Чтение онлайн

предложение выдвинул американец Э.М.Макмиллан).

Наконец-то Лоуренс смог возобновить работы на заброшенном циклотроне, и уже

через несколько месяцев на нем были получены частицы с энергией 500 (!) МэВ. По

это был уже не циклотрон, а совершенно новая машина — синхроциклотрон.

Однако, прежде чем перейти к описанию этой повой машины, обратимся к некоторым

физическим явлениям, лежащим в основе процесса ускорения заряженных частиц.

Лоуренс первым использовал магнитное ноле для возвращения частиц к одним и тем

же ускоряющим промежуткам. Известно, что любая заряженная частица, двигаясь в

магнитном поле, будет двигаться по окружности. В двух точках такой окружности

Лоуренс расположил ускоряющие промежутки. Вот для этого Лоуренсу и понадобился

старый магнит, завалявшийся на складе Калифорнийского университета.

С ростом энергии частиц, получаемых в ускорителе, увеличивается радиус орбит, по

которым вращаются частицы, а вместе с ним и диаметр магнитов. Поэтому-то самые

большие магниты в мире — это магниты ускорителей.

Заряженная частица подвержена в циклотроне влиянию двух сил: центробежной,

которая стремится "выбросить" частицу из циклотрона, и центростремительной

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