10-22. Микротрон.
Микротрон — электронный циклотрон, т. е. циклический ускоритель электронов с фазовой фокусировкой. Обычный циклотрон нельзя применить для ускорения электронов до больших энергий. Известно, что изменение массы электрона заметно уже при малых энергиях (+1% при 5 килоэлектронвольтах).
Микротрон имеет два общих с циклотронам свойства: постоянное магнитное поле; ускорение на фиксированной частоте.
Микротрон обычно состоит из следующих частей:
-магнита, создающего постоянное во времени магнитное поле в пространстве между двумя круглыми параллельными полюсными наконечниками;
вакуумной камеры, охватывающей пространство между двумя полюсными наконечниками;
полого резонатора, к которому подводится энергия магнетрона или клистрона.
Путем применения инжекции электронов с горячего катода, помещенного непосредственно в резонаторе, удалось существенно поднять эффективность захвата электронов на резонансные орбиты и повысить к. п. д. ускорения. Ускоренные электроны имеют малый разброс по энергиям и импульсам. Благодаря изменению условий инжекции и видоизменению распределения ускоряющего поля удается увеличить ток в несколько раз (до 7 ма) по сравнению с тем, что было достигнуто на первых этапах конструирования микротронов. Новые микротроны позволяют получить ускорения в пределах 50—100 Мэв. Они могут быть в ряде случаев использованы вместо линейных ускорителей электронов и служить инжекторами для более мощных ускорителей.
10-23. Завод космических частиц или современный циклический ускоритель протонов — синхрофазотрон
Когда прежде говорили «физический прибор», то подразумевали нечто такое, что можно разместить на обычном столе.
В современной же ядерной физике применяются установки, в которых одна только деталь — стальной сердечник электромагнита — весит десятки тысяч тонн. Сами они занимают огромные площади, на которых разместились бы промышленные предприятия.
Каждую минуту этот «завод» выпускает несколько партий готовой продукции, по 10 тысяч миллионов (1010) единиц изделий в каждой. Вес всей продукции, вырабатываемой в течение целого года при круглосуточной работе ускорителя, едва достигает одной миллионной доли грамма. А за миллион лет работы такого завода она могла бы уместиться в наперстке. Изделия эти — ядра водорода, ускоренные до высоких энергий, таких же, как энергия частиц в космических лучах.
Таковы современные ускорители заряженных частиц на энергии в миллиарды электроновольт — синхрофазотроны.
Подобно большому заводу, синхрофазотрон состоит из нескольких «цехов» (рис. 10-15).
Кольцевой электромагнит — самая тяжелая и громоздкая часть циклического ускорителя. Здесь создаются те незримые «магнитные стены» кольцевого пути, по которому движутся заряженные частицы.
Магнитный поток в сердечнике электромагнита ЭМ непостоянен. Он нарастает в каждый рабочий цикл от нуля до максимума, а затем снова падает до нуля. Если бы выполнить сердечник в виде сплошного стального куска, то пульсирующий магнитный поток возбуждал бы в нем вредные вихревые токи. Для ослабления этих токов сердечник выполнен из отдельных пластин мягкой стали толщиною не более нескольких миллиметров каждая. Пластины изолированы одна от другой бумажными прокладками. В кольцевом зазоре ЭМ помещена ускорительная вакуумная камера.
На рисунке представлен ускоритель, у которого магнит состоит из четырех квадрантов. Между квадрантами находятся прямолинейные промежутки. В одном из них расположено устройство для ввода в камеру ускоряемых частиц 5. В другом промежутке производится вывод готовой продукции — ускоренных частиц. В третьем промежутке показан ускоряющий высокочастотный контур 6.
Обмотка электромагнита 8 выполнена так, что магнитное поле сосредоточено в кольцевом зазоре между полюсами магнита — в ускорительной камере.
Питание электромагнита.
Ток в обмотки электромагнита подается от электрических машин, показанных в верхнем правом углу схемы. В быстро вращающихся роторах генераторов переменного тока накапливается кинетическая энергия. Она в несколько раз превышает возможный максимальный запас электромагнитной энергии в поле магнита. За счет кинетической энергии роторов электромагнитное поле питается в течение периода ускорения.
Ток от генераторов подается к электрическим вентилям — игнитронам 9. На рисунке показана одна группа из шести вентилей, но в действительности в установке может быть несколько таких групп.
Рис. 10-15. Завод космических частиц — современный циклический ускоритель протонов (синхрофазотрон).
В начале каждого рабочего цикла вентили работают как выпрямители — превращают переменный ток генераторов в постоянный, который затем посылают в обмотку 8 кольцевого электромагнита ЭМ. Энергия перекачивается из генераторов в магнитное поле электромагнита, скорость вращения роторов генераторов падает.
