§ 105. Синхротроны и синхрофазотроны

В связи с ограничением возможной мощности бетатрона, которое создается излучением электронов, более перспективным является аппарат, совмещающий принцип действия бетатрона с принципом действия циклотрона или, точнее, фазотрона (§ 103). Такие аппараты для ускорения электронов называют синхротронами, а аналогичные аппараты для ускорения ионов синхрофазотронами.

В начале каждого цикла синхротрон ускоряет электроны по принципу бетатрона, т. е. электрическим полем, которое индуцируется изменяющимся магнитным потоком. Но менее чем через тысячную долю секунды, когда электроны уже успевают набрать энергию порядка и скорость их становится близкой к скорости света, бетатронный режим работы автоматически заменяется режимом ускорения электронов электрическим полем, которое создается высокочастотным генератором.

Ускорительная камера синхротрона имеет такую же тороидальную форму, как у бетатрса, и в ней, так же как и в камере бетатрона, поддерживается высокий вакуум. Камера эта помещена между кольцевыми полюсными наконечниками электромагнита (рис. 388), имеющими ширину порядка 10 см. Электромагнит, как и у бетатрона, питается переменным током. Внутри камеры имеются два близко расположенных друг к другу электрода, к которым подводится напряжение от высокочастотного генератора. Каждый раз (во второй части цикла), когда электроны проходят зазор между этими электродами, они ускоряются электрическим полем высокочастотного генератора.

Рис. 388. Схема электромагнита синхротрона: 1 — полюсные наконечники кольцевой формы; 2 — сердечник; 3 — тороидальная ускорительная камера; 4 — обмотки электромагнита.

Но в начальной стадии ускорительного цикла коротковолновый генератор отключен от электродов. Начальный разгон электронов, поступающих в ускорительную камеру из электронной пушки (расположенной в камере синхротрона приблизительно так же, как в бетатроне), осуществляется, как уже упоминалось, электрическим

полем, которое индуцируется нарастающим магнитным потоком электромагнита.

Кольцевые полюсные наконечники, между которыми расположена ускорительная камера, делают из весьма тонких (около листов динамной стали. Чтобы обеспечить устойчивость электронной орбиты (§ 104), полюсным наконечникам придают такую форму, что напряженность поля между ними уменьшается при удалении от центра приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из радиуса (точнее, пропорционально Центральный сердечник электромагнита устроен так, что при намагничивании он быстро насыщается. Пока возрастает магнитный поток, проходящий через сердечник, электроны в камере ускоряются индуцированным электрическим полем. Насыщение сердечника вызывает автоматическое подключение к электродам ускорительной камеры высокочастотного генератора, и дальнейшее (основное по своей величине) ускорение электронов производится полем, которое создается этим генератором.

Рис. 389. Синхротрон.

В этой второй циклотронной стадии ускорительного цикла обеспечивается такое увеличение со временем напряженности магнитного поля между полюсными наконечниками, что величина все время остается пропорциональной возрастающей со скоростью массе ускоряемых электронов. Поэтому время, в течение которого ускоряемые электроны описывают окружность, определяемое формулой остается достоянным. Радиус орбиты электронов, определяемый формулой также практически остается постоянным, так как в первой бетатронной стадии ускорительного цикла электроны разгоняются до скорости, близкой к скорости света.

Таким образом, в синхротроне, в отличие от фазотрона, высокочастотный генератор работает при постоянной частоте и устранено возрастание радиуса орбиты ускоряемых частиц. Весь

ускорительный цикл в синхротроне завершается меньше чем за одну четверть периода изменения тока, питающего электромагнит.

В связи с тем, что в синхротроне для ускорения электронов может быть подведена (за счет мощности, отдаваемой высокочастотным генератором) значительно большая энергия, чем в бетатроне, предельное ускорение, которое способен сообщить электронам синхротрон, намного превышает предельное ускорение бетатронов.

