Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы это осуществить, Из инг предложил ввести в ускорительную трубку несколько металлических полых цилиндров. Сначала источник напряжения следовало подклю
ПО
Рис. 31. Линейный резонансный ускоритель:
1 - источник ионов; 2 - мишень; 3 - высокочастотный генератор
чить между источником ионов и первым щшиндром, в результате летящие в направлении цилиндра ионы набирали бы максимально возможную энергию 20 кэВ. Если затем источник напряжения быстро переключить, соединив его отрицательный полюс со вторым цилиндром, а положительный — с первым, то в промежутке между этими цилиндрами ионы оказались бы опять в ускоряющем поле и приобрели бы еще 20 кэВ, и т. д. Но чтобы ионы все время ускорялись, необходимо было успевать переключать источник напряжения всякий раз при их подходе к очередному промежутку. Очевидно, что оператор не в состоянии проследить за движением ионов, а найти удовлетворительный способ автоматического переключения источника напряжения в такт прохождениям ионов через промежутки между Цилиндрами Изинг не смог.
Эту задачу решил в 1931 году американский физик Лоуренс. Используя идею Изинга, он построил ускоритель, в котором металлические цилиндры соединялись через один с полюсами высокочастотного генератора (рис. 31). При таком включении в любой момент времени электрическое поле имеет нужное для ускорения направление только в половине зазоров. Но если подобрать длину трубок-цилиндров и частоту генератора с таким расчетом, чтобы за время движения ионов внутри трубки электрическое поле успевало сменить знак, то начавшие ускоряться ионы в каждой щели будут попадать в поле нужного направления и постепенно набирать энергию. Созданная система получила название линейного ускорителя, а так как для его работы необходимо, чтобы частота электрических колебаний соответствовала движению частиц, или, другими словами, чтобы частицы двигались в резонанс с изменениями поля в зазорах между трубками, то к названию ускорителя добавляют еще слово резонансный.
111
Резонансный линейный ускоритель получился довольно длинным, поэтому в дальнейшем Лоуренс решил свернуть его в спираль. А для того чтобы заставить частицы лететь по спирали, он поместил всю установку в магнитное поле. Так был создан циклотрон - один из наиболее распространенных в настоящее время резонансных ускорителей.
Циклотрон имеет только два ускоряющих электрода, форму которых можно представить, если нераскрытую плоскую консервную банку мысленно разрезать по диаметру и слегка раздвинуть получившиеся половинки (рис. 32). Эти электроды (обычно их называют дуантами) помещают в вакуумную камеру, а потом все вместе вставляют в зазор между полюсами большого электромагнита. Затем дуанты подключают к высокочастотному генератору, а в середине камеры между ними включают новый источник (электрическую дугу).
Ускорение ионов в циклотроне происходит примерно так же, как и в линейном ускорителе. Ион ускоряется, пролетая щель в направлении от положительно заряженного дуанта к отрицательному. Пока ион внутри дуанта делает половину оборота» направление поля успевает измениться на противоположное и ион в щели получает новую порцию энергии. Чем больше становится энергия иона, тем труднее магнитному полю поворачивать его, поэтому по мере ускорения ионы летят по дугам окружностей все большего и большего радиуса, так что в целом их траектория напоминает развертывающуюся спираль. Энергия иона связана с радиусом его траектории простым соотношением. Когда-то мы уже пользовались формулой mv2/r = e\B, выражающей равенство центробежной и центростремительной сил. Сокращая скорость, получаем выражение для количества
Рис. 32. Циклотрон (обозначения те же, что на рис. 31)
112
движения частицы
p=mv = erB9
откуда энергия частицы
Е = р21(2т) = е2г2В2/(2т).
Магнитное поле в циклотроне во всех точках примерно одно и то же, так что энергия иона пропорциональна квадрату его расстояния от центра. Ускорение заканчивается, когда ион долетает до края дуанта. Приобретаемую им максимальную энергию можно найти с помощью последнего соотношения, в которое в качестве г надо подставить радиус дуанта гд.
Очень важной особенностью циклотрона является независимость времени оборота иона от его энергии. В самом деле, соотношение для количества движения частицы можно записать несколько иначе:
v/r = еВ/т.
Стоящее слева отношение v/r выражает угловую частоту вращения частицы Co9 которая равна 2п/Т. Таким образом, период вращения частицы в циклотроне T выражается через постоянные величины е9 B9 т9 а значит, он и сам постоянен. Именно благодаря этому обстоятельству циклотрон можно питать электрическим напряжением постоянной частоты. При этом летящие со все возрастающей скоростью ионы будут проходить щель между пуантами каждый раз в такие моменты, когда поле в ней направлено в нужную для ускорения сторону.
Казалось бы, в циклотроне можно получить ионы любой энергии, если только радиус камеры и напряженность магнитного поля в ней сделать достаточно большими. Однако на самом деле ускорить протоны до энергий выше 25—30 МэВ в циклотроне не удается. Дело в том, что предсказанная теорией относительности зависимость массы частицы от скорости приводит при этих энергиях к заметному увеличению массы ускоряемых протонов, вследствие чего период их обращения в циклотроне увеличивается. Протоны начинают отставать от ускоряющего поля и, наконец, попадают в щель между дуантами настолько поздно, что электрическое поле в щели из ускоряющего становится замедляющим. Дальнейшее ускорение частиц при этом невозможно, несмотря на то что они еще не долетели до края пуантов. Таким образом, все усилия, связанные с соз-
