10-19. Кольцевой магнит
Более экономичную конструкцию имеют те циклические ускорители, в которых заряженные частицы движутся не по спирали, разворачивающейся из центра, а по кругу неизменного радиуса. Ускорительная камера при этом имеет форму не коробки, как в циклотроне и фазотроне, а знакомой уже нам кольцевой трубки-баранки. По оси этой баранки и движется порция ускоряемых заряженных частиц. Для такой кольцевой камеры и электромагнит может быть сделан в виде узкого кольца. Вес кольцевого электромагнита и мощность его питания будут значительно меньше, нежели у магнита со сплошными полюсами.
Но чтобы заряженные частицы двигались по кольцевому пути неизменного радиуса, необходимо по мере нарастания их энергии и массы увеличивать напряженность магнитного поля. Питать магнит надо не постоянным током, как это делается в циклотроне и фазотроне, а посылать в обмотку электромагнита отдельные мощные импульсы. Тогда в кольцевом магнитном поле, на кольцевых орбитах, можно ускорять и легкие частицы — электроны, и тяжелые — ионы.
В разных странах было проведено большое количество как теоретических, так и экспериментальных исследований с целью выявления наиболее экономичных конструкций кольцевых магнитов и наиболее выгодных схем их питания.
Электроны обладают тем свойством, что уже при энергии в несколько миллионов электроновольт их скорость лишь немного меньше скорости света. При дальнейшем наращивании энергии скорость электронов остается практически неизменной, а растет лишь их масса (это показано на графиках рис. 10-1 и 10-2).
Поэтому при движении такого энергичного электрона по кольцевой орбите постоянного радиуса период обращения его не будет зависеть от сообщаемой ему энергии. Это позволяет применить для ускорения электронов электрическое переменное поле с неизменной частотой, а напряженность магнитного поля менять — усиливать его по мере наращивания энергии (массы) электронов, чтобы удерживать их на неизменной орбите.
Ускорители электронов, работающие с неизменной частотой ускоряющего электрического поля и с нарастающим магнитным полем, появились в первые годы после окончания второй мировой войны. Этот тип ускорителя получил название «синхротрон».
10-20. Циклический ускоритель электронов — синхротрон
Принципиальное устройство синхротрона показано на рис. 10-14. Вакуумная камера этого прибора, как и у всех ускорителей с кольцевым магнитом, имеет форму баранки (тора). Ее делают из фарфора или из прочного кварцевого стекла и укладывают в межполюсном зазоре кольцевого электромагнита.
Сердечник электромагнита выполняется из тонких листов электротехнической стали, подобно сердечникам обычных трансформаторов переменного тока. Обмотка кольцевого электромагнита соединяется с конденсаторной батареей. В обмотке циркулирует переменный ток большой силы и создает переменное магнитное поле между полюсами электромагнита. Поле заворачивает пути электронов и управляет их движением в вакуумной ускорительной камере.
Помимо управляющего магнитного поля, в ускорительной камере синхротрона существует и вихревое электрическое поле, так же как и в бетатроне. Но в отличие от бетатрона в синхротроне для ускорения электронов на одном из участков вакуумной камеры действует еще и высокочастотное ускоряющее напряжение, равное нескольким киловольтам. Оно образуется между двумя электродами, соединенными с обычным колебательным контуром, которые встречаются во всех радиотехнических устройствах. Период высокочастотного напряжения на контуре подбирается в точности равным времени обращения электрона по кольцевой орбите внутри камеры. Таким образом, пролетев между высокочастотными электродами и получив ускоряющий толчок, электрон успевает совершить свой путь по кольцевой орбите и вновь подойти к ускоряющим электродам как раз к тому моменту, когда на этих электродах будет вновь ускоряющее напряжение.
Длина электромагнитной волны, возбуждаемой высокочастотным колебательным контуром, равна периоду колебаний, помноженному на скорость света.
Ускоряемые электроны в камере также летят со скоростью, близкой к скорости света.
Рис. 10-14. Схема синхротрона — циклического ускорителя электронов.
Кольцевой магнит синхротрона собирается из С-образных пакетов электротехнической стали. Между полюсами магнита расположена вакуумная камера, имеющая форму баранки. На одном из участков этой камеры действует высокочастотное ускоряющее напряжение неизменной частоты.
Катушка, возбуждающая магнитное поле, имеет форму тора (бублика), подобно ускорительной камере. Витки катушки возбуждения лежат в плоскостях, параллельных плоскости орбиты электронов. (Высокочастотный ускоряющий контур и катушка возбуждения на рисунке не показаны )
Следовательно, за время одного периода они успевают пролететь расстояние, равное одной длине волны. Поэтому можно сказать, что резонансная длина волны ускоряющего колебательного контура в точности равна длине кольцевой орбиты, по которой вращаются электроны.
