10-16. „Ядерная дробилка" тридцатых годов
С этим резонансным ускорителем были проведены ценнейшие работы в области ядерной физики. При помощи «ядерной дробилки», как называли циклотрон в 30-х годах, были впервые получены ядерные реакции с ядрами тяжелых элементов. В циклотроне можно ускорять ядра водорода, дейтерия, гелия (альфа- частицы) и более тяжелые ядра, осуществлять множество ядерных реакций, изготовлять различные, не встречающиеся в природе изотопы элементов.
Рис. 10-11. Схема циклотрона.
Не описав подробно принципа действия циклотронов, нельзя перейти к рассмотрению более сложных современных циклических ускорителей. На рис. 10-11 и 10-12 показаны схема циклотрона и его механическая аналогия. Самой громоздкой и дорогой частью циклотрона является электромагнит с плоскими полюсами. Диаметр полюсов электромагнита достигает нескольких метров. На сооружение такого магнита затрачивается несколько тысяч тонн стали, сотни тонн меди — для обмотки. В США был построен циклотрон с серебряной обмоткой электромагнита1.
1 Циклотрон этот предназначался для лаборатории, занимавшейся разработкой атомной бомбы и охранявшейся, пожалуй, тщательнее складов казначейства. Поэтому было решено превратить хранившиеся в казначействе без движения слитки серебра в шины и сделать из этих шин катушки циклотрона.
Рис. 10-12. Механическая аналогия циклотрона — высокочастотного резонансного ускорителя с движением ионов по спиральному пути.
Две половинки круглой, горизонтально расположенной чаши находятся в непрестанном колебательном движении вверх—вниз—вверх. Шары скатываются по перепонке, соединяющей половинки чаши, под действием силы тяжести, подобно тому, как положительные ионы движутся в электрическом поле от анода к катоду.
Между полюсами электромагнита циклотрона лежит плоская коробка, пронизываемая магнитным силовым полем. Это рабочая ускорительная вакуумная камера циклотрона. К ней присоединены мощные паромасляные насосы. Они создают в огромной ускорительной камере разрежение более высокое, чем в маленькой радиолампе.
В рабочей камере циклотрона помещена еще одна плоская круглая коробка, разрезанная по диаметру на две части. Между обеими половинками оставлена небольшая щель. Каждая из половинок внутренней коробки напоминает по форме латинскую букву D. Поэтому их назвали дуантами. Эти дуанты и являются ускоряющими электродами. В щели между ними действует электрическое поле, увлекающее заряженные частицы (ионы). От дуантов сделаны выводы через изоляторы в стенках вакуумной камеры. К выводам прикладывается напряжение высокой частоты. Обычно выбирается частота порядка нескольких десятков мегагерц, что соответствует длине волны в несколько метров. Максимальное напряжение между ускоряющими электродами достигает нескольких десятков киловольт.
Ток высокой частоты подводится к циклотрону от обычного генератора с электронными лампами. Этот генератор примерно такого же типа, как те, что применяются на радиостанциях для телевидения и радиовещания.
В щели между электронами, вблизи центра камеры помещается источник тех ионов, которые будут ускоряться.
Ускорение происходит следующим образом. Положительно заряженные ионы, выходя из источника, движутся к дуанту, на котором в данный момент отрицательное напряжение. Пройдя щель между дуантами, ионы приобретают некоторый запас энергии, соответствующий разности потенциалов между дуантами и равный нескольким десяткам киловольт.
Внутри дуантов нет электрических сил, и там ионы движутся по инерции. Но поперек их пути действуют силовые линии магнитного постоянного поля, которые, не изменяя запаса энергии ионов, искривляют их траектории и заставляют описывать окружности. Чем больше скорость частицы, тем больше радиус окружности, которую она описывает.
Пока ионы движутся внутри одного дуанта, напряжение между дуантами меняет свой знак. И когда эти ионы, описав полукруг, снова подойдут к щели, то уже второй дуант будет более отрицательным, нежели первый. Положительные ионы, пересекая щель, устремляются к этому отрицательному дуанту и снова ускоряются. Внутри второго дуанта ионы снова летят по инерции, но описывают там полуокружность несколько большего радиуса, так как скорость их теперь больше. Ионы должны снова выйти к щели тогда, когда на дуантах полярность изменится и на пути ионов опять будет действовать ускоряющее напряжение.
Это и есть условие резонанса. Время полета порции ионов внутри каждого дуанта должно быть в точности равно полупериоду высокочастотного напряжения. И как качели нельзя раскачивать беспорядочными толчками, так и ионы надо подталкивать в такт.
