Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики - [263]

Идеального соответствия между движением частицы и частотой электрического тока можно добиться только при условии, что масса частицы не меняется. Это удается при нормальных условиях, однако в процессе ускорения скорость движения частиц начинает приближаться к скорости света. Согласно теории относительности (см. ч. II), в этом случае скорость частицы начинает расти очень и очень медленно (скорость движения частицы ни в коем случае не может быть выше скорости света), в то время как рост массы частицы все ускоряется и ускоряется.

Чем больше масса частицы, тем больше времени она затрачивает на один полуоборот и синхронизацию между движением частицы и частотой переменного тока. Это ограничивает максимальную скорость ускорения протона, и еще до Второй мировой войны эта максимальная скорость была достигнута.

В 1945 году американский физик Эдвин Макмиллан (1907–1991) и русский физик Владимир Векслер независимо друг от друга предложили способ обойти это ограничение. Ученые показали, как именно частоту переменного тока можно постепенно понижать без рассинхронизации с движением частицы постоянно увеличивающейся массы. В результате был построен синхроциклотрон.

Синхроциклотрон не способен испускать частицы высокой энергии беспрерывно, так как частота переменного тока, приемлемая для частиц на последних стадиях ускорения, слишком низкая для частиц на начальных стадиях. Поэтому частицы ускоряются пакетами (по 60–300 частиц) в секунду: перед запуском нового пакета предыдущий должен пройти весь цикл. Однако значительное увеличение скорости частиц на выходе привело к сокращению их общего количества. Первый синхроциклотрон был построен в 1946 году, а несколькими годами позднее появились синхроциклотроны, позволяющие ускорять частицы до 800 Мэв.

При ускорении электронов проблема увеличения релятивистской массы появляется еще раньше. Электроны настолько легкие, что для придания хотя бы умеренного заряда их необходимо разогнать до очень высоких скоростей. Чтобы получить электрон с энергией всего лишь 1 Мэв, его нужно разогнать до 270 000 км/с, а это уже более ⁹/₁₀ скорости света.

При такой скорости масса электрона увеличивается в 2,5 раза по сравнению с состоянием покоя. Поэтому нет особого смысла разгонять электрон с помощью циклотрона, так как даже при небольших уровнях энергии электрона синхронизация уже будет невозможна.

Решение было найдено еще до появления синхроциклотрона. В 1940 году американский физик Дональд Керст разработал ускоритель, в котором электроны двигались по «бубликообразному» сосуду. С ростом скорости движения электронов увеличивалась интенсивность магнитного поля, заставляющего электроны двигаться по кругу. Так как увеличение интенсивности магнитного поля (заставляет электроны двигаться по меньшему радиусу) было согласовано с ростом массы электрона (заставляет электроны двигаться по большему радиусу), в конечном результате электроны не меняют свою траекторию. В определенный момент интенсивность магнитного поля резко изменяют, и несколько электронов высокой энергии вылетают из ускорителя. Керст назвал свой ускоритель бетатроном, так как бета-частицы являются электронами высокой энергии естественного происхождения. Ускоритель Керста испускал электроны с энергией до 2,5 Мэв, а самый современный бетатрон позволяет ускорять электроны до 340 Мэв.

Быстро движущиеся по орбитам электроны испытывают сильное центростремительное ускорение и согласно теории Максвелла испускают энергию в виде излучения. Это ограничивает максимальное ускорение электронов в любом устройстве, где электроны движутся по кругу. (Протоны менее подвержены этому явлению, так как при одинаковом уровне энергии скорость движения протонов существенно ниже, чем у электронов, а значит, и центростремительное ускорение у них гораздо ниже.)

Поэтому сейчас принимаются усилия по строительству линейных ускорителей с длиной, достаточной (сейчас планируется строительство 3,5-километрового ускорителя) для ускорения электронов до 20 000 Мэв.

У синхроциклотрона есть один практический недостаток. Во время движения от центра к выходу частица описывает круги все большего и большего радиуса, поэтому необходимо использовать магниты, достаточные для покрытия максимального радиуса. Эти огромные магниты как раз и были узким местом при строительстве больших синхроциклотронов.

Поэтому целесообразнее было подстраивать интенсивность магнитного поля так, чтобы протоны двигались по кругу, а не по спирали. При такой «жесткой фокусировке» протоны двигаются максимально плотным и узким лучом. Построенные по такому принципу устройства получили названия протонные (и электронные) синхротроны.

К 1952 году были построены протонные синхротроны, способные разгонять частицы до нескольких Бэв. Такой синхротрон, способный испускать частицы с уровнем энергии до 6,2 Бэв, есть у университета штата Калифорния, и называется он бэватрон,

В 1960-х годах были построены два огромных ускорители с жесткой фокусировкой (один в Женеве, второй в Брукхейвене, Лонг-Айленд). Эти ускорители способны разгонять протоны до 30 Бэв и выше. Планируется построить и еще большие, поистине колоссальные по размерам ускорители. Самые большие из существующих ускорителей равны в диаметре трем городским кварталам.