Процесс ускорения начинается в момент, когда в обмотку электромагнита начинает поступать ток, и длится все время, в течение которого ток нарастает. За это время сгусток электронов успевает сделать несколько сотен тысяч оборотов по кольцевой орбите и набрать энергию до миллиарда электроновольт. В принципе ускорять частицы можно и до больших энергий, оДнйко не беспредельно. В синхротроне, так же как и в бетатроне (и вообще во всех циклических ускорителях), заряженные частицы, двигаясь по криволинейному пути (в частности, по кольцевой орбите), порождают в окружающем пространстве электромагнитные волны, расходуя на это часть своей энергии. Чем выше энергия частицы и чем меньше радиус ее орбиты, тем больше энергии уходит на излучение.
В ускорителе с диаметром орбиты в 2 м электрон, ускоренный до 300 млн. эв, теряет на электромагнитное излучение за один оборот энергию, равную 1 000 эв. Ускоренный же до одного миллиарда электроновольт при диаметре орбиты в 9 м, он уже будет терять за один оборот 20 тыс. эв.
Длина электромагнитной волны, излучаемой сгустком электронов, вращающихся по круговой орбите, зависит от энергии этих электронов. При энергии электронов в 60 млн. эв начинается темно-красное свечение. При 200 млн. эв излучение становится белым и более интенсивным.
Эти «светящиеся электроны» можно рассматривать только при помощи системы зеркал. Находиться в непосредственной близости от синхротрона опасно. Экспериментатор может получить смертельную дозу ионизирующего излучения, которое всегда возникает при столкновениях быстрых электронов со стенками ускорительной камеры, с мишенями и т. д.
10-21. Положительные ионы на кольцевых орбитах
Кольцевой магнит с высокочастотным контуром, помещенным на орбите заряженных частиц, может быть использован для ускорения не только электронов, но и тяжелых частиц — ионов. Однако при этом необходимо некоторое усложнение системы. Даже при энергиях в миллиарды электроновольт скорость ионов еще не достигает скорости света и в процессе ускорения не остается постоянной, а продолжает расти.
1 Потери энергии на излучение пропорциональны четвертой степени отношения энергии ускоренной частицы к ее энергии покоя и обратно пропорциональны радиусу орбиты частиц.
Поэтому при ускорении ионов по круговой орбите постоянного радиуса необходимо повышать частоту ускоряющего напряжения по мере увеличения энергии, а следовательно, и скорости ионов. Напомним, что при ускорении ионов на спиральных орбитах в фазотроне (орбитах с нарастающим радиусом) необходимо было, наоборот, понижать частоту ускоряющего напряжения, чтобы поддерживать резонанс по мере наращивания энергии (массы и скорости) ионов. Проекты ускорителей ионов с кольцевыми орбитами и с растущей частотой ускоряющего напряжения предлагались еще в годы войны (проект «протонного синхротрона» профессора Бирмингемского университета Маркуса Олифанта).
Два ускорителя такого типа были пущены в работу в США. Один из них в Калифорнии получил название «беватрона» (приставка «бева» обозначает миллиард, подобно тому, как приставка «мега» — миллион), другой в Брукхавенской национальной лаборатории был назван «космотрон». Ускоренные этим прибором частицы имеют такие же энергии, как и частицы в космических лучах, приходящих на Землю из мирового пространства. В СССР этот тип ускорителя получил название синхрофазотрона.
В лаборатории ядерных исследований под Москвой сооружен самый большой в мире синхрофазотрон. В лекции советского ученого чл.-κορρ. Академии наук СССР В. И. Векслера на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии летом 1955 г. были впервые приведены данные об этом грандиознейшем физическом приборе.
«Магнит ускорителя состоит из четырех квадрантов со средним радиусом 28 м, разделенных прямолинейными промежутками длиною 8 м каждый. Вес магнита около 36 тыс. т1. Мощность питания электромагнита достигает в импульсе 140 тыс. ква. Для облегчения откачки камера сделана двойной, с разделенным вакуумом».
Этот ускоритель дает протоны с энергией в 10 млрд. эв.
Цифра 10 млрд. эв звучит несколько отвлеченно. Чтобы представить более наглядно, о каких энергиях идет речь, приведем такой пример. Если бы до такой скорости разогнать не отдельные ядра водорода, а снаряд размером с булавочную головку (весом в сотую долю грамма), то при ударе этого снаряда о мишень выделилось бы столько же энергии, сколько дает сжигание 1000 т угля (целого железнодорожного состава).
1 Для сравнения можно указать, что на сооружение Крымского моста через Москву-реку близ Парка культуры и отдыха имени Горького пошло 10 тыс. т стали.
