Глава 42. Ускорители — большие машины
Физик… накапливает опытные данные, согласовывает и объединяет их вместе искусными экспериментами…, но самоуверенное утверждение, что это и есть природа, мы должны воспринимать… с доброжелательной улыбкой и некоторой долей сомнения.
Гёте, «Созерцание природы»
Мозг постоянно ищет новую информацию о периодичности и закономерностях происходящего вокруг нас. Этот процесс, который я называю сомнением, приводит к обнаружению существенно новых аналогий. Как только они найдены, мы, естественно, получаем основу для построения нашей системы законов. Затем считаем, что мир похож на наше построение, и продолжаем говорить о нем в наших терминах. Но рано или поздно появляется некто, сомневающийся, некто, пытающийся провести новые сравнения; если ему сопутствует успех, человечество научится лучше понимать мир, больше в нем видеть.
Дж. 3. Юнг, «Сомнение и уверенность в науке»
УСКОРИТЕЛИ — ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АТОМОВ
Наш век — это век больших машин, которые на обыденном языке можно назвать «атомными таранами». Это ускорители атомов (или, более строго, ионные ускорители) и ускорители электронов. Ионизованные атомы и электроны, движущиеся с большими скоростями и обладающие огромными энергиями, являются исследовательским инструментом современной физики. Их используют для исследования других атомов, бомбардируя последние частицами высокой энергии. Изучая рассеяние быстрых частиц на покоящихся атомах, можно судить о внутренней структуре этих атомов или даже о структуре их ядер.
Иногда наши бомбардирующие «атомные снаряды» отскакивают от атомов мишени упруго; кинетическая энергия при этом сохраняется, и оба тела — снаряд и мишень — остаются неизменными. В некоторых случаях происходят неупругие столкновения, атомы мишени «возбуждаются», так что затем они испускают γ-лучи и, возможно, даже после этого остаются нестабильными. А иногда происходят сильные ядерные изменения: налетающая частица попадает в мишень, но не выходит из нее; вместо «застрявшей» частицы из мишени могут вылететь какие-либо другие частицы — своего рода ядерный бильярд. В этом случае образуются новые атомы, чаще также нестабильные. Таким образом, стреляя по подходящим мишеням атомными снарядами из ускорителей, можно создавать новые радиоактивные атомы, чтобы затем использовать их для атомных исследований или как «метки» обычных элементов в химических реакциях, в биологических процессах, в медицине, металлургии и т. д.
В природе имеются некоторые естественные атомные снаряды — излучения радиоактивных атомов. Это α-лучи, которые представляют собой ядра атомов гелия, выбрасываемые с энергией в несколько миллионов электронвольт, и β-лучи — электроны, испущенные со скоростями, достигающими 98 % скорости света. Но нужно учитывать, что использование этих естественных средств весьма ограничено. Выбор энергии частиц ограничен, число «снарядов» в потоке зависит от количества полученного радиоактивного материала — обычно его мало. Вплоть до 1917 г. казалось, что выбор радиоактивных источников фиксирован: считалось, что атомы либо всегда стабильны и их нельзя расщепить, либо радиоактивны, но на процесс их распада невозможно повлиять. Действительно, ни термические, ни механические, ни химические воздействия не оказывали никакого влияния на характер радиоактивного распада. Но Резерфорду удалось добиться успеха, сделав нестабильными атомы обычного азота при помощи бомбардировки их α-частицами. «Жертва» поглотила пущенный в нее снаряд, испустила ядро водорода (протон), превратившись при этом в атом кислорода О17. Это первое искусственное превращение одного элемента в другой вселило надежду, что мы сможем по своему желанию осуществить и другие ядерные превращения. В течение 12 лет такие надежды царили в атомной физике. Экспериментаторы охотились за необычными эффектами при подобного рода бомбардировках, но с переменным успехом. Теоретики мечтали о странных атомных частицах, которые были бы даже незаряженными, — «нейтронах». Конструкторы, отказавшись от естественных пушек из радиоактивных ядер в пользу искусственных ускорителей, делали эскизы машин, способных ускорять пучки заряженных атомов до невероятных энергий. Обстрел других ядер — мишеней высокоэнергетическими протонами обещал вызвать важные превращения.
Поэтому идея ускорения пучка ионов водорода для использования их в качестве бомбардирующих снарядов выглядела крайне соблазнительной. Создание такого ускорителя, который мог бы «стрелять» атомными «снарядами» регулируемой энергии, действительно было весьма привлекательным, особенно если бы он создавал плотные потоки «снарядов» и разгонял их до более высоких энергий, чем энергии используемых уже альфа-частиц.
