Техника - молодёжи 1956-01-02, страница 15

ЦИКЛОТРОН

Известно, что электрически заряженная частица, попавшая в магнитное поле, движется в нем по криволинейным траекториям, как бы «закручивается» магнитным полем. Это действие магнитного поля на заряженные частицы широко использовано во всех типах циклических ускорителей. В процессе ускорения частицы заставляют проходить не через несколько десятков, а через один и тот же или через два ускоряющих промежутка, что позволяет постепенно накапливать и наращивать их энергию.

Первым типом циклического ускорителя был циклотрон, изобретенный американским физиком Лоуренсом в 1930 году.

Самой тяжелой его частью является Ш-образный электромагнит, обмотки которого питаются постоянным током. Между полюсами электромагнита помещена вакуумная камера: коробка из немагнитного металла — латуни. К камере подходит цилиндрический раструб из листовой меди, к которому подсоединен фидер генератора высокой частоты. Этот раструб и является резонансной электрической линией, по которой переменное электрическое напряжение подается на так называемые дуанты — ускоряющие электроды циклотрона. Дуанты, похожие на разрезанную по диаметру плоскую консервную банку, помещены в вакуумную камеру. Внутри камеры, точно в центре магнитного поля, стоит ионный источник, откуда выходят нужные для ускорения ионы — протоны, дейтероны или альфа-частицы. Постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости камеры, заставляет частицы концентрироваться вблизи средней плоскости магнита и двигаться по дугам окружностей. Частицы, попав в ускоряющий промежуток, получают в нем порцию энергии, которая зависит от величины амплитуды высокочастотного напряжения, поданного на дуанты. Чем больше эта амплитуда, тем значительнее будет прирост энергии частицы за одно прохождение через ускоряющий промежуток.

Двигаясь по круговой траектории, частица войдет внутрь дуанта. Там она, так же как и внутри трубки дрейфа в линейном ускорителе, будет экранирована от действия электрического поля. На нее будет действовать только постоянное магнитное поле, которое заставит частицу описать внутри дуанта полуокружность и снова подведет частицу к ускоряющему промежутку. Если успеть за это время, пока частица летит внутри дуанта, переменить направление ускоряющего электрического поля, действующего в промежутке между дуантами, то частица, попав в него, снова ускорится и войдет во второй дуант и т. д. Для выполнения этого условия нужно, чтобы соблюдался резонанс между движением частицы и переменным электрическим полем. Расчеты показывают, что резонансное ускорение будет осуществляться, если частота ускоряющего электрического напряжения выбрана равной частоте обращения частицы в магнитном поле.

Пройдя несколько сотен раз через два ускоряющих промежутка между дуантами, частица, двигаясь по развертывающейся спирали, достигнет предельной для данного циклотрона энергии и с помощью специального устройства может быть выведена наружу. В простейшем случае такое устройство представляет собою изогнутую по дуге окружности пластину, помещенную внутри камеры, вблизи от выходной щели. Подав на эту пластину напряжение порядка сотен киловольт, пучок частиц можно отклонить в сторону и направить в выходную щель. Практически на циклотронах нельзя сообщить ускоряемым дейтеронам энергию выше 40—50 млн. электрон-вольт, а протонам выше 20—25 млн. электрон-вольт. В чем причина этого?

ФАЗОТРОН

Известно, что при движении частиц со скоростями, близкими к скорости света (равной приблизительно 300 тыс. км/сек), масса этих частиц увеличивается тем больше, чем ближе их скорость к скорости света.

В результате этого при некоторой энергии, соответствующей для протонов примерно 25 млн. электрон-вольт, увеличение массы ускоряемого протона начинает резко нарушать ритм процесса ускорения в циклотроне. Утяжеленная частица после прохождения ускоряющего промежутка движется внутри дуанта по дуге окружности несколько большего радиуса, чем это требуется для ее резонансного ускорения, и поэтому приходит к следующему ускоряющему промежутку с небольшим опозданием, когда амплитуда ускоряющего напряжения уже не максимальна, а имеет какое-то другое, меньшее . значение.

Ускорительная камера циклотрона с дуантами и резонансными линиями. Справа — схема движения заряженных частиц в ка-мере циклотрона: а) дуанты (ускоряющие электроды), б) спиральная траектория частиц, в) ускоряемые частицы.

Здесь протон, получив уже меньшую порцию энергии, начнет двигаться в дуанте по дуге окружности еще большего радиуса, чем это требуется условиями резонанса, и т. д. Так будет продолжаться, пока протон не придет к ускоряющему промежутку в тот момент времени, когда ускоряющее напряжение на нем будет равно нулю. С этого момента протон уже не получит никакого прироста энергии, а через следующие полоборота в магнитном поле он подойдет к щели между дуантами в тот момент, когда напряжение на них изменит знак и электрическое поле между ними станет уже не ускорять частицу, а, наоборот, тормозить.

Как избежать этого неприятного эффекта? Над этим физики думали больше десяти лет. Только в 1944 году советским физиком В. И. Векслером и, независимо от него, в 1945 году американским физиком Е. М. Мак-Мил-ланом был дан ответ. Было известно, что для того чтобы процесс ускорения частицы продолжался, необходимо каким-либо способом скомпенсировать описанное выше релятивистское (вытекающее из теории относительности) увеличение массы. Этого можно достичь либо постепенным уменьшением частоты ускоряющего напряжения, либо таким же нарастанием магнитного поля, «закручивающего» частицы.

При постепенном уменьшении частоты ускоряющего напряжения «отяжелевший» протон хотя и будет двигаться с некоторым замедлением, но тем не менее будет попадать в ускоряющий промежуток точно в нужное время. За время, потраченное протоном на прохождение пути внутри дуанта, особое устройство, называемое вариатором, вносит поправку в процесс изменения ускоряющего напряжения — делает этот процесс более медленным, то-есть уменьшает частоту генератора.

Изменение частоты во времени выбирается заранее так, чтобы на протяжении всего цикла ускорения частица всегда двигалась в резонанс с изменениями напряжения на дуантах. Так как процесс ускорения теперь зависит от периодического изменения частоты генератора, то на выходе из ускорителя мы будем иметь уже не непрерывный, как в циклотроне, а пульсирующий, прерывистый поток отдельных порций ускоренных частиц.

Заслуга В. И. Векслера состояла в том, что он, анализируя подобный механизм ускорения частиц и учитывая рост их релятивистской массы, установил и использовал так называемый «принцип автофазировки». Оказалось, что благодаря действию механизма автофазировки в процесс ускорения вовлекаются при определенных условиях не только те частицы, которые прилетают в ускоряющий

13