§ 174. Ускорители заряженных частиц

По сути дела, ускорителями заряженных частиц являются и такие приборы как электронная лампа, рентгеновская трубка, электронная пушка. Однако этот термин закрепился за установками, которые создают потоки заряженных частиц (электронов, протонов, дейтонов и т. д.), движущихся со скоростями, близкими к скорости света; такие потоки предназначены для воздействия на вещества. Цели такого воздействия могут быть самыми различными: изучение ядерных превращений, создание радиоактивных изотопов, медицинские цели, химические воздействия и т. д. Роль ускорителей в современной науке исключительно велика.

Разумеется, можно ускорить частицу вплоть до любых энергий, заставляя ее проходить последовательно ускоряющие поля. Однако для создания частиц с энергиями в десятки тысяч электрон-вольт необходимы отрезки пути порядка многих сантиметров. Современная физика стремится к получению потоков частиц с энергией в десятки миллиардов электрон-вольт. Линейный ускоритель, нужный для такой цели, должен был бы иметь длину в десятки километров. Линейный ускоритель огромной длины построен в Станфорде в США. Несмотря на частичные достоинства, такое лобовое решение вопроса нельзя считать оптимальным.

Основная идея, положившая начало конструированию ускорителей, основанных на циркулярном принципе, принадлежит Лоуренсу. В одной установке объединяется ускорение частицы электрическим полем и ее многократное возвращение к тому же ускоряющему промежутку с помощью магнитного поля. Первые ускорители, основанные на этой идее, получили название циклотронов.

Схема циклотрона показана на рис. 206. Чтобы представить себе ускорительную камеру, вообразите плоскую круглую конфетную коробку, разрезанную по диаметру. Две половины большой металлической коробки, называемые дуантами, и составляют основную часть ускорительной камеры. На дуанты накладывается переменное электрическое поле определенного периода Т. Вся эта система помещается между полюсами электромагнита, создающего внутри коробки перпендикулярно к ее основанию сильное постоянное магнитное поле.

Напряженность магнитного поля подбирается в соответствии с установленным периодом изменения электрического напряжения. А именно, напряженность поля должна иметь такое значение, чтобы период вращения в таком поле (а он выражается, как мы. знаем,

формулой равнялся бы периоду изменения электрического поля. При таком условии все заряженные частицы, попадающие в ускорительную камеру, подхватятся полями и начнут спиральное ускоряющее движение с неизменным периодом Действительно, попавшая в промежуток между дуантами частица получит ускорение, пройдет половину окружности в магнитном поле и подойдет к ускорительному промежутку как раз в тот момент, когда фаза напряжения изменится на частица опять ускорится в том же направлении и попадет внутрь другого дуанта, где пройдет полуокружность с возросшим радиусом.

Рис. 206.

Далее процесс повторяется, скорость частицы растет и, наконец, мы выпускаем их из циклотрона.

Возможности циклотрона ограничены. Дело в том, что по мере возрастания скорости частицы растет и ее масса, а значит, меняется период обращения в магнитном поле. Период обращения начинает увеличиваться и частица начинает запаздывать: она приходит к ускоряющему промежутку в момент, когда фаза напряжения изменилась не на 180°, а на большую величину. Это запаздывание нарастает, и в конце концов получится так, что электрическое поле не только не будет подхватывать частицы, но будет тормозить их. Расчеты показывают, что предельная энергия, которую циклотрон может сообщить заряженной частице, выражается формулой что дает для протонов 22 миллиона электрон-вольт ( и в три раза большую величину для -частиц. Для достижения больших энергий надо искать новые пути.