Вылетающие из радиоактивных атомов альфа-частицы, по-видимому, ускорялись в электрическом поле своих ядер-родителей. Если мы хотим создать свои собственные атомные «снаряды», мы должны снабдить их электрическим зарядом и затем, чтобы ускорить их, использовать в «пушке» электрическое поле. Мало надежд на то, что мы сможем непосредственно ускорять электрически нейтральные атомы, а еще меньше — не обладающие зарядом нейтроны, так как мы не можем тянуть или толкать их с большой силой. Гравитационному воздействию подвержена любая материя, заряженная или незаряженная, но величина гравитационного воздействия очень мала[149].
Необходимо использовать сравнительно более сильное воздействие электрического поля на заряженные атомы. Таким образом, проблемы состояли в следующем: создать в качестве снарядов заряженные атомы — что сравнительно легко — и получить огромную разность потенциалов, чтобы разогнать эти снаряды, — а это значительно труднее и дороже.
Ядерный словарь. Протоны и др.
Ядра водорода Н+ (или 1Н1) играют столь важную роль как в обсуждении структуры ядра, так и при использовании их в качестве бомбардирующих снарядов, что им дали специальное название, которым мы уже пользовались, а именно протоны.
Протон — это ядро атома водорода, лишенного своего единственного электрона. Когда мы говорим, что более тяжелые ядра состоят из протонов и нейтронов, мы объединяем оба сорта частиц общим названием нуклоны, (Существуют также специальные названия для более тяжелых изотопов водорода. Ядро «тяжелого водорода», или «дейтерия» 1Н2, часто называют дейтроном; радиоактивное ядро сверхтяжелого водорода, «трития» 1H3, носит название тритон).
Фиг. 104. Ускорители: принципиальная схема.
а — электронный ускоритель является просто электронной пушкой, снабженной некоторыми приспособлениями для создания высокой ускоряющей разности потенциалов или ее эквивалента; б — ионный ускоритель (ускоритель Ван-де-Граафа, циклотрон, линейный ускоритель, беватрон и т. д.) является просто огромной ионной пушкой, ускоряющей пучок положительно заряженных ионов для бомбардировки ими мишени. Ионы являются атомами водорода, гелия… лишенными электронов, т. е. фактически ядрами этих атомов. Пушка снабжена некоторыми приспособлениями для создания высокой ускоряющей разности потенциалов или ее эквивалента; в — ионный ускоритель «в сборе» состоит из ионного источника, ионной пушки и мишени. Ионы образуются в результате облучения атомов газа электронами из электронной пушки. Для создания ионов в установку вводится тонкая струя разреженного газа; большие насосы обеспечивают высокий вакуум.
Фиг. 105. Применения ускорителей.
«Большие машины» сами по себе не являются объектами экспериментальных исследований. Они только снабжают экспериментаторов «инструментами» для изучения атомных ядер. Этими инструментами являются высокоскоростные заряженные частицы (электроны или ионы). Ускорители создают пучки таких частиц высокой энергии для бомбардировки ими мишеней. На рисунке изображены некоторые из возникающих при этом эффектов.
Ускорители
В начале 1930-х годов с открытием нейтрона, оказавшегося полезным для разведывательных набегов на атомные ядра, были построены первые большие машины, которые начали выдавать плотные потоки снарядов для исследования.
В Принстоне Ван-де-Грааф изобрел высоковольтный генератор непрерывного действия, в котором заряды переносятся шелковой лентой-конвейером на большой металлический шар — по существу это процесс непрерывной электризации посредством индукции. Пара таких машин давала разность потенциалов между их шарами-накопителями, равную 500 000 в. Эту установку, равноценную гигантской батарее, можно было использовать для ускорения протонов и других ионов до энергии 500 000 эв, или 0,5 Мэв. Современные огромные машины Ван-де-Граафа, занимающие целые здания, могут вырабатывать разность потенциалов в несколько миллионов вольт и пропускать очень большие ионные токи. Были надежды получить еще более высокое напряжение, но стоимость установки и изоляторов в таком случае резко возросла бы. Поэтому вместо того, чтобы непосредственно создавать огромные напряжения, экспериментаторы попытались сложить действие многих сравнительно малых напряжений. В Калифорнии был построен первый большой циклотрон. В Кавендишской лаборатории в Кембридже молодые сотрудники Резерфорда создали установку, в которой многократно использовалось напряжение от выпрямителя переменного тока. Они складывали напряжение ступеньками, подобно лестнице. Специальные радиолампы искусно переключали заряжающее напряжение с одного конденсатора на следующий в высокой башне из конденсаторов, создавая таким образом большое напряжение на всей башне.