Теория синхротронов (в устройстве которых использованы идеи, высказанные В. М. Векслером и Мак-Миланом в 1944-1946 гг.) была детально разработана в 1946-1947 гг. Хилеем, Франком и др. Конструктивная отработка синхротронов началась в 1947 г. После испытания нескольких небольших моделей в конце того же 1947 г. был построен и устойчиво работал синхротрон, дававший электроны с энергией около (рис. 389). Первые построенные в США синхротроны на и в Англии на работали при небольшой частоте повторения ускорительных циклов (2—6 в 1 сек). В Физическом институте АН СССР в 1949 г. был введен в эксплуатацию более совершенный синхротрон, в котором частота повторения ускорительных циклов доведена до 50 в 1 сек. Синхротрон ФИАН СССР характеризуется следующими параметрами:

(см. скан)

В последние годы некоторыми лабораториями были сооружены синхротроны на энергии более

С помощью синхротрона в 1957 г. в Калифорнийском университете при облучении веществ тормозными фотонами с энергией была осуществлена реакция фоторождения гиперонов и тяжелых мезонов

Успешная конструктивная отработка синхротронов позволила поставить и решить задачу создания аналогичного аппарата для ускорения ионов — синхрофазотрона. В мощных синхрофазотронах радиус стабильной орбиты ускоряемых протонов (или других ионов) имеет порядок и более. Этим определяются размеры огромного электромагнита, между полюсными наконечниками которого помещается ускорительная камера; кольцевые электромагниты синхрофазотронов весят тысячи тонн. Предварительное ускорение протонов (направляемых затем системой магнитов и электродов в камеру

синхрофазотрона) осуществляют посредством особого линейного ускорителя (§ 106); в предварительном ускорении протонам сообщается энергия в несколько мегаэлектроновольт. В первой, бетатронной стадии ускорительного цикла протоны набирают энергию в несколько десятков мегаэлектроновольт. При этом их скорость остается в несколько раз меньшей скорости света. Основное ускорение до энергии в тысячи мегаэлектроновольт производится во второй стадии цикла переменным электрическим полем высокочастотного генератора.

Рис. 390. Схема синхрофазотрона: I — предварительный линейный ускоритель; 2 — система ввода протонов в ускоритель; 3 - электромагнитные блоки; 4 — вакуумная камера; 5 — вакуумный насос; 6 — выводное устройство к мишени.

Существенное возрастание скорости протонов в этой второй стадии (когда в синхротроне скорость электронов практически уже постоянна) значительно осложняет расчет и устройство синхрофазотрона. Частоту ускоряющего поля приходится в течение каждого ускорительного цикла плавно увеличивать.

Первый мощный синхрофазотрон был построен в 1952 г. в США (в Брукхавене); его назвали «космотрон». Он дает протоны, ускоренные до Стоимость этого сооружения 7 млн. долларов. Кольцевая ускорительная камера брукхавенского синхрофазотрона состоит из четырех квадрантов, каждый длиной около (диаметр стабильной орбиты ускоряемых частиц В поперечном сечении камера имеет размеры Вакуум в ней поддерживают 12 больших диффузионных насосов. Кольцеобразный магнит имеет поперечное сечение и весит Мощность альтернатора 21 000 квт.

В 1957-1958 гг. в США в Брукхавенской лаборатории с помощью этого синхротрона были получены -мезоны с энергией и детально изучено образование гиперонов при соударении

-мезонов с протонами (в реакциях им аналогичных).

В 1953-1954 гг. в США (в Беркли) был построен еще более мощный синхрофазотрон (названный «беватрон»). Он дает протоны, ускоренные до (20 импульсов в минуту по 100 млн. частиц в импульсе).

Рис. 391. Внешний вид синхрофазотрона Объединенного института ядерных исследований на один из четырех квадрантов электромагнита; 2 — блок электромагнита; 3 — шкаф системы высокочастотного питания электродов; 4 — коробка, внутри которой размещен ускоряющий электрод; бак с жидким азотом для обеспечения работы вакуумной системы ускорителя; 6 — шкафы и пульты системы управления контроля и сигнализации; 7 — в этой стене сделана амбразура, через которую ускоренные частицы попадают в экспериментальный зал; 8 — переходной мостик.

В 1955-1957 гг. советскими инженерами и учеными был сооружен синхрофазотрон на переданный правительством СССР Объединенному институту ядерных исследований (рис. 390 и 391).

