Циклічні прискорювачі елементарних частинок

Інтенсивність, що отримується у фазотроні, в сотні раз поступається інтенсивностями в циклотроні. Таке значне падіння інтенсивності властиве всім прискорювачам, що використовують явище автофазування, і пов'язано з скороченням часу захоплення частинок в режимі прискорення. Якщо в циклотроні захоплення іонів відбувається протягом значної частини періоду 1/7-1/9, то у фазотроні може успішно почати прискорення тільки нікчемна частина всіх іонів, що безперервно випускаються джерелом. Це будуть іони, що потрапили в камеру в той короткий проміжок часу, коли частота електричного поля відповідає нульовим швидкостям частинок. Іони, що потрапили в камеру раніше або пізніше, не зможуть прискорюватися резонансно, оскільки частота не буде вже відповідною для них. Але у такому разі немає сенсу безперервно направляти в камеру іони. Іонне джерело фазотрону зазвичай випускає іони тільки під час захоплення. Завдяки цьому вдається збільшити імпульсний іонний струм. На внутрішню мішень, встановлену недалеко від краю полюса, потрапляє 1,8×10-12 протонів в секунду. Імпульси слідують один за іншим з інтервалом біля однієї сотої секунди.Значно важче вивести пучок протонів з камери назовні. Крок спіралі, по якій розкручуються частинки у фазотроні, дуже невеликий. Тому тут не вдається ефективно використовувати для відхилення пучка постійне електричне поле, як це робиться в циклотроні. Фахівцями був розроблений оригінальний спосіб виведення пучка з фазотрону. У потрібний момент в певних місцях штучно створюються неоднорідності магнітного поля. Завдяки ним орбіти іонів міняють свою форму і пучок протонів через отвір в спеціальному магнітному екрані виходить з камери. Таким шляхом вдалося вивести назовні до 8% всіх протонів. Подивимося, як розташовується апаратура поблизу прискорювача. Звертає на себе увагу багатометрова бетонна стіна, що оточує фазотрон з усіх боків. Вона потрібна для захисту людей від дії випромінювань. Самі протони пучка легко поглинаються, але, потрапляючи на речовину, дають у великій кількості нейтрони і γ-промені. Вони і складають основну небезпеку. Ми знаємо, що з космічних просторів на Землю поступають частинки величезних енергій, причому кількість їх не така вже мала. На кожен квадратний сантиметр поверхні Землі в хвилину падають в середньому 1,5 частинки. Це означає, що тіло кожної людини щохвилини пронизується тисячами енергійних частинок.

Проте помітної шкоди здоров'ю людей подібне бомбардування не приносить. Інша картина на прискорювачах. Від мільярдів частинок, що щомиті утворюються на них, потрібний серйозний захист. Люди, що працюють на прискорювачах або з радіоактивними матеріалами, під час роботи мають при собі прилади, що дозволяють судити про те, яку дозу випромінювань вони отримали. У захисті мають потребу не тільки люди. Вся апаратура для досліджень, за винятком мішеней, також не повинна піддаватися дії випромінювань. Тому через бетонний захист фазотрону пучки проходять по вузьких каналах. Від внутрішньої мішені фазотрону можна отримати пучки нейтронів, π-мезонів і протонів, що виходять назовні. Нейтронний пучок, не схильний до дії магнітного поля, без відхилення проходить у відповідний канал, π-мезони відхиляються розсіяним магнітним полем фазотрону в протилежні сторони. Цікавим нововведенням є використання як захист залізного ярма фазотрону, за яким розміщується «мезонна лабораторія». Для висновку в неї мезонів в триметровому ярмі магніта просвердлені отвори. Крізь них проходять заряджені π-мезони, які утворюються на розташованій всередині дуанта берилієвій мішені. Інтенсивність пучка негативних π-мезонів тут доходить до 200 мезонів в секунду через квадратний сантиметр.

За допомогою фазотронів проводяться найважливіші дослідження взаємодії елементарних частинок і ядер. Були детально вивчені властивості π-мезонів і їх взаємодія. Одним з найбільш важливих результатів, отриманих на фазотронах, є висновок про зарядову незалежність ядерних сил. Досліди по розсіянню протонів і нейтронів на протонах показали, що протон і нейтрон можна рахувати як би двома станами однієї і тієї ж частинки нуклона. Якщо не вважати ті явища, в яких позначається присутність у протона електричного заряду, обидві частинки поводяться абсолютно однаковим чином в самих різних ядерних процесах.

Фазотрон був першим прискорювачем, що підтвердив правильність відкриття, зробленого В. І. Векслером.

2.4 Мікротрон

Мал. 6 Схема мікротрону

У циклотронах не можна прискорювати електрони по тій же схемі, як і протони, оскільки вони швидко досягають релятивістських швидкостей. Проте існують прискорювачі (мікротрони), в яких електрони, також як і протони в циклотроні, багато разів прискорюються імпульсами високочастотного електричного поля в постійному однорідному магнітному полі (принцип дії мікротрону запропонований в 1944 р. В. Векслером). У мікротроні (мал. 6) частинки вводяться в прискорювальну камеру не в центральній частині магнітного поля, як в циклотроні, а на його краю. У місце введення частинок поміщається порожнистий прискорюючий резонатор. При кожному оберті електрони отримують енергію ≈ 0.5 Мев і потрапляють в резонатор точно у момент прискорення на кожному витку (період n-го оберту кратний періоду першого оберту). Електрони рухаються по колу радіуса, що збільшується, причому всі кола торкаються усередині резонатора. Енергії електронів в “класичних” мікротронах зазвичай не перевищують 30 Мев і обмежуються розмірами постійного магніта і зростаючими вимогами до однорідності його поля при збільшенні габаритів прискорювача.