Циклічні прискорювачі елементарних частинок

Бетатрон конструктивно є великим електромагнітом, між полюсами якого розташована тороїдальна вакуумна камера (див. малюнок 15,16). Електромагніт створює в зазорі між полюсами змінне (змінне з часом за законом синуса, зазвичай з промисловою частотою 50 Гц) магнітне поле напруженістю, яке в площині вакуумної камери створює вихрове електричне поле ( е.р.с. індукції). У вакуумну камеру за допомогою інжектора (електронна гармата) на початку кожного періоду наростання магнітного поля ( з частотою 50 Гц) вприскуються електрони, які захоплюються вихровим електричним полем в процес прискорення по круговій орбіті. В мить, коли магнітне поле досягає максимального значення (в кінці першої чверті кожного періоду), процес прискорення електронів припинявся і змінювався їх уповільненням, оскільки вихрове поле змінює напрям, а е.р.с. індукції – знак. Електрони, що досягли найбільшої енергії, зміщуються з рівноважної орбіти і або виводяться з камери, або прямують на спеціальну мішень усередині камери, названу гальмівною. Гальмування електронів в цій мішені в кулонівському полі ядер і електронів приводить до виникнення електромагнітного гальмівного випромінювання, максимальна енергія якого рівна кінетичній енергії Ее її електронів в кінці прискорення:  Ее. Гальмівні фотони летять у напрямі руху первинних електронів у вузькому конусі. Їх енергетичний спектр безперервний, причому, чим менша енергія фотонів, тим їх більше в гальмівному випромінюванні. Формування високо енергійного електромагнітного g-випромінювання гальмуванням високо енергійних електронів в мішені - найбільш простий і ефективний спосіб створення пучка g-квантів високої енергії для експериментів в області ядерної фізики і фізики частинок.

Бетатрони переважно і використовуються як джерела гальмівного випромінювання. Завдяки простоті конструкції і управління, а також дешевизні бетатрони отримали широке застосування в прикладних цілях в діапазоні енергій 20-50 Мев. Створення бетатронів на вищі енергії зв'язане з необхідністю використання електромагнітів дуже великого розміру і ваги (магнітне поле доводиться створювати не тільки на орбіті, але і усередині неї).

3.3 Синхрофазотрон

Прискорення важких частинок у фазотроні, принципово, можна здійснювати аж до дуже високих енергій. Проте є причини, які примусили зупинитися на порівняно скромній енергії, що не перевищує одного Гев. Причини ці «вагомі» в самому буквальному сенсі слова. Вага магніта фазотрону збільшується пропорційно кубу енергії. Тому, щоб побудувати фазотрон, наприклад на 3 Гев, довелося б виготовити магніт вагою в 300 000 тонн. Економічна і технічна недоцільність такого прискорювача - очевидні. Пригадаємо синхротрон. Він володіє порівняно з бетатроном неважким магнітом тому, що в нім вдається прискорювати електрони у вузькому кільці. Чи не можна і важкі частинки примусити обертатися в магнітному полі не по спіралі, що розгортається, а по вузькій доріжці? Електрони в синхротроні рухаються по колах постійного радіусу, тому що їх швидкість майже дорівнює швидкості світла. Швидкість же важких частинок безперервно росте із збільшенням енергії. Тому частота їх звернення при постійному радіусі орбіти теж буде рости. Отже, для збереження резонансу при постійності радіусу орбіти частинки необхідно забезпечити збільшення частоти прискорюючого електричного поля. Таким чином, прискорення важких частинок в кільцевому прискорювачі вимагає не тільки збільшення магнітного поля на орбіті частинок, що виходить з формули:

,але також і збільшення частоти електричного поля. Прискорювачі подібного типу отримали назву синхрофазотронів. Відомо, що у фазотроні не обов'язково дотримуватися одного певного закону зміни частоти електричного поля. Іони слухняно підкоряються будь-якому, не дуже швидкому зміненню частоти. Інша справа в синхрофазотроні. Тут, щоб утримати іони на постійній орбіті, частота електричного поля в процесі прискорення повинна завжди дорівнювати власній частоті іона. Якщо частота зовнішнього поля дещо відхилитися, наприклад зробитися більше власної частоти протонів, як орбіта їх почне зменшуватися, загрожуючи зачепити внутрішню стінку прискорювальної камери. Пояснюється це властивістю автофазування: частота частинок слідує за зміною зовнішньої частоти, а збільшення власної частоти при даній швидкості протонів відбувається за рахунок зменшення радіусу їх орбіти. Отже, зміна частоти повинна строго слідувати за зміною швидкості частинки. Але фіксувати швидкість важко. Набагато легше стежити за зміною магнітного поля, яке завдяки автофазуванню цілком визначає збільшення швидкості іона. Тому в синхрофазотронах розроблена система, за допомогою якої частота електричного поля з великою точністю слідує за зміною магнітного поля.

До теперішнього часу частинки з найбільшою енергією отримані на синхрофазотронах. Вже працюють три гігантські прискорювачі цього типу. Перший з них, розрахований на прискорення протонів до енергії 3 Гев, був названий «космотроном». Ця назва підкреслювала той факт, що швидкості штучно розігнаних частинок порівнянні з швидкостями космічних променів. Синхрофазотрон на 10 Гев побудований в Радянському Союзі і переданий Об'єднаному інституту ядерних досліджень. У березні 1957 р. на цьому прискорювачі були отримані протони розрахункової енергії. Зробимо уявну поїздку до м. Дубну під Москвою і познайомимося з однією з цікавих споруд нашого часу. Перше що відразу впадає в очі при вході в будівлю величезний, такий, що складається з окремих секцій, електромагніт. Вага його - 36 000 тонн. Магніт набраний з окремих ізольованих один від одного сталевих листів завтовшки 1 і 4 см. Не дивлячись на те, що магнітне поле наростає від нуля до максимального значення порівняно поволі - за 3,3 секунди, робити магніт з суцільного металу не можна. Електромагніт прискорювача не є замкнутим кільцем - він складається з чотирьох секцій - квадрантів - відсунутих один від одного. Відповідно і орбіта протонів виходить не кругом, а комбінованою, такою, що складається з дугових (90°) і прямолінійних ділянок (мал. 17).