускоренные частицы, пролетев все трубки дрейфа, вылетают через специальное окошечко из ускорителя и используются для ядерных исследований.

Энергия протонов, полученных на линейЬых ускорителях, пока еще не превышает 40 млн. электрон-вольт. Максимальная же энергия ускоренных электронов достигает 600 млн. электрон-вольт.

Геометрические размеры линейных ускорителей весьма велики. Так, линейный ускоритель протонов на энергию 32 млн. электрон-вольт имеет длину около 20 м.

12