Получение частиц высоких энергий

Резерфорд первым стал применять альфа-частицы для бомбардировки ядер и достиг здесь громадного успеха (см. § 16.1). Но естественные альфа-частицы не слишком многочисленны, их энергия имеет определенное значение и не поддается удобному регулированию; для некоторых целей она недостаточна.

Поэтому стали применяться различные ускорители заряженных частиц; они должны были обеспечить увеличение интенсивности пучков, увеличение энергии частиц и возможность регулировки этих величин по мере необходимости.

Известные из курса электричества бетатроны позволяют получить электронные пучки с энергиями до 50 МэВ. Они работают в импульсном режиме, давая импульсы, содержащие до 1010 электронов; эти электроны внутри ускорителя направляются на подходящую мишень, где тормозятся и создают гамма-излучение.

Электроны больших энергий получают в линейных ускорителях. Так как уже при энергии в 10 МэВ электрон приобретает скорость, практически равную скорости света, то, если создать электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль некоторой оси (например, Пметаллической трубе), и впустить туда предварительно ускоренный пучок так, чтобы он попал в область, где электрическое поле максимально (у волны в трубе имеется продольное поле), то пучок, двигаясь вместе с волной, будет увеличивать свою энергию — такова идея линейного ускорителя, позволяющего получать электроны с энергиями в десятки гигаэлектронвольт.

В обычном циклотроне время обращения частицы зависит от ее массы и от индукции магнитного поля. Так как масса электронов сильно меняется со скоростью, то при постоянном магнитном поле их ускорение невозможно. Но если сначала ускорить их по принципу бетатрона, а затем, когда они приобретут скорость, практически равную скорости света, обеспечить их попадание в постоянное магнитное поле и включить переменное напряжение, то электроны будут увеличивать энергию, находясь на практически неизменной орбите. На таком принципе работают ускорители, названные синхротронами. Однако благодаря наличию центростремительного ускорения электроны начинают излучать, как и всякий ускоренный заряд, что ограничивает возможности синхротрона энергиями в сотни мегаэлектронвольт.

Для ускорения тяжелых частиц, у которых релятивистские эффекты проявляются при более высоких энергиях, успешно применяются циклотроны (до сотен мегаэлектронвольт). Меняя по определенному закону частоту переменного поля в циклотроне, можно подобрать ее так, чтобы компенсировать изменение времени обращения частицы при росте ее массы. Приборы такого типа (фазотроны) позволяют получать энергии до 1 ГэВ.

Наконец, комбинируя изменения индукции магнитного поля и ускоряющего напряжения, создают системы, способные ускорять тяжелые частицы до 100 ГэВ,— синхрофазотроны. Наиболее крупными ^являются, протонный синхрофазотрон на 76 ГэВ при 1012 частиц в импульсе и 8 импульсах в минуту (СССР, Серпухов), а также ускоритель на 300 ГэВ (США). Тяжелые частицы, как правило, выводятся из ускорительной камеры на внешнюю мишень, подлежащую обстрелу.

Наконец, в последнее время созданы ускорители, где взаимодействуют встречные пучки частиц одинаковой массы. Если при обстреле неподвижной мишени (частицы) значительная часть энергии ускоренной частицы пойдет на сообщение мишени кинетической энергии и лишь небольшая часть энергии будет определять внутреннее взаимодействие с ядром, то при встречных пучках после соударения (если оно неупругое) частицы останавливаются, так что их энергия используется более рационально. Расчет показывает, что эффект, получаемый при использовании встречных пучков, тем выше, чем меньше масса покоя и чем больше кинетическая энергия частиц. Так, ускоритель на встречных пучках равноценен серпуховскому уже при энергиях всего 5,5 ГэВ. Однако создание мощных встречных пучков встречает известные трудности, и не нужно думать, что ускорители на встречных пучках смогут полностью вытеснить обычные ускорители.

Так как на нейтроны не действуют кулоновские силы, то они проникают в ядра атомов гораздо легче, чем заряженные частицы. Поэтому ядерная физика нуждается и в источниках нейтронов. Для этого используются те или иные ядерные реакции, сопровождающиеся вылетом нейтронов (см. § 16.3). Трудности здесь заключаются в невозможности управлять движением нейтронов и в немонохроматичности пучка (т. е. различии скоростей нейтронов). Замедление нейтронов (если оно требуется) производят, пропуская нейтроны через среду с частицами, близкими по массе к массе нейтронов и имеющими значительную вероятность взаимодействия с ними (тяжелая вода, графит). Для выделения из пучка нейтронов частиц с более или менее равными скоростями пучок нейтронов направляют в длинную трубу. Летя вдоль ее оси, нейтроны сами распределяются по скоростям. Если синхронизировать время открытия заслонки, имеющейся в трубе, с работой импульсного источника нейтронов, то на выходе из трубы будут получены нейтроны с более или менее одинаковой скоростью. Возможны и другие устройства подобного рода.

В заключение остановимся на красивом опыте, доказавшем, что микрочастицы подчиняются закону всемирного тяготения. Обычно гравитационное взаимодействие не учитывается, так как оно (для отдельных энергичных частиц) мало по сравнению с другими взаимодействиями, но доказать его существование все же поучительно.

Для доказательства узкий пучок нейтронов, имевших строго горизонтальный вектор скорости, выпускался из малого отверстия в диафрагме, расположенной на определенной высоте Н над поверхностью Земли. На расстоянии L (несколько десятков метров) находился вертикальный штатив, по которому можно было передвигать приемник нейтронов. При расположении приемника на высоте Н нейтроны не регистрировались. Опуская приемник, можно было найти такую высоту H1 для которой число зарегистрированных нейтронов было наибольшим. Зная скорость нейтронов v, расстояние L и расстояние H—Н1 можно было вычислить вертикальное ускорение нейтронов. Оно хорошо совпало с. известным ускорением свободного падения.