УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Ускорители заряженных частиц
В современной физике применяются пучки заряженных частиц для проникновения в глубь атомов для их изучения. Но энергия частиц, излучаемая во время естественного распада радиоактивных веществ, относительно мала. Поэтому возникла необходимость разработки искусственных источников заряженных частиц высоких энергий — ускорителей.
Известно, что, попав между электродами с разными зарядами, заряженная частица, например электрон или протон, увеличивает свою скорость под влиянием электрических сил. Это явление и породило идею создания в 1930-е гг. линейного ускорителя.
Линейный ускоритель является длинной трубой, в которой поддерживается вакуум . Заряженные частицы (электроны или протоны) движутся по прямой, последовательно минуя цепочки трубчатых электродов (их называют трубками дрейфа). От специального высокочастотного генератора на электроды подают переменное электрическое напряжение так, что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим, положительно, второй электрод будет иметь отрицательный заряд и т. д.
Попадая в ускоритель из электронной «пушки», пучок электронов под влиянием потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, пролетая сквозь него. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь он уже отталкивает от себя электроны. А второй электрод, став за этот отрезок времени положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Таким образом, частица ускоряется всякий раз, когда оказывается в промежутке между соседними трубками дрейфа (его называют ускоряющим промежутком).
Существующие линейные ускорители дают возможность увеличить энергию электронов до 1 — 10 ГэВ. В ускорителе в Станфорде (США) длиной 3 км достигнута энергия 20 ГэВ.
Итак, энергия, сообщаемая частицам, зависит от длины ускорителя. Поскольку линейный ускоритель обладает ограниченной длиной, необходимо было разрабатывать и другие виды ускорителей.
Изучая заряженные частицы, ученые наблюдали за их движением в магнитном поле вокруг магнитных силовых линий. Так возникла идея разработки циклотрона.
Основной компонент циклотрона — мощный электромагнит. Между его полюсами включена вакуумная камера, внутри которой находятся электроды, напоминающие по форме половинки консервной банки (так называемые дуанты) и разделенные небольшим зазором. Электроды соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры располагается источник заряженных частиц — протонов. Покинув источник, протон сразу же притягивается к электроду, имеющий в данный момент отрицательный заряд. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем благодаря инерции. На одном из крупнейших фазотронов в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне получают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны (ядра тяжелого водорода — дейтерия) с энергией 380 МэВ.
По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались частицы с более высоким энергетическим потенциалом. Возникла необходимость разрабатывать еще более мощные ускорители — синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся не по спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. Траекторию частицы поддерживает уже не один магнит, а великое множество магнитных секций, находящиеся друг за другом вдоль кольца. Специальные электростатические или индукционные устройства разгоняют частицы до громадных энергий.
Один из крупнейших в мире — протонный синхрофазотрон Института физики высоких энергий под Серпуховом. Длина его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; он позволяет реализовать энергию протонов 76 ГэВ.
Максимальная энергия протонов в современных синхрофазотронах составляет 500 ГэВ.
Увеличиваются запас энергии заряженных частиц, и все глубже физики узнают о таинственном микромире, открывая неизвестные прежде явления природы. Могучий арсенал ускорительной техники используют многие отрасли науки и производства. С помощью небольших циклических ускорителей — бетатронов — получают пучки электронов с энергией превышающей 100 МэВ. Их применяют для дефектоскопии в технике и лучевой терапии в медицине. Пучки быстрых ионов применяются в полупроводниковой промышленности для разработки электронных микросхем и т. д.
