10-10. Высокие энергии без высоких напряжений
Высоковольтная установка любого типа, любой конструкции не может дать напряжение больше нескольких миллионов вольт. А этого едва достаточно, чтобы вызвать некоторые наиболее легко осуществимые ядерные реакции. Для детального же изучения структуры атомного ядра необходимо бомбардировать его заряженными частицами с энергиями, в тысячи раз большими, чем те, которые можно получать на высоковольтных установках.
Атака атомного ядра при помощи снарядов, ускоренных на высоковольтных установках, может вестись только до определенного рубежа. Дальнейшее продвижение в глубь структуры ядра требует во много крат более «энергичных» снарядов. Это стало ясно уже в 20-х годах, когда высоковольтные установки еще далеко не достигли своего предела и продолжали интенсивно развиваться. Уже тогда прозорливые исследователи видели предел роста напряжений в высоковольтных установках и предлагали обходные пути для дальнейшей атаки атомного ядра. Были, в частности, предложены методы получения заряженных частиц высоких энергий без применения высоких напряжений для их ускорения. Сущность этих методов заключалась в многократном воздействии на заряженные частицы относительно низким ускоряющим напряжением.
Высоковольтные установки продолжают строиться и сейчас на все большие мощности и на все большие токи. Эти установки широко используются для различных исследований в области ядерной физики, а также для создания новых технологических процессов в промышленности (радиационная химия, стерилизация и т. д.).
Но важнейшим инструментом современной ядерной экспериментальной физики являются ускорители, в которых нет сверхвысоких электрических напряжений, а заряженные частицы в них тем не менее приобретают энергии уже не в миллионы, а в миллиарды электроновольт. В вакуумных камерах этих ускорителей действуют электромагнитные вихри и высокочастотные электромагнитные поля. В игре с электромагнитными волнами заряженные частицы приобретают колоссальные энергии.
10-11. Вихрь вместо горы
Помешайте чай в стакане. Образуется воронка — вихрь. Вихрь увлекает, ускоряет чаинки, крупинки сахара. Но это ускорение происходит иначе, чем ускорение под действием силы тяжести — при падении, например, тела с вершины горы.
У вихря нет ни вершины, ни подножья. У него нет ни начальных, ни конечных точек. Вихрь подхватывает предмет, который в него попадает, и все кружит и кружит его по замкнутому пути.
Всякое изменение магнитного поля во времени создает (индуктирует) электрический вихрь. В ускорительной камере в безвоздушном пространстве также можно создать электрический вихрь — электрические силы, которые не будут иметь ни начала, ни конца на электродах, а будут действовать по замкнутому пути. И этот электрический вихрь будет кружить, ускорять попавшую в него заряженную частицу.
Если через катушку из проволоки пропускать постоянный ток, то внутри катушки возникнет постоянный магнитный поток. Но если силу тока изменять, то будет меняться и магнитный поток. Внутри катушки и вокруг нее возникнут электрические вихри. Такие вихри существуют во всех трансформаторах переменных токов: и в тех, что снабжены сердечниками из нажимных материалов (низкочастотные трансформаторы), и в тех, что не имеют сердечников (высокочастотные трансформаторы).
Электрические вихри успешно применяются для ускорения электронов.
Из изоляционного материала (керамики, стекла) делают кольцевую трубку, попросту говоря, большой бублик, из которого тщательно выкачивают воздух (рис. 10-8). Над этой вакуумной камерой и под ней расположены катушки, витки которых параллельны кольцевой ускорительной камере. Через катушки пропускают сильный переменный ток. Он возбуждает электрический вихрь внутри вакуумного бублика. В этом же бублике находится раскаленный катод, испускающий электроны. Электрический вихрь (взаимодействие электрических и магнитных сил) увлекает их и заставляет двигаться по круговым путям. Как волчок, подстегиваемый хлыстом, крутится все быстрее и быстрее, так и электроны, увлекаемые нарастающим электромагнитным полем, с каждым оборотом увеличивают свою скорость. При каждом обороте сгусток электронов получает небольшую порцию энергии — всего несколько единиц электроновольт. Но электроны летят со скоростью, близкой к скорости света. И за короткое время одного полупериода переменного тока, питающего катушки этого ускорителя, они успевают сделать много тысяч оборотов и набрать большую энергию. Электроны проходят за один полупериод переменного тока огромный путь и разгоняются так, словно скатились с «электрической горы» высотой в несколько десятков миллионов вольт.
