Справочники. Словари. Энциклопедии

 Энциклопедический словарь юного техника

У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра — обстрелять его частицами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений,    возникающих    при    естественном распаде радиоактивных элементов. Но вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже «заглянуть» в ядро, физикам пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких энергий.

Известно, что, попав между электродами с разным зарядом, заряженная частица, например электрон или протон, ускоряет движение под действием электрических сил. Это явление и породило идею создания в 30-е гг. XX в. так называемого линейного   ускорителя.

По конструкции линейный ускоритель представляет собой длинную "прямую трубку-камеру, внутри которой поддерживается вакуум (см. рис.). По всей длине камеры расставлено большое количество металлических трубок-электродов. От специального генератора высокой частоты на электроды подают переменное электрическое напряжение — так, что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова положительный электрод, за ним — отрицательный.

Пучок электронов выстреливается из электронной «пушки» (см. Микроскоп электронный) в камеру и под действием потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, проскакивая сквозь него дальше. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь уже он отталкивает от себя электроны, как бы подгоняя их сзади. А второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Потом, когда электроны пролетят через него, он снова станет отрицательным и подтолкнет их к третьему электроду.

Так по мере движения вперед электроны постепенно разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в сотни миллионов электрон-вольт. Через установленное в конце трубы окошко, непроницаемое для воздуха, порция ускоренных электронов обрушивается на изучаемые объекты микромира — атомы и их ядра.

Нетрудно понять, что чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем длиннее должна быть труба линейного ускорителя — десятки, а то и сотни метров. Но не всегда это возможно. Вот если бы свернуть трубу в компактную спираль! Тогда такой ускоритель свободно мог бы разместиться в лаборатории.

Провести эту идею в жизнь помогло еще одно физическое явление. Заряженная частица, попав в магнитное поле, начинает двигаться не по прямой, а «завивается» вокруг магнитных силовых линий. Так появился еще один тип ускорителя — циклотрон.

Основная часть циклотрона — мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера (см. рис.). Она состоит из двух полукруглых металлических коробок, разделенных небольшим зазором. Эти коробки — д у а н т ы — служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц — что-то вроде электронной «пушки».

Вылетев из источника, частица (предположим, что теперь это положительно заряженный протон) сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный момент отрицательно. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время первый электрод стал уже положительным и теперь выталкивает частицу, в то время как другой втягивает ее в себя. Так, переходя из одного дуанта в другой, частица набирает скорость и описывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью специальных магнитов на мишени экспериментаторов.

Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они становятся тяжелее и начинают, постепенно отставать от меняющего свой знак электрического напряжения на дуантах. Они уже не попадают в такт электрическим силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сообщить частицам в циклотроне, составляет 25—30 МэВ.

Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения, поочередно подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в такт «отяжелевшим» частицам. Ускоритель такого типа называется синхроциклотроном.

На одном из крупнейших синхроциклотронов в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой) получают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны (ядра тяжелого водорода—дейтерия) с энергией 380 МэВ. Для этого потребовалось соорудить вакуумную камеру диаметром 3 м и электромагнит массой 7000 т!

По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость строить 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 большое число магнитных секций, расположенных друг за другом вдоль кольца. Специальные электростатические или индукционные устройства, как бы передавая эстафету друг другу, разгоняют частицы до громадных энергий (см. рис.).

Один из самых крупных в мире — протонный синхрофазотрон Института физики высоких энергий под Серпуховом, вступивший в строй в 1967 г. Диаметр ускорительного кольца составляет 500 м, общая масса 120 магнитных секций достигает 20 000 т. Каждые 2 с ускоритель выстреливает по мишеням залпом из 1012 протонов с энергией 76 ГэВ. Чтобы достигнуть такой энергии, частицы должны совершить 400 000 оборотов, преодолев расстояние в 60 000 км! А в 1973 г. американские физики привели в действие в г. Батавии ускоритель, в котором частицам удавалось сообщить энергию в 400 ГэВ, а потом довели ее до 500 ГэВ. В нашей стране сооружается самый мощный ускоритель с фантастической энергией — 3000 ГэВ!

Растут энергии, и все глубже проникают физики в таинственный микромир, открывая неведомые прежде явления природы. Могучий арсенал ускорительной техники берут на вооружение многие отрасли науки и производства. С помощью небольших циклических ускорителей — бетатронов — получают пучки электронов с энергией 100—200 МэВ, которые применяются для дефектоскопии в технике и лучевой терапии в медицине. Тонкие, как невидимые иглы, пучки быстрых ионов используются в полупроводниковой промышленности для создания  электронных  микросхем   и  т. д.