Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
В СССР тоже давно действуют установки^ со встречными пучками, в том числе со встречными пучками электронов и позитронов, а на строящемся серпуховском гиганте предусмотрено в дальнейшем сооружение второго кольца для ускорения антипротонов до той же энергии 3 ТэВ. Что будет происходить при столкновениях протонов и антипротонов таких энергий, сейчас даже трудно себе представить.
В* больших ускорителях высокие энергии завоевываются, как правило, ценой уменьшения числа ускоряемых частиц. Например, в действующем серпуховском протонном синхротроне ускоряется 5 -1012 протонов за цикл, что при интервале между циклами около 8 с соответствует среднему току пучка всего лишь около 0,1 мкА. Но, как уже говорилось, многие события, происходящие при столкновениях быстрых частиц, относятся к классу чрезвычайно редких явлений, так что иногда одно интересное событие приходится на несколько тысяч "пустых" снимков в пузырьковой камере. А ведь физикам важно
118
не только зарегистрировать новую частицу, но и изучить ее свойства, характер ее взаимодействия с ядрами атомов вещества, для чего необходимо получать много таких частиц. Поэтому параллельно с битвой за повышение энергии идет не менее ожесточенное сражение за увеличение интенсивности пучков ускоряемых частиц. И здесь тоже достигнуты немалые успехи. В Лос-Аламосе (США) построен линейный ускоритель протонов на энергию 800 МэВ с током пучка до 1200 мкА. Такой ускоритель является мощным источником вторичных частиц — мезонов, поэтому его назвали мезонной фабрикой. Аналогичная мезонная фабрика строится и в СССР. Сильноточные ускорители могут быть весьма полезны не только для научных исследований, но и для прикладных целей. В частности, их можно использовать для наработки плутония - чрезвычайно ценного для ядерной энергетики продукта. В США специально для этого разработан проект линейного ускорителя на энергию 1,5 ГэВ с током пучка 300 мА, на котором можно будет получать до 2 т плутония в год.
УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ
Первым ускорителем электронов была рентгеновская трубка, а еще раньше — трубка Крукса. Потом электроны стали ускорять на установках типа генератора Ван-де-Граафа, но, как уже отмечалось, получить таким способом энергии выше нескольких мегаэлектрон-вольт не удавалось. Циклотрон для ускорения электронов вообще не годится, так как их масса начинает заметно возрастать уже при энергиях порядка нескольких десятков килоэлектрон-вольт. Поэтому для ускорения электронов до больших энергий пришлось разработать особые типы ускорителей. Первый из них был построен в 1940 году американским физиком Керстом и назван бетатроном.
Работа бетатрона основана на законе электромагнитной индукции. Если виток проволоки поместить в изменяющееся магнитное поле, то в нем возникает электрический ток. Но электрический ток - это движение зарядов, точнее, электронов. Поскольку электроны пришли в движение, значит, на них начала действовать какая-то сила, а силу, действующую на заряд е, всегда можно выразить через напряженность электрического поля Е:
F= еЕ.
119
Таким образом, появление в витке проволоки электрического тока говорит о том, что при изменении магнитного поля возникает электрическое поле, причем направления этих полей взаимно перпендикулярны.
Теперь заменим виток проволоки кольцевой вакуумной трубкой. Если такое кольцо поместить в нарастающее магнитное поле, то в нем, естественно, тоже возникнет электрическое поле. И если теперь в трубку впустить электроны, то под действием этого поля они начнут ускоряться, а магнитное поле будет их закорачивать, заставляя лететь по круговой траектории. По мере ускорения электронов возрастает их энергия, но одновременно увеличивается и напряженность магнитного поля. Оказалось, что можно создать такие условия, при которых эти два фактора все время находятся в равновесии, в результате электроны летят по одной и той же окружности во время всего цикла ускорения. Именно так и работает бетатрон.
Отметим, что в бетатроне нет ускоряющих электродов и для его работы не нужно специально создавать ускоряющие напряжения. Единственно, что требуется, это переменное магнитное поле, которое одновременно и закручивает частицы, и ускоряет их.
Первый бетатрон Керста по размерам напоминал обычный радиоприемник, размещался на лабораторном столе и ускорял электроны до 2 МэВ. Современные ускорители этого типа позволяют получать электроны энергией до 100 МэВ. При дальнейшем увеличении энергии бетатрон становится невыгодным, так как в нем основная часть магнитного поля сосредоточена внутри кольца и не используется для заворачивания частиц, а поле в области орбиты относительно невелико. Однако при энергиях больше 10 МэВ скорость электронов уже очень близка к скорости света. Поэтому сколько бы дальше ни увеличивалась энергия электронов, их скорость практически не меняется, а стало быть, не меняется и частота их вращения в ускорителе. Последнее обстоятельство позволяет для дальнейшего ускорения использовать обычный резонансный режим с переменным ускоряющим полем постоянной частоты. Созданный на этом принципе комбинированный ускоритель электронов получил название синхротрон. На современных синхротронах электроны ускоряются до энергий порядка нескольких сотен мегаэлектронвольт.