Рис. 10-8. Схема вихревого ускорителя электронов — бетатрона.
В тороидальной вакуумной камере помещаются источник электронов (раскаленный катод) и мишень, о которую электроны должны удариться после цикла ускорения. Вакуумная ускорительная камера помещена между полюсами магнита переменного тока. Полюсным наконечникам магнита придана коническая форма, благодаря чему с увеличением радиуса плотность магнитного потока слабеет и магнитные силовые линии имеют выпуклость наружу. Такая форма магнитных силовых линий обеспечивает вертикальную устойчивость ускоряемого сгустка электронов. Для обеспечения радиальной устойчивости электронов на орбите необходимо, чтобы напряженность магнитного потока спадала не слишком быстро с увеличением радиуса.
Электрический вихрь увлекает электроны в одну сторону только в течение одного полупериода переменного тока, пока изменение тока идет в одну сторону — скажем, от максимального отрицательного значения к максимальному положительному. Затем в следующий полупериод, когда ток начинает изменяться в другую сторону, возникает вихрь противоположного направления. Он будет тормозить электроны, которые были ускорены в предыдущем периоде. Поэтому в конце каждого полупериода ускорения электроны надо убирать с их круговой орбиты. Для этого в вихревом ускорителе имеется вспомогательная электрическая цепь. В конце каждого цикла ускорения при помощи этой цепи дается боковой толчок уже ускоренным электронам. Они срываются с круговой орбиты и летят в сторону, где ударяются о мишень, изготовленную из вещества, ядра которого подвергаются бомбардировке электронами.
Если вихревой ускоритель питается током с частотой, скажем, 50 Гц, то 50 раз в секунду в мишень ударяет порция ускоренных электронов.
10-12. Бетатрон
Вихревые (индукционные) ускорители обычно называются бетатронами, так как в них получаются быстрые электроны — бета-частицы. Иногда их зовут реотронами (от греческого слова «рео» — вращать). Можно еще назвать эти ускорители трансформаторами без вторичной обмотки. Вращающийся сгусток электронов приобретает в них такую же энергию, какую получил бы он, двигаясь между полюсами трансформаторной катушки, у которой число витков равно числу оборотов, сделанных электронным сгустком в вакуумной камере за один цикл ускорения.
Чтобы добиться хорошей работы вихревого ускорителя, надо соблюсти условия устойчивого движения электронов. Вопрос об устойчивости движения электронов и ионов — один из важнейших разделов теории ускорителей заряженных частиц. Мы еще вернемся к рассмотрению этих условий. Пока же приведем только такой простейший пример.
На мототреках дорожки для мотоциклетных гонок должны иметь на поворотах определенный наклон. Если этот наклон сделан неправильно, то мотоциклист может вместе с машиной сорваться с дорожки. Круговое движение электронов в бетатроне направляется магнитными силами. Если форма и густота магнитных силовых линий, пронизывающих ускорительную вакуумную камеру, подобраны правильно, то электронный сгусток будет удерживаться на оси камеры. При неправильной структуре магнитного поля электроны станут срываться с круговой орбиты после немногих оборотов и, не набрав требуемой скорости, будут ударяться о стенки камеры и выходить из игры.
Описанный вихревой индукционный ускоритель непригоден для ускорения положительных ионов (протонов, дейтронов, альфа-частиц и т. д.). В этом ускорителе электромагнитный вихрь существует относительно короткое время, и такая тяжелая инертная частица, как протон, не говоря уже о еще более тяжелых дейтронах и альфа-частицах, за это время не успеет набрать сколько-нибудь значительной скорости.
И электроны также не могут быть ускорены в бетатроне до очень больших энергий. Предел наращиванию энергии кладет то обстоятельство, что электроны, движущиеся по кругу, сами излучают электромагнитные волны и растрачивают свою энергию.
Подобно тому как корабль должен затрачивать тем большую мощность на преодоление порожденных им самим волн (так называемых «спутных» волн), чем больше скорость его хода, так и к сгустку электронов, чтобы поддержать их движение по кругу, надо прикладывать тем большие электрические силы, чем выше энергия этих электронов. Когда энергия, теряемая на излучение сгустком электронов за один оборот, становится равной энергии, приобретаемой этим сгустком, дальнейшее ускорение электронов прекращается. Практически предел энергии электронов в бетатроне — около 100 млн. эв.