Обмотка электромагнита обладает большой индуктивностью — электромагнитной инерцией. Поэтому в начале цикла ускорения ток, идущий через обмотку электромагнита, невелик. К концу же он достигает максимального значения. Магнитодвижущая сила при этом равна миллионам ампер-витков.
В этот момент производится переключение схемы управления вентилями 9 и энергия перекачивается из электромагнита обратно в генераторы переменного тока. Ток в обмотке электромагнита падает, а скорость вращения роторов генераторов нарастает. В это время они работают как электродвигатели.
Когда вся энергия из электромагнита перейдет в роторы генераторов (за исключением, понятно, неизбежных потерь), ток магнита снизится до нуля.
Несколько секунд ускоритель «отдыхает»: магнит обесточен, генераторы продолжают увеличивать скорость и накапливают энергию. Затем начинается новый рабочий цикл. Вентили 9 вновь работают как выпрямители, вновь нарастает магнитное поле электромагнита ускорителя. По трубам в кольцевую камеру поступает новая порция водородных ядер. Они движутся по кольцевым орбитам, как это показано стрелками, с каждым оборотом наращивая скорость и энергию.
Ускорительная камера имеет форму огромной баранки прямоугольного сечения. Две вертикальные стены этой камеры сделаны из сплошных листов немагнитной нержавеющей стали. Дно и потолок выполнены из того же материала, но в виде отдельных узких полос. Сквозь пол и потолок камеры проходит пульсирующий магнитный поток — то нарастающий, то спадающий. Чтобы предотвратить возникновение вредных вихревых токов, которые могли бы отразить переменный магнитный поток, не допустить его в камеру, стальные полосы, составляющие пол и потолок вакуумной камеры, отделены друг от друга, а также от стен камеры слоем изоляции из особой высококачественной пластмассы. Сотни изоляционных прослоек между отдельными полосами стали выполняются с большой тщательностью. И все же натекание посторонних газов в вакуумную камеру неизбежно. А для нормальной работы ускорителя в камере должно поддерживаться высокое разрежение — высокий вакуум: давление газов в камере не должно превышать миллиардной доли атмосферного давления.
«Цех пустоты».
В нескольких местах к ускорительной камере подключены высоковакуумные так называемые диффузионные насосы 7. В них кипит особое масло (кремний-органическое). Потоки масляных паров захватывают и уносят газы из ускорительной камеры.
Между каждым насосом и ускорительной камерой есть ловушка, которая не допускает масляные пары от насоса в камеру. Помимо ловушек, в вакуум-проводах имеются манометры и высоковакуумные запорные клапаны. Клапаны позволяют отключать и сменять вышедшие из строя насосы, не нарушая вакуума самой ускорительной камеры.
Паромасляные высоковакуумные насосы не могут выбрасывать захваченный ими газ прямо в атмосферу. Выход высоковакуумных насосов подключается к механическим насосам предварительного разрежения (форвакуумным).
Источник протонов.
Протоны, подлежащие ускорению, поступают из разрядной трубки 3. Здесь в дуговом разряде с атомов водорода сдираются электронные оболочки. Оголенные ядра собираются в узкий поток, который, прежде чем попасть в кольцевую камеру, должен пройти предварительное ускорение. Оно может выполняться по-разному. Иногда применяют постоянное напряжение в несколько миллионов вольт. В советском синхрофазотроне протоны, прежде чем попасть в кольцевую камеру, предварительно ускоряются до 9 млн. эв в высокочастотном линейном ускорителе, обозначенном цифрой 4.
По вводному устройству — криволинейной трубе 5, снабженной системой отклоняющих электродов, протоны, прошедшие предварительное ускорение, впрыскиваются в кольцевую камеру. Направление впуска и момент впуска должны быть точно подогнаны, чтобы сгусток протонов попал на устойчивую, так называемую равновесную орбиту.
Высокочастотный генератор вырабатывает напряжение, ускоряющее протоны при каждом их обороте. Этот генератор на лампах 2 получает питание от группы вентилей 1, Ускорительный генератор в течение одного цикла ускорения должен изменять свою частоту более чем в 10 раз.
Когда ионы только входят в кольцевую камеру, их скорость мала и частота ускоряющего напряжения обычно меньше одного мегагерца. К концу периода ускорения частота должна быть несколько мегагерц.
За время ускорения до максимальной энергии каждый протон успевает сделать несколько миллионов оборотов по орбите длиною в несколько сотен метров. За каждый оборот протоны наращивают свою энергию примерно на 1 000 в. Полный путь, проходимый протонами в камере за каждый цикл ускорения, достигает нескольких сотен тысяч километров.
Ряд автоматических и сигнальных устройств помогает устойчиво поддерживать нормальный режим работы. Десятки километров проводов соединяют отдельные агрегаты ускорителя с пунктом управления.
Описанный физический прибор занимает площадь не меньшую, чем территория крупного машиностроительного завода. Десятки физиков, а также рабочих и инженеров различных специальностей обслуживают этот физический прибор.
