Ускорители заряженных частиц, раздел «Физик»

Чтобы проникнуть в тайны микромира, человек изобрел микроскоп. Со временем выяснилось, что возможности оптических микроскопов весьма ограничены — они не позволяют «заглянуть» в глубь атомов. Для этих целей более подходящими оказались не световые лучи, а пучки заряженных частиц. Так, в знаменитых опытах Э. Резерфорда использовался поток α-частиц, испускаемых радиоактивными препаратами (см .Атом). Однако природные источники частиц (радиоактивные вещества) дают пучки очень малой интенсивности, энергия частиц оказывается относительно невысокой, к тому же эти источники неуправляемы. Поэтому возникла проблема создания искусственных источников ускоренных заряженных частиц. К ним относятся, в частности, электронные микроскопы, в которых используются пучки электронов с энергиями порядка 10⁵ эВ.

В начале 30-х гг. нашего столетия появились первые ускорители заряженных частиц. В этих установках заряженные частицы (электроны или протоны), двигаясь в вакууме под действием электрических и магнитных полей, приобретают большой запас энергии (ускоряются). Чем больше энергия частицы, тем меньше ее длина волны (см. Квантовая механика) и тем, следовательно, в большей степени подходят такие частицы для «прощупывания» микрообъектов. В то же время с возрастанием энергии частицы раширяется число вызываемых ею взаимопревращений частиц, приводящих, в частности, к рождению новых элементарных частиц. Следует, однако, иметь в виду, что проникновение в мир атомов и элементарных частиц обходится недешево. Чем выше конечная энергия ускоряемых частиц, тем более сложными и крупными оказываются ускорители; их размеры могут достигать нескольких километров. Существующие ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до сотен ГэВ (1 МэВ = 10⁶ эВ, 1 ГэВ = 10⁹ эВ, 1 ТэВ = = 10¹² эВ). Интенсивность пучков частиц достигает 10¹⁵ — 10¹⁶ частиц в секунду; при этом пучок может быть сфокусирован на мишени площадью всего несколько квадратных миллиметров. В качестве ускоряемых частиц чаще всего используются протоны и электроны.

Наиболее мощные и дорогостоящие ускорители строятся с чисто научными целями — чтобы получать и исследовать новые частицы, изучать взаимопревращения частиц. В настоящее время известно несколько сотен типов частиц и столько же античастиц (см. Элементарные частицы); почти все они открыты при помощи ускорителей. Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике — для лечения раковых больных, для производства радиоактивных изотопов, для улучшения свойств полимерных материалов и для многих других целей.

Многообразие существующих типов ускорителей можно разбить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители, ускорители на встречных пучках.

В ускорителях прямого действия частицы разгоняются в постоянном электрическом поле. Пусть U — разность потенциалов между двумя электродами. Пролетев расстояние, разделяющее эти электроды, частица с зарядом е приобретает энергию eU. В данном случае не удается достичь энергий выше примерно 10 МэВ, поскольку при дальнейшем повышении напряжения между электродами возникает электрический пробой. Для достижения более высоких энергий идут по иному пути: на ускоряемую частицу воздействуют не слишком сильными электрическими полями, но зато воздействуют многократно.

Используя рисунок, рассмотрим принцип действия линейного ускорителя. Частицы движутся по прямой, последовательно проходя сквозь систему трубчатых электродов (их называют трубками дрейфа), на которые подается переменное напряжение. Внутри трубок поля нет, там частица движется равномерно. Частица ускоряется всякий раз, когда оказывается в промежутке между соседними трубками дрейфа (его называют ускоряющим промежутком). Для этого надо, чтобы время пролета частицы от одного промежутка к другому равнялось половине периода ускоряющего поля. Если Т — указанный период, то длина n-й трубки должна быть равна l_n = v_n Т/2, где v_n — скорость частицы в трубке. В ситуации, показанной на рисунке, положительно заряженная частица будет ускоряться в промежутках I и III и, напротив, замедляться в промежутках II и IV. В рассматриваемый момент времени группы (сгустки) ускоряемых частиц должны находиться в промежутках I и III. При правильно подобранных длинах трубок сгустки частиц через время Т/2 переместятся соответственно в промежутки II и IV. Но за это время знак поля изменится и указанные промежутки станут ускоряющими.