Когда ускоренные в бетатроне электроны ударяются о мишень, то возникает электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны — «жесткое» рентгеновское излучение, или, как его еще называют, «гамма-излучение». Такое излучение способно проникать через слой стали толщиной в десятки сантиметров и применяется в промышленности для обнаружения скрытых дефектов в стальных изделиях.
В исследовательских лабораториях, в промышленных установках применяются различные типы бетатронов на энергии от 5 до 100 млн. эв.
Значительно больше энергии, чем в бетатроне, можно сообщить как электронам, так и положительным ионам с помощью ускорителей, в которых применяются токи высокой частоты. В них используется принцип резонанса — отзывчивости.
10-13. Принцип отзывчивости
Слабыми, но много раз повторяемыми толчками можно раскачать тяжелые качели. Надо только, чтобы все отдельные толчки действовали согласованно, в такт. Такое согласование между собственными колебаниями какой- либо системы (в нашем примере — качелей) и воздействующей на нее силой принято называть резонансом. В переводе с латинского оно обозначает «отзывчивость». Это явление обнаружили впервые музыканты. Они заметили, что струна отзывается на колебания другой, соответствующим образом настроенной.
В прошлом веке открыли явление резонанса и в радиотехнике. Благодаря резонансу радиоволны могут раскачать, заставить отозваться надлежаще настроенные колебательные контуры радиоприемников.
Суммирование многих слабых, но согласованных толчков может дать огромный эффект. Естественно, с развитием ускорителей заряженных частиц возникли мысли применить в этих приборах явление резонанса. Вместо того чтобы скатить один раз заряженную частицу с высокой «электрической горы», можно многократно подгонять, подталкивать ее относительно небольшим электрическим напряжением. В конечном счете частица приобретает такой запас энергии, который соответствует электрическому напряжению — «электрической горе» во много миллионов вольт.
Многократное резонансное ускорение заряженных частиц можно осуществлять различными приемами. Идеи носились в воздухе начиная с 20-х годов, еще с того времени, как были проведены первые работы по бомбардировке атомных ядер естественными альфа-частицами от радиоактивных веществ. В 30-х годах уже появились технические проекты и описания лабораторных разработок различных систем резонансных многократных ускорителей.
История развития резонансных ускорителей заряженных частиц — это одна из увлекательнейших глав истории физики и высокочастотной электротехники. Многие физики и электрики заслужили на этом поприще «золотые рыцарские шпоры».
Изобретения различных ученых перекрещивались и наслаивались самым причудливым образом.
В 1922 г. американский исследователь Слепян — научный консультант фирмы «Вестингауз» — предложил рентгеновскую трубку с вихревым электрическим полем. Независимо от него в 1927 г. немецкий ученый Видероэ предложил ускорять электроны индуктированными электрическими вихрями. Такое же предложение было сделано сотрудником Московского рентгеновского завода профессором Ясинским. Но только в 1940 г. американский физик Керст построил работающую модель подобного ускорителя. В 1924 г. шведский ученый Изинг сделал предложение увлекать заряженные частицы бегущей электромагнитной волной. Но технических предпосылок для осуществления подобного предложения в те годы еще не было.
В годы второй мировой войны для радиолокации были разработаны мощные генераторы коротких электромагнитных волн и изучены закономерности движения этих волн по волноводам.
Для нужд электронной микроскопии были разработаны законы оптики заряженных частиц. Вновь были выдвинуты предложения ускорять электроны и ионы короткими электромагнитными волнами и построены первые работающие модели.
Для целей секретной телефонии разрабатывались различные методы так называемой фазовой и частотной модуляции радиосигналов. Эти методы были использованы в циклических ускорителях, появившихся в послевоенные годы.
И наконец, в современных мощных ускорителях, созданных в последние годы, — фазотронах, синхроциклотронах (о них будет подробнее рассказано в дальнейшем) — были применены и методы ускорения частиц вихревым полем, и коротковолновые импульсные радиопередатчики, и методы частотной модуляции, и различные приемы электронной оптики, и еще сотни различных предложений и усовершенствований.
