Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Это была первая полностью искусственная реакция, так как даже применявшиеся при ее проведении бомбардирующие частицы были получены искусственно.

В том же 1931 году были созданы еще три типа ускорителей частиц.

Американский физик Роберт Ван-де-Грааф (1901–1967) построил механизм, внешне напоминавший половину гантели, поставленную на пол. Внутри находился «конвейер», переносивший положительный заряд в верхнюю часть, а отрицательный — в нижнюю, создавая огромный разноименный электростатический заряд. Благодаря значительной разности потенциалов с помощью такого электростатического генератора можно было разгонять частицы до 1,5 Мэв, а впоследствии и до 18 Мэв.

Ускорители последующего типа состояли из нескольких раздельных труб. Такое устройство давало возможность «толкать» частицы в несколько приемов, а не одним мощным «пинком». Проходя по трубе, частица получала дополнительную энергию и скорость. Так как «толчки» осуществлялись через одинаковые периоды времени, то расстояние, которое частица проходила между «толчками», становилось все больше и больше, и каждая последующая труба должна была быть все длиннее и длиннее. Поэтому очень скоро линейный ускоритель стал слишком длинным и неудобным.

Эрнест Орландо Лоуренс (1901–1958) предложил схему самого компактного ускорителя. В его устройстве частицы перемещались не по прямой, а по кривой траектории, благодаря чему и удалось сэкономить место.

В центре закрытого плоского круглого сосуда помещается высокотемпературная спираль, ионизирующая водород для образования протонов. Противоположные части сосуда находятся под высоким напряжением, которое и ускоряет протоны. Находящиеся над и под сосудом магниты заставляют протоны двигаться по криволинейной траектории.

Двигающиеся по такой криволинейной траектории протоны в конце концов попадут в зону положительного заряда и начнут тормозиться. Однако сосуд находится под переменным током, и анод с катодом «меняются местами» с тщательно подобранной частотой.

Всякий раз, когда протоны, казалось бы, двигаются к аноду, тот становится катодом и протоны продолжают ускоряться. (Как будто борзая гонится за электрическим кроликом, который всегда остается впереди.)

По мере ускорения скорость протонов растет, и они делают обороты внутри сосуда все быстрее и быстрее. А часть переменного электрического поля остается прежней постоянной величиной. Происходит рассинхронизация, и протоны окажутся под действием отталкивающей силы анода, который не успел вовремя стать катодом, что приведет к торможению протонов. (Борзая прибавила скорости и догнала электрического зайца.)

К счастью, по мере ускорения траектория протонов под действием магнитного поля становится менее криволинейной, и они начинают описывать большие круги. Их большая скорость просто-напросто компенсируется большим расстоянием, которое они проходят. Поэтому они продолжают передвигаться из одной половины в другую в соответствии с частотой электрического тока, постепенно все больше и больше удаляясь от центра сосуда. В конце концов они вылетают из него 9 виде потока частиц большой энергии.

Линейный ускоритель частиц

Лоуренс назвал свой ускоритель циклотроном. Даже самая первая тестовая модель циклотрона — не более 25 сантиметров в диаметре — позволяла ускорять частицы до 80 Кэв. На протяжении последующих 10 лет строились все более крупные циклотроны, позволявшие ускорять частицы до 10 Мэв и более.

Идеального соответствия между движением частицы и частотой электрического тока можно добиться только при условии, что масса частицы не меняется. Это удается при нормальных условиях, однако в процессе ускорения скорость движения частиц начинает приближаться к скорости света. Согласно теории относительности (см. ч. II), в этом случае скорость частицы начинает расти очень и очень медленно (скорость движения частицы ни в коем случае не может быть выше скорости света), в то время как рост массы частицы все ускоряется и ускоряется.

Чем больше масса частицы, тем больше времени она затрачивает на один полуоборот и синхронизацию между движением частицы и частотой переменного тока. Это ограничивает максимальную скорость ускорения протона, и еще до Второй мировой войны эта максимальная скорость была достигнута.

В 1945 году американский физик Эдвин Макмиллан (1907–1991) и русский физик Владимир Векслер независимо друг от друга предложили способ обойти это ограничение. Ученые показали, как именно частоту переменного тока можно постепенно понижать без рассинхронизации с движением частицы постоянно увеличивающейся массы. В результате был построен синхроциклотрон.

Синхроциклотрон не способен испускать частицы высокой энергии беспрерывно, так как частота переменного тока, приемлемая для частиц на последних стадиях ускорения, слишком низкая для частиц на начальных стадиях. Поэтому частицы ускоряются пакетами (по 60–300 частиц) в секунду: перед запуском нового пакета предыдущий должен пройти весь цикл. Однако значительное увеличение скорости частиц на выходе привело к сокращению их общего количества. Первый синхроциклотрон был построен в 1946 году, а несколькими годами позднее появились синхроциклотроны, позволяющие ускорять частицы до 800 Мэв.

При ускорении электронов проблема увеличения релятивистской массы появляется еще раньше. Электроны настолько легкие, что для придания хотя бы умеренного заряда их необходимо разогнать до очень высоких скоростей. Чтобы получить электрон с энергией всего лишь 1 Мэв, его нужно разогнать до 270 000 км/с, а это уже более 9/10 скорости света.

При такой скорости масса электрона увеличивается в 2,5 раза по сравнению с состоянием покоя. Поэтому нет особого смысла разгонять электрон с помощью циклотрона, так как даже при небольших уровнях энергии электрона синхронизация уже будет невозможна.

Решение было найдено еще до появления синхроциклотрона. В 1940 году американский физик Дональд Керст разработал ускоритель, в котором электроны двигались по «бубликообразному» сосуду. С ростом скорости движения электронов увеличивалась интенсивность магнитного поля, заставляющего электроны двигаться по кругу. Так как увеличение интенсивности магнитного поля (заставляет электроны двигаться по меньшему радиусу) было согласовано с ростом массы электрона (заставляет электроны двигаться по большему радиусу), в конечном результате электроны не меняют свою траекторию. В определенный момент интенсивность магнитного поля резко изменяют, и несколько электронов высокой энергии вылетают из ускорителя. Керст назвал свой ускоритель бетатроном, так как бета-частицы являются электронами высокой энергии естественного происхождения. Ускоритель Керста испускал электроны с энергией до 2,5 Мэв, а самый современный бетатрон позволяет ускорять электроны до 340 Мэв.

Быстро движущиеся по орбитам электроны испытывают сильное центростремительное ускорение и согласно теории Максвелла испускают энергию в виде излучения. Это ограничивает максимальное ускорение электронов в любом устройстве, где электроны движутся по кругу. (Протоны менее подвержены этому явлению, так как при одинаковом уровне энергии скорость движения протонов существенно ниже, чем у электронов, а значит, и центростремительное ускорение у них гораздо ниже.)