Ниже приведены некоторые сведения о нем,

Радиус стабильной орбиты

Наружный диаметр кольцевого электромагнита

Общий вес кольцевого электромагнита

Мощность питания электромагнита (что превышает мощности Днепрогэса).

Каждый квадрант кольцевого электромагнита собран из 12 блоков -образной формы весом по

Полюсные наконечники каждого блока служат одновременно нижней и верхней крышками вакуумной камеры, и расчетное положение их фиксировано с точностью до десятых долей миллиметра.

Между квадрантами кольцевого электромагнита имеются четыре промежутка, каждый длиной по в двух из них размещены ускоряющие электроды; в двух других системы ввода и вывода ускоряемых частиц.

Предварительное ускорение протонов осуществляется в линейном ускорителе, в который протоны поступают из ионного источника и форинжектора с энергией и из которого выходят в камеру синхрофазотрона с энергией

В ускорительном цикле при каждом обороте по стабильной орбите протоны приобретают энергию Ускорительный цикл продолжается 3,3 сек; за это время протоны совершают около 4 млн. оборотов по орбите и проходят путь, в 2% раза превышающий расстояние от Земли до Луны.

Частота повторения ускорительных циклов 5 в минуту.

Частота коротковолнового генератора, создающего ускоряющее электрическое поле, в течение ускорительного цикла плавно увеличивается от 0,182 до

Вакуум в ускорительной камере (порядка поддерживается работой 56 мощных насосов.

Защитная бетонная стена, отделяющая лабораторию от синхрофазотрона, имеет толщину

Синхрофазотрон обслуживают: 6000 различных реле, автоматов и контакторов; 2000 контрольно-измерительных приборов; свыше 2000 различных аппаратов управления (электрокабели, соединяющие эту аппаратуру, имеют длину около

Ввод в эксплуатацию синхрофазотронов привел к ряду важных открытий. В 1955 г. при опытах с протонами, ускоренными в беватроне Калифорнийского университета (в Беркли), Лоуренс, Сегре и их сотрудники открыли антипротоны — частицы с массой протона, но заряженные отрицательно. В этих опытах было установлено, что столкновение протона, имеющего энергию с ядром атома меди приводит к одновременному появлению протона и антипротона. Было установлено также, что антипротон устойчив в вакууме (не распадается самопроизвольно). Но когда антипротон встречается с протоном, обе частицы превращаются в мезоны. По следам в эмульсии фотопластинок были изучены десятки случаев такой «аннигиляции» протона и антипротона (точнее, их превращения в мезоны).

Опыты по облучению мишеней протонами, ускоренными в беватроне, доставили также важные сведения об условиях возникновения и распада тяжелых мезонов и гиперонов; это привело к пересмотру одного из принципов волномеханического расчета некоторых ядерных процессов (так называемого «сохранения четности»; § 111, п. 4).

Для решения многих вопросов ядерной физики энергия частиц порядка еще не достаточна. В связи с этим в СССР проектируется сооружение синхрофазотрона на

Синхрофазотрон будет иметь средний диаметр, электромагнита почти в полкилометра (470 м). Здание для него предположено соорудить в форме кольца, заглубленного в землю. Чтобы уменьшить вес электромагнита (до 22 тыс. т), в этом синхрофазотроне будет осуществлена «жесткая фокусировка» пучка ускоряемых частиц магнитным полем. Электромагнит будет состоять из 120 блоков (из них: 60— фокусирующих по вертикали, 45— фокусирующих по горизонтали и 15— компенсирующих). Система фокусировки позволит уменьшить поперечное сечение ускорительной камеры до .

В Австралии в 1957-1958 гг. (по идее и под руководством президента Австралийской академии наук М. Л. Олифанта) осуществлялось сооружение синхрофазотрона на без применения железа для кольцевого электромагнита, который будет представлять собой систему проводников, обтекаемых импульсами тока в миллионы ампер.

Генерирование столь больших токов будет производиться резким затормаживанием четырех -тонных металлических дисков, вращающихся между полюсами магнита (который предназначался для циклотрона). Сверхмощный ток будет сниматься с подвижных дисков струями расплавленного натрия и калия. Весь генератор будет помещен в атмосферу гелия.

В Швейцарии в начале 1960 г. введен в эксплуатацию синхрофазотрон на