Ускорители заряженных частиц

Стать богатеем иной норовит, Золото копит, ночами не спит.

Не все то золото, ах, не все то золото, Хоть и сверкает и даже звенит.

Это слова из песни известного физика Сергея Никитина^[1]. «Золотая тема» была популярной во все времена. В апреле 1941 г. на совещании американских физиков в Нэшвилле А. Шерр и К. Бэйнбридж из Гарвардского университета доложили об успешных результатах опытов по искусственному получению золота. Они направили разогнанные в ускорителе дейтроны на литиевую мишень и получили поток быстрых нейтронов, который был использован для бомбардировки ядер ртути. В результате ядерного превращения было получено золото.

Для того чтобы понять суть вопроса, рассмотрим ускорители заряженных частиц. Ускоритель — это установка, предназначенная для придания заряженным частицам высокой скорости. Частица, движущаяся с высокой скоростью, несет в себе колоссальный запас кинетической энергии (Е_кш = = mv²/2) и способна передавать эту энергию другим частицам при столкновении.

Вспомним два соседних элемента из таблицы Менделеева: золото и ртуть (₇₉Au, ₈₀Hg). Если выбить один протон из ядра атома ртути, то она превратится в атом золота. А сделать это можно пучком быстро движущихся электронов, вышедших из ускорителя.

Ускорители можно разделить на два типа: линейные и циклические.

Линейные ускорители. Во всех видах линейных ускорителей частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно, но вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющемся в течение всего времени ускорения частиц. Для придания частицам достаточного ускорения необходима большая разность потенциалов, вследствие чего линейные ускорители являются высоковольтными. Линейный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше). Принцип действия линейного ускорителя изображен на рис. 6.36.

Например, в ускорителе Ван де Граафа ускоряющее напряжение создается генератором, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения составляет ~ 20 МВ, максимальная энергия частиц ~ 20 МэВ.

В каскадном ускорителе ускоряющее напряжение ~ 5 МВ создается каскадным генератором, который преобразует низкое переменное напряжение, но схеме диодного умножителя.

В трансформаторном ускорителе высокое переменное напряжение создает высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.

В импульсном ускорителе высокое напряжение создается импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

Рис. 6.36. Принцип действия линейного ускорителя.

Циклические ускорители. Сначала разберем основной принцип ускорения заряженных частиц, который используется в циклических ускорителях. Мы уже обсуждали то, что на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Направление этой силы изображено на рис. 6.29. Здесь лишь напомню, что сила Лоренца всегда перпендикулярна линиям индукции магнитного поля. Это приводит к тому, что линейная траектория движения заряженной частицы в магнитном поле меняется на циклическую (круговую). На частицу, движущуюся по круговой траектории, действуют две силы, которые уравновешивают друг друга: центробежная сила и сила Лоренца, т. е.

Из последнего соотношения следует, что при неизменной величине магнитного поля (В = const) и удельного заряда частицы (q/m) радиус ее траектории линейно зависит от скорости движения, и наоборот.

Период, т. е. время одного полного оборота, есть отношение пути к скорости частицы. В свою очередь, путь, пройденный частицей за один оборот, есть длина окружности.

Если считать величину магнитного поля неизменной (В = const), то период обращения частицы есть величина постоянная, т. е. Т = const. Это свойство и заложено в основу принципа ускорения заряженных частиц в циклических ускорителях. Достаточно придать движущейся частице некоторое ускорение (увеличить скорость), как вырастет радиус ее траектории (формула (6.21)), но период при этом остается неизменным. Следовательно, чтобы пройти больший путь за то же время, частице необходимо двигаться с большей скоростью. А дальнейший рост скорости снова приведет к увеличению радиуса траектории и росту скорости. В некотором смысле, процесс этот напоминает самоускорение. То есть достаточно придать частице некоторое начальное ускорение, как она продолжит дальше ускоряться сама.

На этом принципе основан простейший циклический ускоритель — бетатрон.

Бетатрон. При помощи магнитов создается магнитное поле (В), в которое помещается ускоренно движущаяся заряженная частица (рис. 6.37, а).

Под действие силы Лоренца траектория движения частицы закручивается в спираль, радиус которой увеличивается по мере роста скорости частицы. Процесс этот стремительно быстр. За время t — 10 ³ с частица совершает N — 1 млн оборотов и, увеличив радиус траектории, покидает ускоритель. Если скорость частицы строго перпендикулярна направлению индукции магнитного поля (?; J_ В), то плоскость вращения частицы будет лежать между магнитами, но при малейшем нарушении перпендикулярности частица уже через 10 ³ с совершит 1 млн оборотов и окажется на полюсе магнита (см. рис. 6.29, в). Чтобы уйти от такой проблемы, используют электромагниты, т. е. катушки с проводником, через которые проходит переменный электрический ток. Такая катушка является магнитом, полярность которого меняется с той же частотой, что и электрический ток в ней.

Рис. 6.37. Циклические ускорители:

а — бетатрон; б — циклотрон Следовательно, если нарушена перпендикулярность плоскости вращения заряженной частицы и направления магнитного поля, то плоскость вращения частицы будет лишь колебаться с заданной током частотой между полюсами магнита. В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле (В), которое отклоняет движущуюся частицу и направляет ее на мишень.

Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ). Впервые бетатрон был разработан и создан в 1928 г., однако первый надежно работающий бетатрон был создан лишь в 1940—1941 гг. в США.

Циклотрон. В циклотроне реализован тот же самый принцип ускорения, что и в бетатроне, однако для достижения больших скоростей (энергий) введены дополнительные конструктивные особенности. Как и в бетатроне, в циклотроне используется переменное магнитное поле, в которое помещается ускоренно движущаяся заряженная частица (рис. 6.37, б). Под действие силы Лоренца частица начинает вращаться по спирали увеличивающегося радиуса, набирая скорость. Чтобы придать частице дополнительное ускорение, на нее, помимо переменного магнитного поля, воздействуют переменным электрическим (Е), см. рис. 6.37, б. Однако направление электрического поля должно быть параллельным скорости частицы, иначе электрическое поле отклонит частицу от своей траектории. Но ведь частица движется по спирали, а создать электрическое поле такой формы проблематично. Поэтому частицу помещают внутрь дуантов, которые напоминают консервную банку, разрезанную на две половины (см. рис. 6.37, б). Как вы уже знаете из предыдущих тем, металл, из которого изготовлены дуанты, экранирует электрическое поле, т. е. оно не проникает внутрь дуантов, пока скорость частицы не параллельна направлению электрического поля. В момент же пролета частицы в пространстве между дуантами она чувствует на себе действие электрического поля и испытывает дополнительное ускорение. Набрав необходимую скорость, заряженная частица вылетает из циклотрона через специально созданное отверстие в виде канала (см. рис. 6.37, б).

Первый циклотрон появился в 1930 г. Современные циклотроны способны разгонять тяжелые ионы до энергий порядка 500 МэВ. Как и бетатрон, циклотрон имеет ограничение по энергии ускорения. Ограничение это связано с проявляющимся при больших скоростях релятивистским эффектом. Из специальной теории относительности Алберта Эйнштейна мы знаем, что при движении с большими скоростями релятивистская масса частицы возрастает.

следовательно, растет и период обращения частицы.

В результате теряется синхронизация периода обращения частицы с частотой переменных электрического и магнитного нолей.

Возникает вопрос: можно ли подкорректировать частоты этих полей так, чтобы добиться синхронизации и продолжить дальнейшее ускорение частиц? Можно. Такое устройство называется фазотрон.

Фазотрон. В фазотроне электроника корректирует частоту ускоряющего электрического поля за счет автофазировки, отсюда и название ускорителя. Фазотрон способен ускорять частицы до энергий в 600—700 МэВ.

Синхротрон. Но ведь синхронизации можно добиться также за счет изменения частоты магнитного поля, таким образом, чтобы т/В = const. При этом частота электрического поля остается постоянной. В этом суть синхротрона.

Синхрофазотрон. Но и это еще не предел. Что, если менять как частоту электрического поля, так и частоту магнитного? И это можно. Перед нами синхрофазотрон — т. е. это такой циклотрон, в котором используется автофазировка электрического и магнитного нолей.

Синхрофазотрон был сооружен в Дубне, в Объединенном институте ядериых исследований, в 1957 г. под руководством академика Владимира Иосифовича Векслера^[2] и позволил ускорить пучки протонов до энергии в 10 ГэВ. В настоящее время ускоритель демонтируется.

Коллайдер — это ускоритель встречных пучков. Он предназначен для изучения продуктов соударений встречных пучков. С помощью коллайдеров удается придать элементарным частицам высокую кинетическую энергию (скорость), направить их навстречу друг другу, чтобы произвести столкновение.

По виду коллайдеры делятся на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер (БАК) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРП), и линейные. На сегодняшний день в мире действуют семь коллайдеров. Из них два — в Новосибирске, два — в США, по одному — в Китае и Италии. Самый же крупный — БАК — имеет длину кольца более 26 км и располагается на границе Швейцарии и Франции.

В коллайдере предполагается сталкивать частицы с общей энергией до 14 ТэВ (14−10¹² электрон-вольт).

Масс-сиектроскоиия есть способ определения состава пучка заряженных частиц. Пучок частиц направляется перпендикулярно направлению магнитного ноля (рис. 6.38). Под действием силы Лоренца траектория движения частиц становится круговой, а радиус траектории определяется выражением (6.21). Таким образом, этот радиус является функцией удельного заряда частицы (q/m).

Рис. 638. Масс-спектроскопия.

То есть частицы, вылетевшие из одной точки, пройдя через магнитное поле, попадают в разные точки, в которых и детектируются. Масс-спектроскопия используется практически во всех областях человеческой деятельности для исследования состава вещества.

• [1] Сергей Яковлевич Никитин (род. в 1944 г.) — выпускник физического факультета МГУимени М. В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук, широкой публике большеизвестен как бард, автор музыки и исполнитель песен.
• [2] Владимир Иосифович Векслер (1907—1966) — советский физик-экспериментатор, основоположник ускорительной техники в СССР, создатель синхрофазотрона ОИЯИ, академик АН СССР.