Резерфорд, как всегда, стремившийся испробовать новые средства для бомбардировки ядер, нетерпеливо относящийся ко всякого рода задержкам, однажды сказал: «Что ж, посмотрим, что наконец у вас получилось». Их ожидал большой успех: оказалось, что протоны, разогнанные в их установке до энергии всего 150 000 эв, смогли проникнуть в ядра атома лития и вызвать их распад на два атома гелия. Это искусственное расщепление атомного ядра проходило в масштабах много раз больших, чем случайно обнаруженное ранее Резерфордом расщепление атомов азота (фиг. 106). Человечество смогло отныне заставить «делиться» маленькие ядра атома лития[150].
Фиг. 106. Расщепление ядра атома лития.
Циклотроны
В это же время строился циклотрон, ускоряющий пучки ионов до высоких энергий по совершенно другому принципу. Вместо того чтобы создавать источники напряжения на миллионы вольт и более, подключать их к большим ионным пушкам, преодолевать большие трудности с надежной изоляцией установки, нельзя ли многократно использовать значительно меньшее напряжение, скажем 30 000 в, доводя энергию ионов до очень большой величины, не используя нигде в установке соответствующую данной энергии огромную разность потенциалов? Образно говоря, для того чтобы бросить мяч с очень большой скоростью, нельзя ли вместо одного гигантского броска, сделанного великаном, добиться этой же цели, последовательно ударяя мяч достаточно большое число раз? Для мяча одно из таких решений состояло бы в том, чтобы привязать его веревкой к столбу, как это делается в детском теннисе, и ударять его каждый раз, когда он проходит полную окружность. Таков же основной принцип работы циклотрона. Нельзя, конечно, привязать ионизованный атом к столбу, но его можно заставить двигаться по круговой орбите, поместив ион в магнитное поле, перпендикулярное его траектории (фиг. 108). Если атом движется по такой окружности, его можно разгонять, периодически создавая в определенных участках траектории электрическое поле.
Фиг. 108. Магнит циклотрона.
Как уже говорилось, для того чтобы частица двигалась по кругу, к ней нужно приложить магнитное поле, перпендикулярное направлению ее движения. Поэтому циклотрон снабжен огромным магнитом, единственное назначение которого — удерживать движущиеся ионы на круговых орбитах, чтобы к ним можно было прилагать ускоряющие силы снова и снова, используя электрическое поле. Мы не можем неоднократно ускорять ионы электрическим полем умеренной напряженности, просто создав его в области движения ионов, так как ионы будут одинаково часто двигаться как по направлению поля (ускоряясь на этих участках траектории), так и против поля (теряя энергию на этих участках), так что желаемого ускорения вовсе не произойдет. Для этой цели нужно использовать небольшую хитрость, выключая или включая электрическое поле в подходящие моменты времени; этим мы предотвратим ненужное торможение ионов на определенных участках траектории, заставив электрическое поле только ускорять ионы.
Чтобы увидеть, как это делается практически, рассмотрим следующую упрощенную схему циклотрона.
Фиг. 109.
а — магнит из мягкого железа намагничивается током, текущим по двум катушкам, так что в зазоре между полюсами магнита создается строго вертикальное и практически однородное магнитное поле; б — камера В — это прямоугольная коробка, в которую заключены ионный источник, дуанты для создания ускоряющих электрических полей и зонды для измерений в пучке ускоренных ионов. В камере поддерживается высокий вакуум; в — токи в катушках намагничивают железо и создают магнитное поле. Катушки, как правило, охлаждаются водой.
Посредине зазора между магнитными полюсами находится откачанная до высокого вакуума большая коробка б, в которой ускоряются ионы. Это камера циклотрона. В ней находится источник протонов Н+, которые должны ускоряться. В камере расположены два ускоряющих электрода D и D'. Временно представим себе их в виде двух металлических пластин, расположенных друг против друга и подсоединенных к батарее, D — к положительному полюсу, a D'— к отрицательному. (На самом деле устройство в камере совсем другое, мы только временно рассмотрим эту модель, чтобы потом легче понять работу реальной установки.) Предположим, что напряжение батареи, к которой подключены электроды D и D', равно 20 000 в. Таким образом, в пространстве между заряженными электродами создается сильное однородное электрическое поле, а в других областях пространства (за пластинами) электрическое поле практически отсутствует.