Приоритет трудно установить. Публикации имеют одну хронологическую последовательность, патенты и авторские свидетельства (если они выдавались) — другую, а предварительные расчеты и опыты следовали в совершенно ином порядке. Трудно отделить «технический приоритет», который основывается на степени пригодности данного предложения для немедленного практического применения, от того «морального приоритета», который основывается на глубине проникновения в суть проблемы.
Большое количество названий и терминов, часто применяемых для описания одних и тех же устройств и явлений, является лишь отражением интересов отдельных лиц, лабораторий, стран.
* * *
Рис. 10-9. Первоначальная конструкция линейного резонансного ускорителя.
Система цилиндрических электродов питается от высокочастотного генератора. По оси электродов движутся сгустки заряженных частиц.
Таким методом можно ускорить как положительно, так и отрицательно заряженные частицы. Частоты ускоряющего напряжения и длина электродов так согласованы со скоростью движения заряженных частиц, что, пока они пролетают электрод, который притягивал их к себе, полярность всех электродов изменяется; перед сгустком частиц снова оказывается увлекающий их вперед электрод, и частицы еще больше ускоряются.
Резонансные явления при ускорении электронов и ионов до огромных энергий сложнее явлений раскачивания качелей или явлений резонанса в обычных радиотехнических колебательных контурах. В ускорителях приходится учитывать множество тонкостей, чтобы правильно организовать взаимодействие электромагнитных волн и ускоряемых частиц.
Идея резонансного ускорения может быть воплощена в различные конструктивные формы. На рис. 10-9 показана одна из первых по времени конструкций, называемая линейным резонансным ускорителем. На рис. 10-10 дана механическая аналогия принципа действия такого ускорителя.
Рис. 10-10. Механическая аналогия многократного ускорения заряженных частиц стоячей электромагнитной волной,
По платформам катятся слева направо тяжелые шары. Платформы совершают колебательные движения, все время перемещаясь вверх — вниз — вверх. Между платформами натянуты гибкие перепонки, по которым скатываются шары
Показаны четыре последовательных положения платформ: I, II, III и IV.
На верхнем рисунке шар В из желоба вступает на первую платформу, другой Б катится по второй
Во время движения шаров по платформам последние поднимаются вверх вместе с шарами. Скорость каждого шара при этом не меняется; она остается такой же, с какой шар вступил на платформу.
Шары доходят до края платформ, когда те находятся в самом верхнем положении, а пустые — в самом нижнем. Скатываясь с верхних на нижние, шары ускоряются. Затем опустевшие платформы опускаются вниз, а те, по которым теперь катятся шары, поднимаются вверх.
Скатываясь с платформы на платформу, шары все увеличивают и увеличивают свою скорость.
10-14. Океан и линейный ускоритель
В линейном ускорителе заряженные частицы движутся по прямолинейному пути, отсюда и его название. Проекты линейных ускорителей предлагались уже упомянутыми физиками: Изингом, Видероэ и американским исследователем Слоаном в 1931 г.
В 1932 г. автор этой брошюры совместно с инженером И. П. Полевым строили линейный резонансный ускоритель в лаборатории ленинградского электровакуумного завода «Светлана».
Мы взяли медную трубу длиною около 2 м, выкачали из нее воздух и попытались пустить внутри этой трубы от одного ее конца к другому электромагнитную волну. Совместно с волной предполагалось пустить порцию электронов. Электромагнитная волна должна была увлекать за собой электроны, ускорять их движение.
Нас воодушевляли описания океанского прибоя из рассказов Джека Лондона. В этих рассказах очень красочно изложено, как у берегов островов Тихого океана смелые люди, бросив доску на гребень волны, поднимались на ней во весь рост и мчались среди брызг и пены, непрестанно скатываясь с водяной горы, а волна все бежала вперед и несла человека все быстрей и быстрей.
Другие исследователи, работавшие над линейными ускорителями, сравнивали их с электромагнитными пушками, предлагавшимися еще в прошлом веке. В такой пушке вдоль ствола размещены катушки, в которые поочередно посылаются в надлежащие моменты кратковременные импульсы тока. Каждая катушка втягивает (или, наоборот, выталкивает) летящий по стволу снаряд и ускоряет его.
Но заставить электроны лететь на скате волны электрического напряжения не так просто. Первая трудность заключается в том, что не всякую электромагнитную волну можно заставить бежать внутри трубы. В трубу «полезет» лишь такая волна, длина которой или меньше внутреннего диаметра трубы, или только незначительно превышает его.
