§ 103. Фазотроны

Как было пояснено в предыдущем параграфе, увеличение массы частиц при возрастании их скорости не позволяет в циклотронах сообщать ионам энергию больше нескольких десятков мегаэлектроновольт. Уже при энергии около скорость протонов достигает скорости света. Масса протона возрастает при этом всего на Но, согласно формуле (2), этого оказывается достаточно, чтобы при каждом обороте протон отстал по фазе на 2° от переменного напряжения; в результате после нескольких десятков оборотов протон будет попадать в зазор между дуантами при противоположной фазе напряжения, т. е. электрическое поле будет тормозить его движение. Если к этому моменту энергия протона достигла то в дальнейшем она будет убывать и радиус спиралевидной траектории протона начнет уменьшаться.

Выход из этого принципиального затруднения (его называют «релятивистским») был найден в 1944 г., когда В. И. Векслер в СССР и независимо Мак-Миллан в США открыли явление автофазировки частиц в ускорителях. Если частица по каким-либо причинам пролетает между электродами, создающими переменное ускоряющее поле, в «неподходящий» момент времени (в «неподходящую» фазу изменения этого поля), то при последующих пролетах ситуация улучшается за счет автоматически возникающих ускорения или замедления частицы. Автофазировка имеет место при не слишком больших отклонениях фазы пролета от нормального значения.

Только благодаря использованию явления автофазировки стало возможным создание устойчиво работающих ускорителей релятивистских частиц, дающих достаточно мощные пучки. В фазотроне рост периода обращения частицы за счет роста ее массы с энергией согласно соотношению (2)

компенсируется ростом периода ускоряющего поля. С этой целью в цепь высокочастотного генератора вводят вращающийся, конденсатор. Изменение его емкости изменяет частоту напряжения, подаваемого на ускоряющие электроды. Благодаря автофазировке период обращения частицы колеблется около значений периода изменяющегося ускоряющего поля.

Синхронизацию можно обеспечить и другим способом, т. е. увеличивая напряженность магнитного поля (пропорционально возрастающей массе ионов) до тех пор, пока ускоряемая группа ионов не будет выведена из аппарата. При такой синхронизации частота подаваемого на дуанты напряжения может быть оставлена постоянной. По конструктивным соображениям предпочитают первый из указанных методов — изменение частоты при неизменности магнитного поля.

Чтобы получить протоны с энергией порядка пользуясь циклотроном, необходимо было бы повысить амплитуду напряжения, подводимого к дуантам, до млн. в (как это видно из соотношения, приведенного в конце предыдущего параграфа). Фазотрон позволяет получать протоны с энергией при амплитуде высокочастотного напряжения всего Но фазотрон дает в десятки раз меньший ионный ток, чем циклотрон, так как в фазотроне ускоряется каждый раз (при каждом цикле изменения частоты) толька небольшая группа ионов, а именно только те ионы, движение которых начинается в начале цикла изменения частоты (когда частота проходит через максимум); синхронизация, благоприятная в фазотроне для этой группы ионов, для других ионов, которые были бы ускорены циклотроном, оказывается уже неточной.

Конструктивно фазотроны были разработаны в 1947 г. Бробеком. Фазотрон, построенный в 1948 г. Калифорнийским университетом в Беркли дает протоны с энергией порядка и -частицы с энергией около. Электромагнит этого фазотрона имеет полюсы диаметром (184 дюйма) и весит Фазотрон, построенный. в Чикаго, дает протоны с энергией На дуанты этого -дюймового фазотрона подается переменное напряжение порядка от высокочастотного генератора, который вследствие вращения конденсатора работает с частотой, изменяющейся для каждого ускорительного цикла от 29 до ускорительные циклы следуют один за другим по 60 раз в секунду.

Посредством фазотрона Института ядерных проблем Академии наук СССР (рис. 384) в 1952-1958 гг. были проведены исследования с протонами, ускоренными до энергии и -частицами энергией

Рис. 384. Фазотрон ФИАН СССР: 1 - ярмо основного электромагнита; 2 — полюса электромагнита; 3 — вакуумная камера; 4 - мощный высокочастотный генератор, питающий ускоряющие электроды; 5 — мощный насос для создания высокого вакуума внутри камеры фазотрона; 6 — катушки электромагнита, заключенные в металлический вентиляционный короб; 7 — вентиляционный трубопровод; 8 — экспериментальная лаборатория, сложенная из бетонных плит; 9 — вспомогательный отклоняющий электромагнит; 10 — защитная бетонная стена.

Бомбардировка мишеней пучками ускоренных на этом фазотроне частиц позволяет получать нейтроны с энергией и -мезоны с энергией Полюсы электромагнита (весящего имеют диаметр

Сооружение фазотронов, рассчитанных на энергию ускоренных протонов, большую сопряжено с трудностями конструирования огромных электромагнитов.