Будем считать, что положительно заряженный ион образовался где-то в центральной области между D и D'. Под действием электрического поля он начнет двигаться к D'. Представим себе, что непосредственно в месте попадания иона на электрод D' в пластине имеется маленькая дырка, через которую он вылетает наружу, т. е. попадает в ту часть пространства, где электрическое поле пренебрежимо мало. Но магнитное поле перпендикулярно траектории иона, поэтому за электродом D' он будет двигаться по окружности. Описав полуокружность, ион снова подлетит к D', но уже с противоположной стороны. Представим, что и в этом месте сделана небольшая дырка. Влетев через эту дырку в пластине D', ион снова попадает в электрическое поле, но теперь уже он движется против поля и поэтому замедляется. При этом скорость иона уменьшится ровно на столько, на сколько она возросла при его ускорении. Чтобы увеличить энергию иона и на этом этапе его движения, необходимо изменить направление электрического поля на противоположное. Другими словами, пока ион пролетает полуокружность за D', нужно отключить батарею и затем присоединить ее к электродам D и D' противоположным способом. В этом случае, вернувшись в область D-D', ион получит новый ускоряющий «шлепок». Далее, вылетев быстрее через дырку в пластине D, ион снова движется по полуокружности, но большего радиуса, чем раньше, так как после ускорения скорость его возросла. Когда он через дырку в D снова попадет в электрическое поле, необходимо, чтобы направление поля было таким же, как в начале движения, т. е. за время движения иона за электродом D необходимо снова переключить полюсы батареи.
Фиг. 110. Движение ионов в упрощенном циклотроне. Ионы предварительно ускорены электрическим полем между пластинами D и D' внутри камеры.
а — ион ускоряется; б — ион вылетает через дырку в D', но так как он движется в магнитном поле, то начинает вращаться по круговой траектории; в, г — ион продолжает двигаться по круговой траектории, не меняя величины скорости (так как он вне электрического поля); д — ион через дырку снова влетает в электрическое поле; е+ — если электрическое поле такое же, как и раньше, то ион замедляется, но г — если направление электрического поля изменится на противоположное, то ион будет снова ускоряться; ж — после первого ускорения, движения по полуокружности и второго ускорения ион снова вылетает через дырку в пластине D, но с возросшей скоростью; з — магнитное поле изгибает траекторию иона в полуокружность большего радиуса, так как ион движется быстрее, и т. д.
Теперь вы видите, какая получается история. Ион вращается по раскручивающейся спирали, состоящей из полуокружностей, двигаясь все быстрее и быстрее после каждого «шлепка» электрическим полем; но это электрическое поле должно менять направление на противоположное каждый раз за время движения иона по полуокружности. Если заряд иона равен заряду электрона, то 20 000-вольтная батарея сообщает ему энергию 20 000 эв каждый раз, когда ион пролетает ускоряющий промежуток D-D'. Если ион начал движение из состояния покоя недалеко от электрода D, то, достигнув электрода D', он приобретет энергию 20 000 эв; следующую порцию энергии в 20 000 эв он получит, описав полуокружность, еще 20 000 эв — после следующей полуокружности и т. д. Таким образом, после каждой полуокружности энергия иона увеличивается на 20 000 эв, или на 40 000 эв в течение каждого цикла ускорения. Описав 1000 полуокружностей, ион разгонится до энергии 1000 х 20 000 эв, т. е. 20 Мэв. Такую же энергию ион приобрел бы от единственного «шлепка» батареи, создающей разность потенциалов 20 000 000 в. Изоляция и хранение такой батареи обошлись бы весьма дорого. Здесь же использовалась батарея напряжением только 20 000 в, изготовить которую сравнительно легко, а энергия и скорость ионов, предназначенных для бомбардировки других атомов, такие, как будто бы у нас была батарея на 20000000 в.
Это чудесно («теперь можно разбивать атомы»)! Но остались еще серьезные трудности. Каким образом быстро переключать батарею в нужные моменты времени? Как подобрать время переключения батареи при возрастании полуокружностей, по которым движется ион? Как предохранить ион от действия на него электрического поля (хотя и очень маленького) при его движении по полуокружностям вне ускоряющего промежутка D-D'? Как избежать бесполезной траты ионов, которые не попадают в дырки в электродах D и D', а застревают в металле? Это не второстепенные вопросы; чтобы установка заработала, на них должны быть найдены ответы. Сейчас мы покажем, как эти проблемы решаются в реальных ускорителях.
Нам необходимо изменять направление электрического поля на противоположное каждый раз, когда ион описывает полуокружность. Вместо батареи с быстродействующим переключателем используется источник переменного напряжения. В качестве такого источника применяется высокочастотный генератор, похожий на те, что имеются на радиостанциях, который периодически меняет направление электрического поля в промежутке D-D'. Но теперь возникает второй вопрос и, кажется, более серьезный. Сможет ли ион вовремя пройти каждую следующую полуокружность?
Чтобы получить полный ускоряющий импульс, ион должен попасть в промежуток D-D' в то время, когда разность потенциалов между D и D' максимальна. Если же он попадет туда немного раньше или немного позже, то ускорение будет меньшим. Если ион опоздает на четверть периода, то он вовсе не получит ускоряющего импульса, а при задержке на полпериода ион будет двигаться против электрического поля, т. е. будет тормозиться.
