Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

лоренцевой силы, которая заставляет частицу двигаться по окружности. Если в

какой-то точке орбиты напряженность, скажем, резко падает до нуля, частица в

этой точке, не сдерживаемая лоренцевой центростремительной силой, выскочит из

циклотрона.

Исходя из этих соображений, напряженность поля по орбите циклотрона

устанавливают строго постоянной. Равенство центробежной и центростремительной

сил на равновесной орбите обеспечивает так называемую горизонтальную

устойчивость частицы. Что это значит? Предположим, что частица под влиянием

каких-либо сил перешла с равновесной орбиты на орбиту большего радиуса. В этом

случае лоренцева центростремительная сила будет больше центробежной, и в

результате частица начнет смещаться в сторону орбиты меньшего радиуса до тех

пор, пока не достигнет равновесной орбиты. При уменьшении радиуса орбиты частицы

наблюдается обратная картина.

А что случится, если частица перейдет на более низкую или более высокую орбиту?

Если полюсные наконечники магнита параллельны друг другу и магнитные силовые

линии, которые должны быть перпендикулярны к стальным поверхностям, представляют

собой параллельные прямые, то при смещении орбиты вверх или вниз частица не

"заметит" каких-либо изменений в магнитном поле. Все орбиты — средняя, более

низкая и более высокая — будут для частицы равноценными, что приведет в конце

концов вследствие неидеальности изготовления поверхностей полюсов к тому, что

частицы "потеряются" в полюсах магнита.

Чтобы этого не произошло или, как говорят, для обеспечения "вертикальной

устойчивости" или "вертикальной фокусировки" движения частицы, полюсы магнитов

скашивают так, чтобы зазор к краю полюса становился больше. В действительности,

однако, скашивают не сами полюсы, а магнитные крышки вакуумной камеры, в которой

происходит ускорение.

В этом случае поле магнита ускорителя изменится: если непосредственно под

центром полюса силовые линии по-прежнему будут прямыми, перпендикулярными

плоскостям полюсов, то на внешнем крае полюса силовые линии будут выгибаться

наружу, образуя так называемое бочкообразное выпучивание силовых линий.

Бочкообразное магнитное поле характерно тем, что на его "экваториальном обруче"

поле минимально, а с продвижением вверх или вниз оно увеличивается. Частица,

движущаяся в таком поле, не может "упасть" на полюс магнита, так как в этом

случае ей пришлось бы перейти из области со слабым полем в область с сильным

полем, т. е. затратить некоторую энергию.

Сам полюс имеет коническую форму, поскольку по высоте полюса от него

отпочковываются магнитные силовые линии потока рассеяния. Таким образом, чем

дальше идти вдоль полюса от рабочей зоны, тем больший магнитный поток по нему

проходит.

Что было бы, если бы полюс был цилиндрическим, а его сечение постоянным по

высоте? В этом случае индукция в полюсе, в его части, близкой к рабочей зоне (B

= Ф/S, где Ф — магнитный поток; S — сечение пути магнитного потока), была бы

очень низкой, а вдали от рабочей зоны — чрезмерно высокой. Получилось бы, что

полюс в различных его сечениях загружен по-разному и, главное, неразумно. Чтобы

этого не происходило, полюсам придают коническую форму. Тогда меньшему потоку

будет соответствовать меньшее сечение, и индукция во всех сечениях станет

одинаковой, а полюс равномерно нагруженным. Стараются сделать так, чтобы

индукция в полюсе была равна индукции в рабочей зоне, т. е. 1,4…1,7 Тл.

Почему нельзя выбрать большую индукцию? В принципе это возможно, однако при

более высокой индукции сердечник магнитопровода будет сильно насыщен, и чтобы

провести по нему магнитный поток, потребуется большой намагничивающий ток. Кроме

того, если полюсы насыщены, трудно обеспечить нужное распределение магнитного

поля в рабочей зоне.

Конические полюсы электромагнита циклотрона чаще всего изготовляют из одной

стальной поковки. На полюсах закрепляют главные катушки, создающие сильное

магнитное поле. Их обычно изготовляют из толстой (сечением 50…100 мм2) медной

или алюминиевой шины с отверстием внутри для охлаждающей воды.

Кроме основной в циклотронах имеется дополнительная обмотка, расположенная около

зазора. Она состоит из двух катушек, размещенных вблизи среза полюса. Эти

катушки предназначены для "нацеливания" частиц на мишень, иными словами, для

регулирования высоты плоскости, по которой движутся частицы в циклотроне. Эта

плоскость, вопреки ожиданиям, обычно находится не посредине между полюсами из-за

различных случайных факторов. Сейф, стальная дверь, баллон с газом, оказавшиеся

поблизости, могут вызвать смещение средней плоскости.

Один из крупнейших электромагнитов описанного типа установлен в синхроциклотроне

на 660 МэВ в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Диаметр

полюсов этого магнита 6 м, масса 7 тыс. т. Несколько уступает ему в размерах

синхроциклотрон в Беркли.

Массу магнитов (т) циклотронов можно подсчитать по приближенной формуле G =

4,8·10-3·r 2,5, где r — радиус полюса, см.

Масса обычных магнитов ускорителей составляет несколько тысяч тонн. Магниты

циклотронов и, следовательно, сами циклотроны — это громадные и дорогостоящие

сооружения. Их обычно размещают в специальных корпусах, огороженных бетонными

стенами толщиной несколько метров, которые служат защитой от излучения.

Поворотные двери также делают из бетона.

Циклотроны применяют в основном для научных исследований. Однако в последнее

время они служат и для получения радиоактивных изотопов, необходимых

промышленности и сельскому хозяйству. Сейчас в ряде стран имеется несколько

циклотронов, на которых не проводят никаких научных исследований. Эти атомные

машины играют роль своеобразного технологического оборудования фабрики,

производящей изотопы.

Оказывается, есть предел энергии частиц, ускоряемых в циклотроне. Его диктует

теория относительности. Известно, что масса любой частицы в соответствии с

теорией относительности возрастает по мере приближения скорости частицы к

скорости света. Но частица с большой массой менее "поворотлива": она начинает

отставать от частиц с меньшей энергией и запаздывает к ускоряющему промежутку,

т. е. попадает туда в тот момент, когда ускоряющее электрическое поле мало или

направлено навстречу частице.

По расчетам верхний предел энергии протонов, получаемых в обычном циклотроне,

равен 25 МэВ. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше оборотов