Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Чтобы увидеть, как это делается практически, рассмотрим следующую упрощенную схему циклотрона.

Фиг. 109.

а— магнит из мягкого железа намагничивается током, текущим по двум катушкам, так что в зазоре между полюсами магнита создается строго вертикальное и практически однородное магнитное поле; б— камера В — это прямоугольная коробка, в которую заключены ионный источник, дуанты для создания ускоряющих электрических полей и зонды для измерений в пучке ускоренных ионов. В камере поддерживается высокий вакуум; в— токи в катушках намагничивают железо и создают магнитное поле. Катушки, как правило, охлаждаются водой.

Посредине зазора между магнитными полюсами находится откачанная до высокого вакуума большая коробка б , в которой ускоряются ионы. Это камера циклотрона. В ней находится источник протонов Н +, которые должны ускоряться. В камере расположены два ускоряющих электрода D и D '. Временно представим себе их в виде двух металлических пластин, расположенных друг против друга и подсоединенных к батарее, D — к положительному полюсу, a D '— к отрицательному. (На самом деле устройство в камере совсем другое, мы только временно рассмотрим эту модель, чтобы потом легче понять работу реальной установки.) Предположим, что напряжение батареи, к которой подключены электроды D и D ', равно 20 000 в. Таким образом, в пространстве между заряженными электродами создается сильное однородное электрическое поле, а в других областях пространства (за пластинами) электрическое поле практически отсутствует.

Будем считать, что положительно заряженный ион образовался где-то в центральной области между D и D '. Под действием электрического поля он начнет двигаться к D '. Представим себе, что непосредственно в месте попадания иона на электрод D ' в пластине имеется маленькая дырка, через которую он вылетает наружу, т. е. попадает в ту часть пространства, где электрическое поле пренебрежимо мало. Но магнитное поле перпендикулярно траектории иона, поэтому за электродом D ' он будет двигаться по окружности. Описав полуокружность, ион снова подлетит к D ', но уже с противоположной стороны. Представим, что и в этом месте сделана небольшая дырка. Влетев через эту дырку в пластине D ', ион снова попадает в электрическое поле, но теперь уже он движется против поля и поэтому замедляется . При этом скорость иона уменьшится ровно на столько, на сколько она возросла при его ускорении. Чтобы увеличить энергию иона и на этом этапе его движения, необходимо изменить направление электрического поля на противоположное. Другими словами, пока ион пролетает полуокружность за D ', нужно отключить батарею и затем присоединить ее к электродам D и D ' противоположным способом. В этом случае, вернувшись в область D-D ', ион получит новый ускоряющий «шлепок». Далее, вылетев быстрее через дырку в пластине D , ион снова движется по полуокружности, но большего радиуса, чем раньше, так как после ускорения скорость его возросла. Когда он через дырку в D снова попадет в электрическое поле, необходимо, чтобы направление поля было таким же, как в начале движения, т. е. за время движения иона за электродом D необходимо снова переключить полюсы батареи.

Фиг. 110. Движение ионов в упрощенном циклотроне. Ионы предварительно ускорены электрическим полем между пластинами Dи D' внутри камеры.

а— ион ускоряется; б— ион вылетает через дырку в D ', но так как он движется в магнитном поле, то начинает вращаться по круговой траектории; в, г— ион продолжает двигаться по круговой траектории, не меняя величины скорости (так как он вне электрического поля); д— ион через дырку снова влетает в электрическое поле; е +— если электрическое поле такое же, как и раньше, то ион замедляется, но г — если направление электрического поля изменится на противоположное, то ион будет снова ускоряться; ж— после первого ускорения, движения по полуокружности и второго ускорения ион снова вылетает через дырку в пластине D , но с возросшей скоростью; з— магнитное поле изгибает траекторию иона в полуокружность большего радиуса, так как ион движется быстрее, и т. д.

Теперь вы видите, какая получается история. Ион вращается по раскручивающейся спирали, состоящей из полуокружностей, двигаясь все быстрее и быстрее после каждого «шлепка» электрическим полем; но это электрическое поле должно менять направление на противоположное каждый раз за время движения иона по полуокружности. Если заряд иона равен заряду электрона, то 20 000-вольтная батарея сообщает ему энергию 20 000 эв каждый раз, когда ион пролетает ускоряющий промежуток D - D '. Если ион начал движение из состояния покоя недалеко от электрода D , то, достигнув электрода D ', он приобретет энергию 20 000 эв; следующую порцию энергии в 20 000 эв он получит, описав полуокружность, еще 20 000 эв — после следующей полуокружности и т. д. Таким образом, после каждой полуокружности энергия иона увеличивается на 20 000 эв, или на 40 000 эв в течение каждого цикла ускорения. Описав 1000 полуокружностей, ион разгонится до энергии 1000 х 20 000 эв, т. е. 20 Мэв. Такую же энергию ион приобрел бы от единственного «шлепка» батареи, создающей разность потенциалов 20 000 000 в. Изоляция и хранение такой батареи обошлись бы весьма дорого. Здесь же использовалась батарея напряжением только 20 000 в, изготовить которую сравнительно легко, а энергия и скорость ионов, предназначенных для бомбардировки других атомов, такие, как будто бы у нас была батарея на 20000000 в.

Это чудесно («теперь можно разбивать атомы»)! Но остались еще серьезные трудности. Каким образом быстро переключать батарею в нужные моменты времени? Как подобрать время переключения батареи при возрастании полуокружностей, по которым движется ион? Как предохранить ион от действия на него электрического поля (хотя и очень маленького) при его движении по полуокружностям вне ускоряющего промежутка D - D '? Как избежать бесполезной траты ионов, которые не попадают в дырки в электродах D и D ', а застревают в металле? Это не второстепенные вопросы; чтобы установка заработала, на них должны быть найдены ответы. Сейчас мы покажем, как эти проблемы решаются в реальных ускорителях.

Нам необходимо изменять направление электрического поля на противоположное каждый раз, когда ион описывает полуокружность. Вместо батареи с быстродействующим переключателем используется источник переменного напряжения. В качестве такого источника применяется высокочастотный генератор, похожий на те, что имеются на радиостанциях, который периодически меняет направление электрического поля в промежутке D - D '. Но теперь возникает второй вопрос и, кажется, более серьезный. Сможет ли ион вовремя пройти каждую следующую полуокружность?