Для сокращения длины ускорителя трубки дрейфа необходимо иметь как можно более короткие, для чего следует увеличивать частоту f ускоряющего поля. Например, при f = 1 МГц длина трубки, сквозь которую летят протоны с энергией 10 МэВ, должна равняться 20 м, а при f = 10 МГц — 2 м. Все эти длины слишком велики. Поэтому в протонных ускорителях используют f = 200—300 МГц, а в электронных и того больше. При столь высоких частотах управление фазой ускоряющего поля осуществляют уже не с помощью проводов (как это было показано на рисунке), а при помощи объемных резонаторов, в которых реализуются сверхвысокочастотные электромагнитные колебания. Резонатор линейного ускорителя представляет собой длинную трубу, внутри которой находится цепочка трубок дрейфа.

Существующие линейные ускорители электронов позволяют ускорять электроны до энергии 1—10 ГэВ. В ускорителе в Станфорде (США) достигнута энергия 20 ГэВ. Длина ускорителя более 3 км.

В циклических ускорителях частицы движутся по траекториям, свернутым в спираль или кольцо, многократно возвращаясь к одним и тем же ускоряющим узлам. Для искривления траектории частицы применяют магнитное поле. Рассмотрим принцип действия одного из типов циклических ускорителей— циклотрона. В зазор между полюсами электромагнита помещают вакуумную камеру, внутри которой находятся электроды, напоминающие по форме половинки консервной банки (так называемые дуанты). Пока частица движется внутри дуанта, модуль ее скорости постоянен (траектория частицы — полуокружность). Когда частица проходит промежуток между дуантами, она испытывает действие электрического поля и ускоряется. Поэтому в другой дуант частица попадает, имея уже более высокую скорость, и описывает в этом дуанте траекторию в виде полуокружности большего радиуса. Независимо от радиуса траектории время пребывания частицы внутри дуанта одно и то же, оно равно πm/еВ, где В — магнитная индукция, ей т — заряд и масса частицы. Если период изменения высокочастотного напряжения, подаваемого на дуанты, подобрать равным 2πm/еВ, то частица, попадая в промежуток между дуантами, будет всякий раз ускоряться. Частицы непрерывно вводят в камеру циклотрона вблизи от ее центра. Постепенно приобретая энергию, они движутся по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль, и в конечном счете покидают циклотрон. Циклотроны применяют для ускорения протонов и ионов. Они позволяют достичь энергий, равных нескольким десяткам МэВ. Стремление получить более высокие энергии наталкивается на ряд трудностей. С увеличением энергии начинает проявляться зависимость массы частицы от ее скорости (см. Относительности теория), вследствие чего изменяется период обращения частицы в камере ускорителя. С ростом энергии увеличивается радиус траектории частицы в данном магнитном поле, и, значит, нужно увеличивать площадь полюсов электромагнита.

