Техника - молодёжи 1959-08, страница 6

(ЩЩ

Если напряжен-кость магнитною поля, наоборот, на-растает по радиусу и благодаря этому принимает втянутую форму, то лоренцова сила выбросит частицу из средней плоскости между магнитами.

может быть осуществлено при 20 млн. электроновольт, развиваемых циклотроном, так как подавляющая часть энергии ускоренных частиц уходит на тепловые потери в мишени. К тому же тратить полученную с таким трудом энергию пучка на разогревание мишени совершенно нелепо. С повышением же энергии частиц доля тепловых потерь уменьшается н при 200 — 300 млн. злектроновольт составляет только 50%, то есть уже половина энергии пучка может быть обращена на ядерные превращения.

Итак, растущие требования науки выдвинули новую задачу — создание ускорителя с энергией фазотрона и с интенсивностью циклотрона. Отмахнуться от этой задачи было уже невозможно.

ПРИМИРЕНИЕ НЕПРИМИРИМОСТИ

До сих пор мы молчаливо предполагали, что напряженность магнитного поля в ускорителе изменяется по радиусу, то есть горизонтальное распределение силовых линий поля образует фигуру вращения. А что получится, если мы откажемся от этого и представим магнитное поле изменяющимся не только вдоль радиуса, но и в направлении, перпендикулярном к радиусу, или, как говорят, по азимуту!

Пусть, например, в плане поле выглядит так, как это показано на рисунке. Тогда траектория частицы будет, естественно, иметь большую кривизну в области сильного поля и меньшую кривизну в области слабого поля, и поэтому летящая частица будет описывать уже не окружность, как в однородном поле (мы не учитываем сейчас действия ускоряющего напряжения), а кривую, показанную на чертеже. Важно обратить внимание на то, что при переходе из области сильного поля в область слабого поля (точка А) частица будет приближаться к центру машины, а при переходе из слабого в сильное поле (точка В) — удаляться от него. Как это скажется на фокусировке частицы?

Мы выделили на рисунке силовые линии на границе раздела сильного и слабого полей. Линии эти будут прогибаться в сторону слабого поля. В районе точки А составляющая движения частицы направлена извне внутрь, к центру машины, а лоренцоеа сила, перпендикулярная к силовым линиям магнитного поля, прижимает частицу к средней плоскости, то есть фокусирует ее. В районе же точки В частица удаляется от центра ускорителя, но прогиб силовых линий здесь противоположен тому, который имеет место в точке А, и, как видно из чертежа, лоренцова сила снова имеет фокусирующую составляющую. Иначе говоря,

и в точке Айв точке В частица попадает в условия движения в бочкообразном поле.

Значит, азимутальное изменение напряженности магнитного поля создает фокусирующий эффект. Это делает необязательным ослабление среднего поля магнита вдоль его радиуса, которое применяется в ускорителях с азкму-тально-однородным полем.

А нельзя ли этот эффект сделать настолько сильным, чтобы он перекрывал расфокусирующее действие увеличения среднего поля вдоль радиуса? Если бы это было возможно, то мы добились бы одновременно и фокусировки и независимости периода оборота частиц от скорости, то есть получили бы в свое распоряжение способ уже непрерывного ускорения частиц до высоких энергий.

Если магнитному полю придать форму «сильных» (бочкообразных) и «слабых» (втянутых) участков (секторов), то разгоняемые в нем частицы будут двигаться по овальной траектории.

Первые приблизительные подсчеты фокусирующего действия азимутального изменения магнитного поля были проделаны еще в 1936 году американским физиком Томасом. Однако последующее успешное развитие ускорителей с переменной частотой на какое-то время разрешило проблему увеличения энергии, и предложение Томаса тогда оказалось преждевременным. Лишь после того как возникла необходимость резко поднять интенсивность пучка ускоренных частиц, ученые снова обратились к идее ускорителей с азимуталь'но-леременными полями, но уже на более высоком научном уровне.

Советские физики В. П. Дмитриевский и Б. И. Замолодчиков, работающие под руководством профессора В. П. Джелепоза в Дубне, разработали проект циклотрона, в котором граница раздела сильного и слабого полей

Таким можно представить себе мысленно азимутально-переменное магнитное поле нового типа ускорителя. На рисунке показана составляющая лоренцовой силы, обеспечивающая фокусировку частицы.

имеет в плане форму не прямой линии, как это предлагалось Томасом, а изогнута и имеет вид спирали Архимеда. В этом случае частица движется под меньшим углом к границе раздела, чем в варианте Томаса, и эффект «бочки» существенно усиливается. Тщательно выполненные в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института расчеты показали, что фокусировка, создаваемая спиральной формой линий раздела, позволяет намного увеличивать среднее поле вдоль радиуса и таким образом обеспечивает независимость периода оборота частицы от скорости до энергии порядка сотен миллионов злектроновольт!

Однако одни расчеты не могли ответить на все вопросы, связанные с разработкой новой машины. Необходимо было создать действующий ускоритель—модель — с энергией в десятки миллионов злектроновольт и экспериментально изучить все явления, возникающие при ускорении частиц в таком ускорителе.

И вот в Объединенном институте ядерных исследований, участниками которого являются 12 социалистических стран, впервые в мире начал работать ускоритель, основанный на новом принципе. Расчеты ученых и инженеров оказались верными. Частицы ускоряются в магнитном поле, которое возрастает вдоль радиуса, и, не рас фокусируясь, доходят до выводного устройства. Одержана еще одна победа человеческой мысли. Но это еще не все. «Молодой» ускоритель тщательно изучается как возможный прототип еще более мощ* ной машины с интенсивностью пучка частиц, в тысячу раз превосходящей интенсивность, получаемую от современного фазотрона.

УПРОЩЕННАЯ СХЕМА УСКОРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ (сверху вни

ПРОТОНА В УСКОРИТЕЛЯХ

з)

•CZ>

В разрядной (катодной) трубке из-за опасности пробоя изоляции ускоряющее напряжение не может быть очень велико, вследствие чего энергия ускоряемых частиц (протонов) не превышает 20 тыс. электроновольт.

В обычном циклотроне разгоняемая частица по мере ее «утяжеления» постепенно отстает от ускоряющего напряжения, вследствие чего протон нельзя разогнать до энергии, превышающей 20 млн. электроновольт.

В синхроциклотроне и синхрофазотроне частота импульсов ускоряющего напряжения постепенно и периодически уменьшается пропорционально отставанию «отяжелевших» частиц, благодаря чему они могут быть ускорены до энергии, достигающей в синхроциклотроне 600 млн. электроновольт, а в сии* хрофазотроие — 10 млрд. электроновольт и больше. Однако эти частицы можно получать только в виде небольших «порций» малой интенсивности.

Циклический ускоритель, магнитное поле которого имеет «азимуталь-но-переменную» форму, позволяет получать непрерывный поток ускоренных частиц, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность в синхрофазотроне.

4