Техника - молодёжи 1959-08, страница 5

ГРОН... ТРОН-ДАЛЬШЕ?

Рис. В. КАЩЕНКО

ставать от скорости перемены высокочастотного поля на щели и выбьются из ритма ускорения. Если же сделать поле возрастающим, то его силовые линии примут втянутую внутрь форму и вертикальная составляющая лоренцовой силы моментально уведет частицы на крышки дуантов. Невозможность совмещения фокусировки с преодолением эффекта теории относительности приводит к тому, что циклотрон может ускорять протоны лишь до энергии 10 — 20 млн. элекгроновольт, или примерно до энергии частиц при естественной радиоактивности. Правда, по интенсивности потока ускоренных частиц циклотрон заменяет несколько килограммов радия и поэтому является ценнейшим инструментом для широких исследований.

ля. Значит, при настройке частоты переменного электрического напряжения на ускоряющей щели для определенных частиц (например, протонов) нужно сообразовываться лишь с напряженностью магнитного поля, то есть делать частоту постоянной. По <мере увеличения скорости частицы увеличивается действующая на нее центробежная сила, вследствие чего 'возрастает и радиус вращения, то есть каждая частица следует по спиралеобразной кривой, пока не вылетит из циклотрона на мишень.

Факт независимости периода оборота частицы от ее скорости приводит к тому, что одним и тем же правильно подобранным ритмом генератора электрических колебаний ускоряются частицы, находящиеся на всех радиусах, то есть процесс ускорения является непрерывным.

Такова остроумная схема действия циклотрона. Она подкупает своей простотой и изяществом. Однако при более пристальном ее изучении обнаруживаются два слабых места.

Первое. Чтобы частицы не уходили на нижнюю или верхнюю крышки дуантов, нужно 'Предусмотреть механизм, устраняющий их отклонения от средней (горизонтальной) плоскости, то есть обеапечить их фокусировку. Для этого магнитное поле циклотрона от центра к краям должно слегка уменьшаться. Магнитные силовые линии, которые стремятся «выпучиться» в сторону слабого лоля, в этом случае примут форму «бочки», и составляющая лоренцовой силы тем самым не позволит частицам уйти вверх или вниз от средней плоскости.

Второе. При очень больших энергиях (для протонов — 'ОКОЛО 10 млн. электроновольт) становится заметным увеличение массы частицы, вытекающее из теории относительности. По мере увеличения радиуса вращения, вытекающего из увеличения скорости, частицы будут все более и более утяжеляться и тем самым труднее поддаваться ускорению. Единственным способом сохранить неизменным период оборота является увеличение магнитного поля с радиусом по такому же закону, по которому увеличивается масса частицы.

Получается. что способы борьбы с этими двул^я основными недостатками циклотрона взаимно противоположны. Если мы не создадим магнитного поля, возрастающего по радиусу, потяжелевшие быстрые частицы начнут от

НОВОЕ В ГОНКЕ С ПОДСТЕГИВАНИЕМ

Но физикам нужны значительно большие энергии!

После долгих поисков метод преодоления энергетического барьера был все же найден. Так как с увеличением энергии частицы возрастает период ее оборота, то возникла мысль соответственно увеличивать во времени период электрических колебаний, подводимых к ускоряющему промежутку, то есть постепенно уменьшать частоту этих колебаний. Согласно так называемому принципу автофазировки, предложенному советским ученым В. И. Векслером в 1944 году, достаточно выдерживать лишь приблизительное соответствие между увеличением периода частицы и периода поля на промежутке, чтобы частицы захватывались в устойчивый режим и ускорялись до самых высоких энергий, не выпадая из ритма.

Явление автофазировки легло в основу последующего конструирования ускорителей с переменной частотой — фазотронов и синхрофазотронов. В этих машинах компенсация эффекта увеличения периода оборота частицы обеспечивалась изменением частоты электрического поля, и поэтому магнитному полю можно было теперь придать фокусирующие свойства, то есть сделать его бочкообразным.

Создание ускорителей нового типа было связано с огромными техническими трудностями, так как из-за значительно возросшей скорости частиц возрастала центробежная сила и радиус машины приходилось измерять уже не десятками сантиметров, как в циклотроне, а десятками метров. Однако

Если напряженность магнитного поля циклотрона уменьшается по направлению от центра к краю магнита (вдоль его радиуса), то силовые линии его изменяются — они выпучиваются в сторону слабого поля, напоминая по форме деревянную бочку.

В магнитном поле, уменьшающемся по радиусу и вследствие этого принимаю-щем форму «бочки», лоренцова сила не позволяет частице уходить вверх или вниз от средней плоскости между полюсами магнита (фокусирует ее).

огромные разрушители ядер атомов сооружались и выполняли свое назначение. На этих машинах был открыт антипротон |И другие новые частицы.

НОС ВЫТАЩИШЬ, ХВОСТ ЗАВЯЗНЕТ!

То, чем пришлось поступиться в погоне за энергией, была интенсивность (плотность) потока ускоренных частиц. Действительно, в ускорителях с переменной частотой мы имеем дело только со строго определенной порцией частиц и разгоняем эту порцию до высокой энергии. Чтобы ускорить следующую порцию частиц, нужно вновь вернуть частоту генератора к величине, соответствующей исходному уровню энергии, и повторить весь цикл разгона заново. Таким образом, вместо непрерывного ускорения, имеющего место в циклотроне, мы приходим к импульсному ускорению * синхрофазотроне. Например, в величайшем ускорителе мира — синхрофазотроне Объединенного института ядерных исследований — одна порция протонов разгоняется за три секунды. Ясно, что средний ток в пучке у импульсных ускорителей получается несравнимо меньшим, чем ток в циклотроне.

В свете тех задач, которые стояли перед мощными ускорителями, — обнаружение принципиально новых явлений в ядерных превращениях — потеря интенсивности пучка частиц не особенно беспокоила физиков. Но с течением времени она становилась все более и более ощутимой. Все чаще ученые многих стран стали задумываться над тем, как сохранить высокую энергию разгоняемых частиц и в то же время увеличить интенсивность лучка.

Беспокоиться об этом заставляла сама жизнь. Если для глубоких экспериментов достаточно получить десяток однотипных фотографий ядерных процессов, то для анализа более тонких свойств ядра их нужны уже тысячи. Как говорят ученые, для точной теории нужна большая «статистика», а собрать большое количество фактов для такой статистики можно при высокой интенсивности потока частиц в ускорителе.

Дальше. При изучении короткоживу-щих изотопов необходимо бомбардировать мишень очень плотным пучком, иначе объект исследования не будет даже обнаружен.

И, наконец, любое промышленное применение искусственной радиации (а таких применений, несомненно, будет немало) также нуждается в большой интенсивности потока частиц, но не

3