В современной физике применяют пучки заряженных частиц для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, довольно мала. Исходя из этого появилась необходимость создания неестественных источников заряженных частиц высоких энергий — ускорителей.
Как мы знаем, что, попав между электродами с различными зарядами, заряженная частица, к примеру электрон либо протон, активизирует перемещение под действием электрических сил. Это явление и породило идею создания в 1930-е гг. линейного ускорителя.
Линейный ускоритель представляет собой долгую трубу, в которой поддерживается вакуум (см. рис.). Заряженные частицы (электроны либо протоны) движутся по прямой, последовательно проходя через цепочку трубчатых электродов (их именуют трубками дрейфа). От особого высокочастотного генератора на электроды подают переменное электрическое напряжение так, что, в то время, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим, положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно и т. д.
Попадая в ускоритель из электронной «пушки», пучок электронов под действием потенциала первого, хорошего электрода начинает ускоряться, пролетая через него. В данный же момент фаза питающего напряжения изменяется, и электрод, только что заряженный положительно, делается отрицательным. Сейчас он уже отталкивает от себя электроны. А второй электрод, став за это время хорошим, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Так, частица ускоряется всегда, в то время, когда выясняется в промежутке между соседними трубками дрейфа (его именуют ускоряющим промежутком).
Существующие линейные ускорители разрешают расширить энергию электронов до 1 — 10 ГэВ. В ускорителе в Станфорде (США) длиной 3 км достигнута энергия 20 ГэВ.
Итак, энергия, информируемая частицам, зависит от длины ускорителя. Потому, что линейный ускоритель имеет ограниченную длину, нужно было разрабатывать и другие типы ускорителей.
Изучая заряженные частицы, ученые замечали их перемещение в магнитном поле около магнитных силовых линий. Так появилась мысль создания циклотрона.
Главная часть циклотрона — замечательный электромагнит. Между его полюсами помещена вакуумная камера, в которой находятся электроды, напоминающие по форме половинки консервной банки (так именуемые дуанты) и поделённые маленьким зазором (см. рис.). Электроды соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц — протонов. Вылетев из источника, протон сразу же притягивается к электроду, заряженному сейчас отрицательно. В электрода электрическое поле отсутствует, исходя из этого частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны плоскости траектории, частица обрисовывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время первый электрод стал уже хорошим и сейчас выталкивает частицу, тогда как второй электрод втягивает ее в себя. Так, переходя из одного дуанта в второй, частица набирает скорость и обрисовывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся посредством особых магнитов на мишени экспериментаторов.
Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они становятся тяжелее и начинают понемногу отставать от меняющего собственный символ электрического напряжения на дуантах. Они уже не попадают в такт электрическим силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сказать частицам в циклотроне, образовывает пара десятков МэВ.
Дабы преодолеть данный барьер, частоту электрического напряжения, поочередно подаваемого на дуанты, понемногу уменьшают, подстраивая ее в такт «отяжелевшим» частицам. Ускоритель для того чтобы типа именуется синхроциклотроном, либо фазотроном.
На одном из наибольших фазотронов в Объединенном университете ядерных изучений в Дубне приобретают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны (ядра тяжелого водорода — дейтерия) с энергией 380 МэВ.
По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались частицы все более высоких энергий. Появилась необходимость строить еще более синхрофазотроны ускорители — и мощные синхротроны, в которых частицы движутся не по спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. Траекторию частицы поддерживает уже несколько магнит, а много магнитных секций, расположенных приятель за втором на протяжении кольца. Особые электростатические либо индукционные устройства разгоняют частицы до больших энергий.
Один из наибольших в мире — протонный синхрофазотрон Университета физики высоких энергий под Серпуховом. Протяженность его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, образовывает 1,5 км; он разрешает реализовать энергию протонов 76 ГэВ.
Большая энергия протонов в современных синхрофазотронах — 500 ГэВ.
Растут энергии заряженных частиц, и все глубже попадают физики в загадочный микромир, открывая малоизвестные прежде явления природы. Могучий арсенал ускорительной техники берут на вооружение многие производства и отрасли науки. Посредством маленьких циклических ускорителей — бетатронов — приобретают пучки электронов с энергией порядка 100 МэВ. Их применяют для дефектоскопии в лучевой терапии и технике в медицине. Пучки стремительных ионов употребляются в полупроводниковой индустрии для электронных микросхем и т. д.