Траектория ионов в циклотроне имеет вид расходящейся спирали. С каждым новым оборотом ионы описывают окружность все большего радиуса. Как же поддерживается синхронизм, т. е. совпадение прибытия к щели ионов и соответствующее изменение полярности дуантов? В циклотроне используется тот замечательный факт, что период обращения заряженных частиц зависит только от трех величин: от заряда частицы, ее массы и напряженности магнитного поля. Период обращения частицы не зависит ни от того, какую перед этим разность напряжений прошла эта частица, ни от скорости ее движения. Медленные ионы описывают маленькие окружности, быстрые — большие окружности. Но на один оборот затрачивается одно и то же время. После сотни последовательных оборотов порция ионов, получив значительную скорость и накопив, следовательно, значительную кинетическую энергию, приближается к боковым стенкам дуантов. В одном из них помещается отклоняющий электрод — дефлектор. К нему приложено постоянное отрицательное напряжение порядка нескольких десятков тысяч вольт. Это напряжение отклоняет пучок ускоренных ионов и выводит его из дуанта в камеру, где расположена мишень.
Циклотрон работает с относительно высоким к. п. д. Вот данные установки средней мощности. Максимальная сила тока в ионном пучке — 1 ма. Энергия ионов — 12 млн. эв. Следовательно, мощность пучка— 12 кВ. Высокочастотный генератор подводит к дуантам мощность в 50 кВ, для питания магнита необходимо 25 кВ постоянного тока, 15 кВ — для насосов и прочего вспомогательного оборудования. Таким образом, окончательный к. п. д. равен 13,3%.
Поток ионов, выпущенный из такого циклотрона, проходит в воздухе путь больше метра. От него исходит нежное фиолетовое сияние. Это свечение объясняется тем, что быстрые ионы, встречая на своем пути нейтральные молекулы воздуха, возбуждают их, и последние, возвращаясь в нормальное состояние, испускают свет. Это смертоносный луч. Металлическая пластинка, поставленная на его пути, плавится. Она тормозит поток ионов, и вся их энергия идет на нагревание металла.
На пути луча зарождается не только видимый свет, но и очень коротковолновые электромагнитные колебания — гамма-излучение. Это излучение проникает через большие толщи материалов и смертельно действует на живые клетки. Экспериментаторы, работающие с циклотроном, должны находиться подальше от самого прибора, а их рабочие места защищены от вредных излучений толстыми стенами.
На циклотронах можно получить протоны и дейтроны с энергией до 20 млн. эв.
Однако необходимо подчеркнуть, что максимальные энергии частиц, ускоряемых циклотроном, в сущности, немногим превышают максимальные энергии, достижимые на высоковольтных установках, и сообщить частицам энергии большие, чем полтора-два десятка миллионов электроновольт, циклотрон не может. Дело в том, что во всем пространстве рабочей камеры циклотрона действует магнитное поле одинаковой интенсивности, а между дуантами — переменное напряжение постоянной частоты. В таких условиях для соблюдения резонанса необходимо, чтобы масса ускоряемых ионов сохранялась неизменной в течение всего процесса ускорения. При этом период обращения частиц внутри дуантов будет постоянным.
Но масса ионов не меняется лишь пока скорость их значительно меньше скорости света. При достижении десятых долей скорости света возрастание массы ионов становится настолько ощутимым, что нарушаются условия резонанса. Ведь период обращения частиц увеличивается, а период ускоряющего электрического поля остается постоянным. Происходит нарушение согласования.
Как же поддержать резонанс для частиц с меняющейся массой?
10-17. Снова об отзывчивости
Кому не доводилось раскачиваться на ветке дерева или на гибкой доске? Гибкая опора и груз на ней образуют колебательную систему. Чтобы раскачаться, надо давать толчки в такт. Как говорят физики, частота возмущающей силы должна соответствовать частоте собственных колебаний системы. В этом случае получается резонанс.
Но как быть, если данные колебательной системы меняются: скажем, груз становится все тяжелее (еще кто-то прыгнул на доску, на которой вы раскачиваетесь)? Как при этом поддержать резонанс? Чем тяжелее груз, чем податливее опора, тем длительнее период колебаний механической колебательной системы.
Сходные задачи возникают при ускорении заряженных частиц, у которых масса возрастает по мере наращивания энергии. Когда эти частицы вращаются по круговым орбитам в циклических ускорителях, то увеличение массы вызывает увеличение В(ремени обращения частицы.
Чтобы поддержать резонанс в приведенной для примера механической колебательной системе с изменяющейся массой, можно поступать по-разному.
При увеличении массы колебательной системы надо соответственно уменьшать гибкость этой системы, например, уменьшать расстояние между грузом и опорой и таким образом поддерживать неизменной собственную частоту колебаний, несмотря на изменение массы.
Можно пойти и по другому пути — не заботиться о сохранении неизменной собственной частоты колебательной системы, но менять частоту возмущающей силы так, чтобы всегда сохранять резонанс.
В циклических ускорителях также можно разными приемами поддержать резонанс между движением заряженных частиц и переменными электрическими силами — например, напряженность магнитного поля, в котором движутся частицы, держать неизменной, но по мере нарастания массы частиц, а значит, их замедления, увеличивать период ускоряющего переменного электрического поля, т. е. понижать его частоту; или держать неизменной частоту ускоряющего электрического поля, но с нарастанием массы частиц постепенно повышать напряженность магнитного поля; или по мере ускорения частиц изменять частоту электрического поля и напряженность магнитного поля.