Очевидно, нужно подобрать такую частоту генератора, чтобы максимум напряжения в промежутке D-D' приходился на момент нахождения в нем иона, а за время движения иона по первой полуокружности поле успевало бы изменить свое направление и достичь максимального значения к моменту подлета иона к электроду. Но как быть с последующим движением иона, когда он начнет описывать все большие и большие полуокружности? Будет ли при этом ион успевать за периодическими изменениями электрического поля? Нужно ли менять частоту генератора таким образом, чтобы ионы каждый раз получали максимальный импульс, или можно заставить вращаться ионы по полуокружностям различных радиусов за одно и то же время? Вторая возможность была бы наилучшим решением проблемы, но можно ли ее осуществить? Другими словами, когда ион движется быстрее по большей полуокружности, будет ли путь достаточно длинным, чтобы пройти его за прежнее время? Для исследования этой задачи нужно было бы проделать «циклотронную алгебру» задачи 1. Проведите расчет, если вы этого еще не сделали, и вы обнаружите, что если магнитное поле постоянно во всей области движения иона, то и время движения иона по полуокружностям любого радиуса постоянно!
В этом основная причина простоты работы циклотрона. Генератор создает переменное напряжение фиксированной частоты, соответствующей величине магнитного поля и отношению е/М для кона (е — заряд, М — масса иона), которое в регулярные интервалы времени сообщает пучку ионов ускоряющие импульсы; ионы движутся по все увеличивающейся спирали, состоящей из полуокружностей нарастающих радиусов.
Фиг. 111. Усовершенствование упрощенного циклотрона.
Заменим пластины D и D' решетками, так чтобы ион мог свободно пролетать через отверстия и двигаться по спирали, состоящей из полуокружностей. Вместо того чтобы переключать туда-сюда клеммы батареи, подсоединим D и D' к генератору, так что в промежутке D — D' создается переменное электрическое поле. Это поле должно достигать максимального значения «+» или «—» через одинаковые промежутки времени, причем тогда, когда в эту область влетают ионы.
Фиг. 112. Усовершенствование упрощенного циклотрона до практически действующего устройства.
Вместо решеток D и D' поставим друг против друга пару дуантов (дуант — полая полукруглая коробка с открытым торцом) так, чтобы их торцы занимали место пластин D и D'. В пространстве между антами создается переменное электрическое поле. Полые дуанты экранируют ионы при их движении по полуокружностям от влияния случайных электрических полей.
Вернемся теперь к другим вопросам. Как предохранить ионы от действия электрического поля при их движении по полуокружностям за промежутком D-D' и как избежать бесполезной траты ионов при их столкновениях с электродами D и D'? Обе проблемы решаются одновременно, если заменить пластинки D и D' полыми коробками определенной формы. Известно, что внутри закрытой металлической коробки электрическое поле равно нулю; электрические заряды, подводимые к ней, располагаются на внешней поверхности металла, вследствие чего обращается в нуль электрическое поле как в стенках коробки, так и в пространстве внутри нее. В почти закрытой коробке электрическое поле практически везде равно нулю, за исключением областей пространства, непосредственно прилегающих к отверстию. Поэтому простые пластины D и D' мы заменим плоскими, почти закрытыми медными коробками, расположенными так, чтобы между их открытыми частями остался тот же узкий промежуток D-D'. Размеры коробок выбираются так, чтобы в них помещалась самая большая полуокружность траектории иона. Чтобы наглядно представить себе вид этих коробок, предположим, что мы разрезали в вертикальной плоскости на две равные половинки консервную банку.
В результате получились две коробки, имеющие форму D и D; вследствие такой формы их и называют «дуантами». Там, где в рассмотренной нами раньше грубой схеме располагались металлические пластины с отверстиями, в реальной машине находятся открытые плоскости дуантов. Таким образом, теперь ионы не теряются при столкновениях с электродами, так как они влетают в открытые щели дуантов; кроме того, ионы экранированы от влияния случайных электрических полей, так как их траектории почти полностью лежат в пространстве, ограниченном медными стенками дуантов.
Теперь мы должны рассмотреть другие проблемы: как создать ионы в пространстве между дуантами, как избежать нежелательных столкновений ионов с молекулами газа и, наконец, как «вывести» пучок ионов из циклотрона, т. е. как направить пучок ускоренных ионов на экспериментальные мишени — ведь именно с этой целью они и ускорялись? Ионы образуются при облучении газообразного водорода электронами из небольшой электронной пушки, расположенной вблизи центра камеры. Для этой цели внутрь камеры вводится тонкая струя водорода под низким давлением; большие насосы откачивают излишки водорода и случайно попавшие внутрь молекулы воздуха, поддерживая в камере максимально возможный вакуум.
