Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
л = 10Г6/(1,6.10-19) =6,25-1012.
В состав любого ускорителя входят источник ускоряемых частиц (электронов или ионов), ускорительная камера и мишень, на которую направляются ускоренные частицы, а также системы питания ускорителя электроэнергией и вакуумные насосы для откачки воздуха из ускорительной камеры. Рассмотрим отдельные, типы ускорителей.
УСТАНОВКИ ПРЯМОГО УСКОРЕНИЯ
Самая простая и впервые осу ществленная идея ускорения заряженных частиц основана на широко известном факте: проходя разность потенциалов U9 заряд q приобретает энергию E = qU. Таким образом, если создать между двумя точками достаточно высокую разность потенциалов и обеспечить возможность движения частиц от одной точки к другой, то они сами будут набирать энергию. При этом тип частиц не имеет никакого значения — только их электрический заряд определит конечную энергию. Так, про-
108
тон, пройдя между точками с разностью потенциалов 106B, приобретет энергию 2 МэВ; такую же энергию приобретут в данном случае электрон, дейтрон (ядро тяжелого изотопа водорода дейтерия 2H) и тритон (ядро сверхтяжелого изотопа водорода трития 3H), поскольку заряды всех этих частиц равны элементарному заряду (q = e)9 а ядра гелия, имеющие двойной заряд (q = 2е), при тех же условиях получат энергию 2 МэВ.
Основная часть ускорителей данного типа — трубка из стекла или какого-нибудь другого изолирующего материала, служащая ускорительной камерой. С одной стороны трубы помещают источник ионов, с другой - мишень. В качестве источника ионов используют обычно электрическую дугу или высокочастотный электрический разряд в газе. Ускоряющее напряжение подключают между источником ионов и мишенью, причем последнюю обычно заземляют, чтобы с ней можно было спокойно работать.
Самый простой способ получения высокого ускоряющего напряжения основан на использовании повышающего трансформатора с последующим выпрямлением тока с помощью кенотронов (как в приемнике или телевизоре). Таким способом удается получать напряжения порядка 50-200 кВ, так как для больших напряжений трансформаторы слишком громоздки и дороги. При этом установка на 200 кВ чуть больше рентгеновского аппарата и легко размещается в обычном помещении. Небольшое изменение схемы выпрямителя, предложенное в 1932 году Кокрофтом и Уолтоном, позволяет с тем же трансформатором получать напряжения до 103 кВ и даже несколько выше. Установки этого типа работают в настоящее время во многих лабораториях мира.
Другой способ получения высокого напряжения был предложен голландским физиком Ван-де-Граафом. Созданный им генератор состоит из большого металлического шара, установленного на верху высокой изолирующей колонны. Внутри колонны между двумя быстро вращающимися валиками бежит бесконечная лента из прорезиненного материала. Нижний валик стоит на земле. Около него помещается металлическая гребенка, соединенная с высоковольтным источником тока. Создаваемые этим источником электрические заряды стекают с острий гребенки на ленту и переносятся ею к верхнему валику, находящемуся внутри металлического шара. Около верхнего валика стоит такая же гребенка. Заряды с ленты все время переходят на гребенку и с нее — на поверхность металлического шара и
109
накапливаются на нем. А так как потенциал любого тела пропорционален заряду: U = q/C, то по мере накопления зарядов потенциал шара будет возрастать.
Предельное напряжение как в трансформаторных схемах, так и в генераторах Ван-де-Граафа определяется электрической прочностью изоляторов и воздуха. Для того чтобы уменьшить возможность пробоя, высоковольтную часть генераторов поднимают высоко над землей, а всю установку помещают в просторном зале. Но несмотря на эти меры напряжение не удается, как правило, поднимать выше 1,5—2 MB. Значительно лучшие результаты получили, когда весь высоковольтный генератор заключили в громадный стальной бак с азотом (можно использовать какой-нибудь другой электрически прочный газ) под давлением несколько атмосфер. Газ препятствует возникновению разрядов, поэтому в установках подобного типа удается получать напряжения до 30 MB.
В установках прямого ускорения можно ускорять заряженные частицы любых типов. Ток пучка можно довести до нескольких сотен микроампер, что эквивалентно излучению нескольких десятков килограммов радия (при токе пучка 1 мкА ускоряется, как мы видели, 6,25•1O12 частиц в 1 с, при токе 200 мкА — 12,5 •1O14 частиц в 1 с, а так как из 1 г радия в 1 с вылетает 3,7•1O10 частиц, ток 200 мкА по числу частиц соответствует 33 800 г радия). Однако трудности работы с высоким напряжением и невозможность достижения более высоких энергий заставили начать поиски других методов ускорения, не требующих дальнейшего увеличения ускоряющего напряжения.
РЕЗОНАНСНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ИОНОВ
В 1925 году Изинг заметил, что ускорить частицу можно и относительно небольшим на-- пряжением, если приложить его несколько раз. Так, заставив двухзарядную а-частицу 100 раз пролететь между точками с разностью потенциалов 10 кВ, можно сообщить этой частице энергию 2•100•1O = 2000 кэВ, т. е. 2 МэВ.