Первый метод применен в ускорителе ионов, который является видоизменением и дальнейшим развитием простого циклотрона. У этого ускорителя такой же электромагнит с массивными полюсами, как и у циклотрона, и такая же ускорительная камера в виде плоской коробки. Но он существенно отличается от циклотрона. Дело в том, что частота ускоряющего напряжения на его электродах не остается постоянной, а изменяется. Такой ускоритель у нас в СССР называют фазотроном.
10-18. Циклотрон с переменной частотой — фазотрон
Иногда этот прибор называют синхроциклотроном или циклотроном с переменной частотой.
Как уже было показано выше, время, в течение которого заряженная частица совершает один полный оборот по окружности в магнитном поле, пропорционально отношению массы частицы к напряженности магнитного поля. Если при постоянной напряженности магнитного поля Н масса частицы т растет, то и длительность одного оборота ее увеличивается. Чтобы вести по спирали порцию заряженных частиц, подталкивать ее в такт, необходимо понижать частоту ускоряющего напряжения по мере наращивания энергии частиц. Начальная частота в фазотроне берется обычно от 10 до 30 миллионов колебаний в секунду (мегагерц), и к концу цикла ускорения эта частота понижается примерно на 30%. Изменение частоты производится при помощи быстро вращающихся переменных конденсаторов. Чтобы упростить всю установку и облегчить процесс изменения частоты, в фазотронах применяют не два ускоряющих электрода (дуанта), а только один (рис. 10-13).
В простом циклотроне одновременно ускоряется много порций заряженных частиц, т. е. одновременно на каждом витке спирального пути может двигаться самостоятельная порция ионов. В фазотроне (синхроциклотроне) можно ускорять только одну порцию, для которой выполняется условие синхронизма, — условие резонанса в течение всего времени ускорения. Когда эта порция ионов начинает свой спиральный путь из центра вакуумной камеры, то частота напряжения на ускоряющем электроде имеет наивысшее значение; затем по мере того, как порция ионов движется по орбитам все большего радиуса, частота ускоряющего напряжения все понижается. Когда цикл ускорения заканчивается и порция ионов выведена на мишень, необходимо еще некоторое время, чтобы вернуть частоту ускоряющего напряжения к ее начальному значению — вновь повысить ее. Затем начинается цикл ускорения новой порции ионов.
Ток в этом ускорителе во много раз меньше, чем у простого циклотрона. Но для исследовательских целей с этим недостатком можно примириться.
Рис. 10-13. Схема устройства синхроциклотрона (фазотрона).
В вакуумной камере 1, расположенной между полюсами магнита 2, находится ускоряющий электрод (дуант) 3. Этот электрод укреплен на стержне 5, поддерживаемом изоляторами 4 из высококачественного фарфора. Стержень 5 и окружающая его трубка 6 составляют высокочастотную передающую линию (коаксиальную линию). Эта линия питается от высокочастотного генератора 7. Конец линии замкнут на переменный конденсатор 8. Неподвижная часть этого конденсатора (статор) представляет собой зубчатый обод, укрепленный на проводнике 5. Подвижная часть (ротор) — зубчатый диск, укрепленный на валу быстроходного электродвигателя 9.
При вращении конденсатора 8 емкость его периодически меняется и соответственно меняется частота электрических колебаний на электроде 3. В момент, когда эта частота наивысшая, начинается каждый цикл ускорения порции ионов. По мере движения по спиральному пути нарастает их масса и замедляется движение, согласованно понижается и частота ускоряющего электрического напряжения. Когда частота наинизшая, цикл ускорения заканчивается, ионы ударяют о мишень. Затем частота вновь повышается, и начинается новый цикл ускорения.
Большой фазотрон (синхроциклотрон) построен в Советском Союзе в Институте ядерных проблем под руководством Д. В. Ефремова, М. Г. Мещерякова, А. Л. Минца. Магнит этого прибора весит 7 тыс. т, напряженность магнитного поля в зазоре между полюсами — 17 тыс. э (эрстед), диаметр полюсов — 6 м. Этот прибор ускоряет протоны до энергии в 680 млн. эв и дает средний ток ускоренных протонов 0,3 мка.
Диаметр полюсов электромагнита фазотрона растет прямо пропорционально энергии, которую мы собираемся сообщить ускоряемым протонам. А вес электромагнита растет как куб его линейных размеров. Следовательно, вес электромагнита растет пропорционально кубу максимальной энергии тех частиц, которые ускоряются между его полюсами.
Например, чтобы увеличить энергию протонов в 10 раз, необходимо было бы увеличить вес магнита в 1 000 раз. Если бы потребовалось получить на фазотроне протоны с энергией в несколько миллиардов электроновольт, то необходим был бы электромагнит весом чуть ли не в миллион тонн.