Таким образом, полностью процесс ускорения ионов в циклотроне протекает следующим образом: в центре камеры циклотрона атомы водорода ионизуются потоком электронов; электрическое поле в промежутке D-D' сообщает образовавшимся ионам небольшую энергию; описав полуокружность внутри дуанта, ионы возвращаются в ускоряющий промежуток между дуантами как раз в тот момент, когда поле изменило направление и достигло максимальной величины, снова ускоряются, описывают полуокружность большего радиуса во втором дуанте, снова ускоряются в промежутке D-D' (электрическое поле успело снова изменить свое направление), описывают еще большую полуокружность в первом дуанте (скорость ионов возросла) и т. д. до тех пор, пока радиус самой большой полуокружности не сравняется с размерами дуантов. На самой дальней от центра орбите энергия ионов достигает огромного значения; в принципе экспериментальные образцы для облучения ионами могут быть внесены прямо внутрь камеры. Однако, для того чтобы вводить и выводить мишени из камеры, необходимо соорудить вакуумный шлюз (подобно люку в подводных лодках для выхода из лодки под водой). Кроме того, для многих экспериментов удобнее вывести пучок ионов с наибольшей полуокружности (т. е. обладающих наибольшей энергией) наружу через окошечко из тонкого листа металла в стенке кожуха. Пучок выводится при помощи «отклоняющей пластины», на которую подается соответствующее электрическое напряжение. Затем этими ионами высокой энергии, обычно протонами, можно бомбардировать по нашему выбору любую мишень, наблюдая при этом изумляющее разнообразие ядерных превращений.
Фиг. 114. Вертикальное сечение циклотрона.
Ионный источник в центре камеры состоит из электронной пушки, облучающей молекулы водорода (вводимые внутрь тонким потоком через трубку), которые сперва распадаются на атомы, а потом ионизуются, образуя ионы. Н+. Процесс ионизации происходит так быстро, что ионный источник похож на горящую электрическую дугу.
Фиг. 115. Использование циклотронного пучка.
а — «зонд» вводится так, что его конец захватывает пучок ионов внутри дуанта, на наибольшей полуокружности (т. е. когда ионы обладают максимальной энергией); б — «отклоняющая пластина», обладающая большим отрицательным потенциалом, изгибает траекторию ионов так, что они через окно в кожухе вылетают из циклотрона и по длинной пустой трубе подводятся к экспериментальной аппаратуре.
Циклотроны для более высоких энергий
Описанный выше простой циклотрон может ускорять ионы до энергий в несколько миллионов электронвольт. Если построить более крупный циклотрон, ожидая получить более высокие энергии, то окажется, что ионы с энергией несколько Мэв не успевают вовремя подлетать к ускоряющему промежутку. На внешних полуокружностях, где ионы должны были бы приобретать большую энергию, они вращаются все медленнее и медленнее. Другими словами, наша «циклотронная алгебра» в этом случае ввела нас в заблуждение. Почему же это произошло? Ведь если заряд иона не изменился и не изменилась величина магнитного поля (предполагается, что мы умеем строить электромагниты достаточно больших размеров), то, согласно классической ньютоновской механике, и время оборота иона по любой полуокружности не должно меняться при изменении ее радиуса. Причину этого явления объясняет специальная теория относительности. Согласно теории относительности, масса быстро движущегося иона увеличилась, так как кинетическая энергия сама по себе эквивалентна некоторой массе, которая складывается с массой покоя иона. Вследствие этого релятивистского увеличения массы ион не успевает за изменениями электрического поля. Можно исправить положение, модифицировав высокочастотный генератор. Сгусток ионов от ионного источника на ранних стадиях их движения ускоряется периодически, как это было описано раньше. Затем генератор медленно уменьшает частоту электрического поля, создавая все реже и реже ускоряющие импульсы в промежутке между дуантами, как раз тогда, когда туда подлетают потяжелевшие высокоэнергетические ионы. После многократного ускорения из маленького циклотрона, диаметр магнита которого составляет всего около 1 м, выводятся ионы огромной энергии — около 20 Мэв. Затем увеличивают частоту генератора до нормальной, чтобы таким же способом ускорить новую группу ионов. Изменение частоты генератора осуществляется изменением емкости в колебательном контуре. Меняя частоту генератора в широких пределах, можно добиться ускорения частиц в циклотроне до энергий в несколько сотен Мэв. Правда, в этом случае понадобятся огромные магниты, весом в тысячи тонн.