1 Такое катание на океанском прибое является и теперь одним из распространенных видов спорта на побережье Австралии и называется «сюрфэс».
Более Длинная электромагнитная волна не может распространяться внутри трубы: она очень быстро затухнет. Наша медная труба имела внутренний диаметр 5 см; в такой трубе могла распространяться электромагнитная волна короче 10 см.
Еще в 1895 г. профессор Π. Н. Лебедев в Москве получал при помощи искрового разряда волны короче 1 см. Мы надеялись, что таким же искровым разрядом создадим требуемую для нашего ускорителя электромагнитную волну.
Нам повезло. Наш искровой разрядник заработал сразу. Мощная электромагнитная волна побежала по медной трубе. Но увы! — получилась она слишком длинной и бежала по внешней поверхности. Внутрь трубы ее загнать не удавалось. Когда же мы добились сантиметровой волны, то мощность ее была столь ничтожна, что нечего было даже мечтать об ее использовании для ускорения.
Наша электронная пушка 1932 г. не дала ни одного залпа по атомному ядру.
Только в годы второй мировой войны были созданы для нужд радиолокационной техники мощные генераторы сантиметровых волн — магнетроны и клистроны. Теперь физики вооружились более совершенной аппаратурой. После войны появились первые практические конструкции линейных ускорителей.
10-15. Еще о работе удара
Сильное электрическое поле, ускоряющее частицы вдоль оси трубы-волновода линейного ускорителя, одновременно создает сильные токи в стенках волновода. Благодаря высокой частоте эти токи сосредоточиваются в тончайшем (толщиною порядка микрона) поверхностном слое металла. В нем получаются огромные плотности тока в тысячи ампер на каждый квадратный миллиметр сечения поверхностного слоя.
В медном волноводе происходят большие потери энергии. Эти потери могут достигать многих тысяч киловатт на метр длины трубы. Мощность же пучка ускоренных частиц обычно не превышает нескольких киловатт. Если включить ускорительную трубу-волновод на непрерывную работу, то коэффициент полезного действия ее составит лишь ничтожные доли процента. Кроме того, до сих пор нет еще генераторов коротких волн, которые могли бы давать мощность в тысячи киловатт при непрерывной работе.
Выход из этого положения был найден в импульсном методе работы. Мощную электромагнитную волну заставляют циркулировать в ускорителе-волноводе не непрерывно, а лишь в течение нескольких миллионных долей секунды (микросекунд). Затем дается пауза, длительность которой в несколько тысяч раз превышает длительность времени циркуляции волны, потом — новый высокочастотный импульс и снова пауза, и т. д. Мгновенная так называемая пиковая мощность во время импульса измеряется многими тысячами киловатт, средняя же мощность, потребляемая ускорителем, оказывается небольшой, и коэффициент полезного действия его получается высоким.
Один из самых мощных современных линейных ускорителей построен в США. Он состоит из медной трубы- волновода длиною в 66 м и диаметром 7,5 см. В волноводе бежит волна длиною 10 см (частота тока 3 миллиарда колебаний в секунду, 3 тыс. Мгц). Эта волна возбуждается комплектом генераторных приборов (клистронов), которые развивают в толчке (импульсе) мощности почти в полмиллиона киловатт. При этом напряженность электрического поля внутри волновода составляет более 100 тыс. в на каждый сантиметр пути.
В линейных ускорителях заряженные частицы лишь один раз проходят от начала ускорителя к его концу. При этом они пробегают мимо всех электродов, и каждым из них подталкиваются, подгоняются. За этот один- единственный рейс частицы-снаряды должны приобрести свою полную энергию. Если понадобится энергию частицы увеличить еще больше, то необходимо увеличивать длину ускорителя.
С линейными ускорителями успешно состязаются циклические ускорители, в которых заряженные частицы движутся не по прямой, а по криволинейным (спиральным или круговым) путям.
Полная длина пути частиц в этих ускорителях во много раз превышает размеры самого ускорителя. Мимо одних и тех же ускоряющих электродов частицы проходят по многу раз.
При помощи циклических ускорителей можно более дешево, более экономно получать частицы, ускоренные до сверхвысоких энергий.
Первый резонансный циклический ускоритель был предложен в начале 30-х годов американским ученым, профессором физики Калифорнийского университета Э. Лоуренсом. За создание этого прибора, получившего название циклотрон, Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике.
