§ 176. Синхрофазотрон. Синхротрон

У синхрофазотрона остается уже совсем мало общего с циклотроном. Синхрофазотрон осуществляет ускорение частиц на одной круговой орбите. Это сильно ограничивает объем магнитного поля. Мы можем, так сказать, вырезать всю центральную часть магнита. Количество металла, идущее на магнит, резко уменьшается. Электромагнит синхрофазотрона АН СССР на весит Фазотрон на те же энергии потребовал бы около 1 млн. металла.

Чтобы ускорять частицу на орбите постоянного радиуса, надо менять, и притом вполне согласованным образом, период ускоряющего электрического поля и напряженность магнитного поля. Работа должна происходить импульсным методом. Каждый импульс состоит в нарастании магнитного поля и уменьшении периода электрического ускоряющего напряжения.

При заданном радиусе орбиты однозначная связь напряженности поля и скорости дается формулой

а связь периода обращения со скоростью определяется выражением

Если эти условия выполнены, то некоторая «удачная» частица будет монотонно набирать скорость.

Условия автофазировки имеют место и здесь. Поэтому остальные частицы хотя и не станут описывать круговую орбиту, однако будут идти по траектории, колеблющейся около этой орбиты, и примут участие в синхронном возрастании скорости. Колебания около средней круговой орбиты заставляют делать довольно широкую дорожку для заряженных частиц. Ведутся интенсивные поиски методов сужения этой дорожки, что приведет к сокращению веса металла и, следовательно, позволит добиться еще больших энергий частиц.

Мы говорили до сих пор об ускорителях, применяемых для тяжелых частиц. Ускорители электронов обладают рядом своеобразных особенностей.

Еще в 1941 г. для ускорения электронов был создан ускоритель, получивший название бетатрона. Эта установка работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является обмотка магнита, а вторичной «обмоткой» — пучок электронов,

вращающихся по окружности постоянного радиуса. Иначе говоря, электроны движутся по кольцевой силовой линии вихревого электрического поля, создаваемого переменным магнитным потоком.

На первый взгляд кажется, что такое ускорение может продолжаться беспредельно. Возрастание массы со скоростью не накладывает какого-либо ограничения, так как в этом явлении нет нужды ни в каком синхронизме. Тем не менее бетатрон имеет ограничение. Дело в том, что при энергиях в десятки и сотни становятся чувствительными потери энергии на излучение — ведь ускоренно движущийся электрон излучает электромагнитные волны. В результате излучения траектория электронов из круговой превращается в спиральную, закручивающуюся внутрь, и ускорение становится невозможным. Когда нужны электроны с энергиями бетатроны применяются с успехом. Если мы желаем получить электроны больших энергий, то надо прибегнуть к синхротронам — установкам, предложенным в 1946-1947 гг.

Синхротрон подобен описанному выше фазотрону, т. е. является резонансным ускорителем. К магнитному полю бетатрона добавляется ускоряющее электрическое поле. Механизм ускорения обеспечивается автофазировкой. Однако то обстоятельство, что мы имеем дело с легчайшими частицами, электронами, облегчает задачу конструктора. Дело в том, что уже при энергии скорость электронов практически становится равной скорости света. Но если так, то при дальнейшем возрастании энергии радиус траектории электронов не меняется. Это дает возможность выполнять магнит в виде кольца, как в синхрофазотроне. Но как быть с излучением, ведь оно имеет место и при движении в синхротроне? Для того чтобы компенсировать потери на излучение, приходится увеличивать ускоряющее напряжение.

При больших энергиях потери на излучение достигают внушительных цифр. В ускорителе на и при радиусе орбиты электрон излучает за один оборот энергию Если бы мы построили синхротрон на с радиусом орбиты то потери энергии за один оборот составляли бы

Мощность ускорителей возрастает год за годом. Необходимость в этом диктуется желанием получить уровни энергии барионов и мезонов как можно детальней (см. § 226а).

В пятидесятых годах началось строительство протонных синхрофазотронов. Были пущены в ход машины на в Женеве (Европейская организация ядерных исследований) и на в Брукхейвене (США).

Одним из самых мощных в мире ускорителей элементарных частиц является в настоящее время протонный синхрофазотрон на в городе Серпухове.

Чтобы дать представление о масштабах этих машин, достаточно привести цифры для серпуховского ускорителя: диаметр орбиты вес железа в магните 20000 тонн.