Специальная теория относительности
Согласно теории относительности, при увеличении кинетической энергии частицы скорость частицы хотя и увеличивается, но всегда остается меньше скорости света с, в то время как неограниченно увеличивается наблюдаемая масса частицы. Именно этот эффект и имеет место в больших ускорителях. Это повышает стоимость и требует изменения устройства машины. При высоких скоростях масса протона возрастает; из-за этого мы вынуждены тратить средства на создание схем, «модулирующих частоту» генератора циклотрона. В больших кольцевых ускорителях ионы приобретают наибольшую энергию на поздних стадиях «ускорения», когда они описывают полуокружности почти за одно и то же время, так как их скорость очень близка к с и почти не меняется при дальнейшем ускорении; это обстоятельство должно быть учтено при модуляции частоты генератора[151]. Релятивистское увеличение массы выведенных из циклотрона протонов должно проявляться при их столкновениях с мишенями.
Наличие предельной скорости в релятивистской механике даже упрощает конструкцию электронных ускорителей: уже на первых этапах ускорения скорость электронов так близка к с, что последующее движение электронов происходит по круговым орбитам постоянного радиуса и за одно и то же время Т = 2πR/с. Правда, с каждым оборотом электрона увеличивается его кинетическая энергия и, следовательно, масса; поэтому, чтобы удержать его на данной орбите, по определенному закону должно возрастать и магнитное поле. Таким образом, релятивистская механика и опыт полностью согласуются.
Необходимость еще больших энергий
Частицы еще больших энергий являются очень ценным инструментом исследования ядер. При столкновениях с ядрами они могли бы вызвать новые ядерные превращения. Физики заинтересовались, можно ли при помощи частиц достаточной энергии получить новые виды материи (т. е. новые виды элементарных частиц). Известно, что фотон энергии 1 Мэв и больше может «родить» пару электронов с отрицательным и положительным зарядами. Какова должна быть энергия, чтобы «родилось» ядро атома водорода, которое примерно в 2000 раз тяжелее электрона? Казалось бы, в 2000 раз больше энергии, необходимой для возникновения электрона, т. е. 2000 Мэв. Однако из простой теории столкновений следует, что этой энергии недостаточно. Для рождения «протонной пары», т. е. протона и «антипротона» — таинственного и давно предсказываемого отрицательно заряженного партнера протона, который был открыт совсем недавно, — потребуется значительно большая энергия, примерно 5000 Мэв. Такая «пара» возникает дополнительно к исходной налетающей бомбардирующей частице, т. е. является будто бы «материей ниоткуда»; на самом деле масса пары возникла за счет кинетической энергии налетающей частицы.
При столкновениях ионов с ядрами рождаются и другие элементарные частицы. Это мезоны, обладающие различными массами, промежуточными между массой электрона и массой протона и электрическими зарядами — е, 0, е. Как оказалось, эти странные короткоживущие частицы играют важную роль, связывая ядра воедино, и физики-ядерщики принялись тщательно изучать их свойства. Вместо того чтобы ждать, пока несколько таких мезонов появится в космических лучах, мы можем сами производить их, бомбардируя различные мишени ионами высоких энергий из ускорителей. Но для создания плотных потоков мезонов необходимы ионы с энергией от 500 до 1000 Мэв или даже больше. Таким образом, в этой новой и очень важной области появляется новая единица[152] энергии — Бэв (биллион электронвольт).
Кольцевые ускорителя
Чтобы построить циклотрон, ускоряющий ионы до энергии в несколько Бэв, необходимо затратить слишком много металла на магниты. А нельзя ли сделать так, чтобы магнит находился только вокруг наибольшей устойчивой орбиты, т. е. чтобы посреди магнита было большое, диаметром в десятки метров, отверстие, а камера имела форму бублика? Можно, такова конструкция кольцевых ускорителей. Некоторые из них уже построены и действуют, причем получили специальные названия: «космотрон», «бэватрон» и т. д. Их гигантские кольцевые магниты собраны из многих С-образных тонких секций. Между «челюстями» магнита помещена вакуумная камера в форме бублика. Один дуант расположен внутри короткой экранированной «дрейфовой трубы», а другим является вся оставшаяся часть бублика. Ионы ускоряются переменным электрическим полем, создаваемым в зазорах у концов дрейфовой трубы. Частицы, которые должны ускоряться такими машинами, ионизуются и предварительно ускоряются до энергий в несколько Мэв малыми ускорителями, типа генератора Ван-де-Граафа. Затем они инжектируются в бубликообразную камеру и вращаются внутри нее, приобретая после каждого оборота дополнительную энергию за счет электрического поля, создаваемого высокочастотным генератором. Поскольку теперь область движения ионов ограничена тороидальной, т. е. в виде бублика, камерой, при увеличении энергии ионы не могут переходить на окружности большого радиуса, как в циклотроне. Вместо этого с ростом энергии ионов должно меняться магнитное поле, удерживающее их на данной орбите. Вначале, когда ионы только инжектируются в камеру и, следовательно, их энергия мала, магнитное поле тоже мало. По мере увеличения скорости частиц должно увеличиваться и магнитное поле, чтобы ионы постоянно двигались по одной и той же орбите. После миллиона (или около этого) оборотов внутри камеры энергия ионов достигает заданного максимального значения; отклоняющая система выводит ионы для бомбардировки мишеней. Затем магнитное поле уменьшается до первоначального значения, ускоритель готов принять следующую порцию инжектируемых ионов.
