Его сиятельство атом | страница 6
Ускорители легких заряженных частиц (электронов, протонов) делятся на линейные и циклические (циклотроны).
В линейных ускорителях частицы проходят ускорение однократно, двигаясь в электрическом поле, которое постепенно разгоняет их все сильнее. Чаще всего линейные ускорители используются для легких частиц – электронов и протонов. В наше время они применяются не только в ядерной физике, но и в медицине, материаловедении, даже в стерилизации продуктов.
В конце 2020-х гг. планируется создать Международный линейный коллайдер (ускоритель со встречными пучками сталкивающихся частиц) на территории Японии. Это фантастическое сооружение будет иметь общую длину 31 км и состоять из двух частей. В одной станут ускоряться электроны, в другой – получаться встречный пучок таких же легких, но положительно заряженных частиц – позитронов. Ускоряющее поле первоначально будет измеряться в гигавольтах (10>9 вольт – посмотри такие обозначения в главе 1), потом возрастет до теравольт (10>12 вольт).
Создать гигантскую электрическую разность потенциалов очень непросто, к тому же линейный ускоритель имеет достаточно большую длину. Этих недостатков лишены циклотроны.
Представьте себе два варианта раскачивания качелей. В первом вы с большим усилием заставляете качели сразу взлететь на максимальную высоту. Во втором варианте вы «в такт», небольшими толчками качелей, добиваетесь такого же результата. По второму принципу разгоняются заряженные частицы в циклотроне.
В циклотроне частица с некоторой начальной скоростью начинает вращаться по окружности вокруг оси 1 (рис. 6), по которой направлено магнитное поле. В соответствии с законами физики, чем больше ее скорость, тем больше радиус окружности. Но главное – время обращения по окружности (период вращения) не зависит от скорости и радиуса. Значит, можно где-то в одном и том же месте добавлять частице еще немного скорости за счет сравнительно небольшого электрического поля («подталкивать качели в такт», не сходя с места). Частица каждый раз будет переходить на движение по окружности с большим радиусом. В целом она станет двигаться по раскручивающейся спирали (рис. 6), причем в ограниченном пространстве. Размеры ускорителя таким образом сокращаются.
Рис. 6. Схема циклотрона
Циклотрон состоит из двух полых половинок диска 3 («дуанты») (рис. 6), внутри которых и вращаются частицы. Переменное электрическое поле 4 (рис. 6) подается на края зазора между дуантами. Частота поля точно совпадает с частотой вращения частиц. Поэтому, когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону (например, точка А рис. 6), электрическое поле их ускоряет. Когда они, пройдя половину окружности, пересекают зазор в обратную сторону (точка В рис. 6), переменное электрическое поле как раз успевает сменить знак и снова их ускоряет, а не тормозит. Частицы вращаются по спирали 2 (рис. 6), пока не достигнут нужной скорости.