Стремясь справиться с этими и другими трудностями, ученые создали различные типы импульсных циклических ускорителей, в которых в процессе ускорения меняются частота ускоряющего напряжения или величина магнитного поля. Как установили советский физик В. И. Векслер и американский ученый Э. Макмиллан, движение частиц в таких ускорителях при определенных условиях автоматически подстраивается так, что частицы все время будут находиться в фазе с ускоряющим полем. Это так называемый принцип автофази-р о в к и, благодаря которому становится возможным ускорять частицы до релятивистских энергий. Так, фазотроны, предназначенные для ускорения тяжелых частиц (протонов и ионов) до энергий ~ 1 ГэВ, напоминают циклотроны, но отличаются от последних тем, что у них частота ускоряющего поля не постоянна, а постепенно уменьшается по мере ускорения данного сгустка частиц и затем возрастает при захвате следующего сгустка. В синхротроне — ускорителе, предназначенном для ускорения электронов,— полюса электромагнита образуют кольцо, а вакуумная камера имеет форму полой баранки. Траектория частиц в синхротроне неизменна — это окружность, проходящая посредине вакуумной камеры. По мере ускорения сгустка частиц магнитное поле на «кольцевой дорожке» синхротрона соответствующим образом возрастает. Так как скорость электронов очень быстро становится близкой к скорости света, частота их обращения по орбите синхротрона не меняется с ростом энергии. Поэтому в синхротроне частота ускоряющего электрического поля — постоянная величина. У крупных синхротронов, ускоряющих электроны до энергий ~ 10 ГэВ, длина кольцевой траектории достигает километров. Кольцевой электромагнит состоит из тысяч отдельных блоков. За цикл ускорения частица совершает в синхротроне сотни тысяч оборотов.

Для ускорения тяжелых частиц до очень высоких энергий используют синхрофазотроны — кольцевые ускорители, у которых в процессе ускорения в строгом соответствии друг с другом меняются одновременно и величина магнитного поля, и частота ускоряющего напряжения, так что радиус орбиты частиц остается постоянным при росте их энергии. Специальная конфигурация магнитного поля не позволяет частицам отклониться далеко от этой орбиты (так называемая жесткая фокусировка), и поэтому ширина магнитной дорожки может быть небольшой. Синхрофазотрон в Серпухове позволяет реализовать энергию протонов 76 ГэВ. Длина его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; в поперечном сечении камера имеет форму эллипса с осями 17 и 11,5 см. Существуют синхрофазотроны и с еще большей энергией — до 400÷500 ГэВ. В настоящее время сооружаются и проектируются огромные ускорители нового поколения, в которых уже должны быть использованы сверхпроводящие магнитные поля. Энергия ускоренных частиц в этих «суперсинхрофазотронах» превысит 1 ТэВ.

В заключение расскажем об ускорителях на встречных пучках. В обычных ускорителях пучок ускоренных частиц направляют на неподвижную мишень. При этом характер взаимодействия частиц пучка с частицами мишени определяется лишь малой частью энергии ускоренных частиц, основная же часть этой энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. В связи с этим родилась идея использовать встречные пучки ускоренных частиц. Например, два встречных протонных пучка от Серпуховского ускорителя на 76 ГэВ могли бы дать такой же эффект, какой можно было бы ожидать от протонного пучка с энергией 12 000 ГэВ в случае неподвижной водородосодержащей мишени. Основной недостаток ускорителей на встречных пучках — низкая плотность частиц в пучке по сравнению с плотностью частиц в неподвижной (например, твердой) мишени. Чтобы увеличить плотность частиц в пучке, применяют так называемые накопительные кольца, где ускоренные частицы накапливаются за счет многих циклов ускорения. Кроме того, принимаются меры к фокусировке пучков с тем, чтобы максимально сжать пучки в месте их взаимной встречи. В настоящее время во всем мире существуют более десятка ускорителей со встречными е₊е_- - пучками с энергией каждого пучка вплоть до 18 ГэВ. В СССР в Новосибирске работают два таких ускорителя с пучками по 700 МэВ и по 7 ГэВ. В Европе (ЦЕРН, Швейцария — Франция) работают ускорители со встречными протонными пучками по 30 ГэВ и с протон-антипротонными пучками по 270 ГэВ. Именно на последнем ускорителе недавно были открыты новые очень тяжелые частицы (их масса составляет 102 протонных масс) — так называемые промежуточные бозоны. Сейчас планируется создание новых ускорителей со встречными протонными (или протон-антипротонными) пучками с энергией до нескольких ТэВ и со встречными е₊е₌ - пучками с энергией до 150 ГэВ.