Куда деть энергию, запасенную огромным магнитом, когда после цикла ускорения необходимо уменьшить магнитное поле? Нельзя допустить, чтобы она бесполезно терялась, а потом дорогой ценой снова производить ее для ускорения очередной группы частиц. Следовательно, ее нужно сберечь, используя либо огромные маховики, либо систему гигантских конденсаторов и дросселей (энергия магнита в первом случае запасается в виде механической, а во втором — в виде электромагнитной энергии).
Так как ионы все время движутся по одной и той же орбите, частота генератора должна меняться: после каждого оборота энергия ионов увеличивается, и, следовательно, возрастает, хотя и не намного, их скорость. Поэтому должны быть специальные схемы, которые согласованно увеличивали бы частоту генератора и напряженность магнитного поля. Такие схемы успешно разработаны; большие машины, использующие их, ускоряют ионы до энергии 5 Бэв и более. При столкновении протонов такой высокой энергии (масса протонов при этом увеличивается примерно в 6 раз) с ядрами мишени образуются целые пучки мезонов и даже антипротоны, свойства которых теперь исследуются.
Фиг. 116. Кольцевой ускоритель.
Гигантский кольцевой магнит построен из множества тонких С-образных секций. Камера в виде бублика помещается между «челюстями» кольцевого магнита.
Фиг. 117. Кольцевой ускоритель.
Быстрые ионы, предварительно ускоренные на установках типа генератора Ван-де-Граафа, инжектируются в кольцевой ускоритель, совершают в нем около миллиона оборотов (энергия их при этом достигает нескольких Бэв) и затем отклоняющей системой выводятся наружу.
Задачи к главе 42
Задачи 1, 2. Предварительные задачи (на последней странице предыдущей главы)
Задача 3. Циклотрон и альфа-частицы
Предположим, что циклотрон, рассчитанный для ускорения протонов, используется для ускорения альфа-частиц, являющихся дважды ионизованными атомами гелия Не++, т, е. ядрами атомов гелия, масса которого в 4 раза, а заряд в 2 раза больше, чем у протона. Магнитное поле циклотрона не меняется.
а) Как следует изменить, если нужно вообще, частоту генератора?
б) Какой будет кинетическая энергия альфа-частиц по сравнению с расчетной кинетической энергией протонов? (Релятивистскими поправками пренебрегите.)
Задача 4. Линейный ускоритель
Представим, что «спиральная» траектория ионов в циклотроне развернута в прямую линию. Тогда, не принимая во внимание магнит, циклотрон превратится в «линейный ускоритель». Подобные машины сконструированы и хорошо работают, но очень дороги. Для движения ионов необходимо строить очень длинные трубы, откачанные до высокого вакуума. Ионы создаются в одном конце трубы, ускоряются при движении вдоль трубы и попадают на мишень в противоположном конце. Частицы ускоряются электрическим полем, создаваемым с определенными интервалами вдоль трубы. В одном из вариантов линейного ускорителя внутри вакуумной трубы располагается серия металлических цилиндров А, В, С, D, Е…, удлиняющихся по мере удаления от ионного источника, которые экранируют ионы при их движении внутри цилиндров и, обладая разным потенциалом, создают ускоряющее электрическое поле в узких щелях между собой. Для этого цилиндры через один, т. е. А, С, Е, …, соединены с одним полюсом высокочастотного генератора, а лежащие между ними цилиндры В, D… — с другим.
а) Как связаны между собой расстояние между ускоряющими промежутками А2-В1, В2-С1…., скорость ионов (постоянная внутри цилиндров) и частота генератора, если ионы влетают в каждый ускоряющий промежуток в тот момент времени, когда электрическое поле в нем максимально?
б) Как должны быть расположены ускоряющие промежутки (т. е. как нужно менять длины цилиндров), чтобы происходило ускорение медленных ионов из состояния покоя при постоянной частоте генератора?
в) Как должны быть расположены ускоряющие промежутки (частота генератора постоянна), чтобы ускорялись очень быстрые частицы (например, электроны, предварительно ускоренные до энергий в несколько Мэв)?
Фиг. 118. К задаче 4. Линейный ускоритель.