Первый циклический ускоритель — циклотрон был разработан и создан американским физиком Лоуренсом в 1931 г. Схематически принцип действия этого устройства таков. Посреди зазора между полюсами магнита, создающего постоянное магнитное поле, находится откачанная до высокого вакуума плоская коробка, в которой ускоряются частицы. Это камера циклотрона. В ней находится источник заряженных частиц, например протонов массой пг и зарядом q. Камера состоит из двух полых металлических половинок электродов, называемых из-за их D-образной формы дуантами. К этим электродам (дуантам) приложено переменное напряжение, которое меняет направление всякий раз, когда частицы делают пол-оборота. Благодаря этому электрическое поле в зазоре между дуантами всегда направлено так, что ускоряет частицы.
Каждый раз, когда частица, движущаяся в магнитном поле по окружности, подлетает к зазору между дуантами, она в такт с изменением электрического поля получает ускоряющий «шлепок». В результате энергия частицы увеличивается, и она, двигаясь все быстрее и быстрее, вращается по кривой типа раскручивающейся спирали.
Разумеется, электрическое поле в зазоре в зависимости от его направления может либо ускорять, либо тормозить заряды. Очевидно, нужно подобрать такую частоту генератора, чтобы максимум напряжения в промежутке между дуантами приходился всякий раз на момент нахождения там частицы. Но как быть тогда с последующим движением протона, когда он начнет описывать все большие и большие полуокружности? Будет ли он успевать теперь за периодическими изменениями электрического поля?
В циклотроне на заряженную частицу действуют две силы: центробежная, которая стремится «выбросить» частицу из циклотрона, и сила Лоренца, которая заставляет частицу двигаться по окружности. Если магнитное поле постоянное по всей области движения частицы, то и время движения частицы по полуокружности любого радиуса постоянно.
В этом основная причина простоты работы циклотрона. Генератор создает переменное напряжение фиксированной частоты, которое в регулярные промежутки времени сообщает частицам ускоряющие импульсы. Замечательно, что описанный способ позволяет повысить первоначальную энергию протона в сотни и даже тысячи раз (максимально до 20—25 МэВ), хотя напряжение на дуантах не превосходит нескольких десятков или сотен киловольт. Вы спросите, почему только до 25 МэВ, а не до 1000 МэВ или еще более высокой энергии? Ведь можно увеличить индукцию магнитного поля или построить более крупный циклотрон.
Однако значительно повысить магнитное поле в циклотронах не удается. Максимально достижимое значение индукции лимитируется насыщением в железных полюсных наконечниках и составляет примерно 1,5—2 Тл. Что же касается габаритов ускорителя, то подсчитали, что один только магнит циклотрона на 10000 МэВ, при В = 1,5 Тл, весил бы более 1 млн.
Но это еще не все. Если даже построить крупный циклотрон, ожидая получить более высокие энергии, то окажется, что частицы энергией в несколько мегаэлектронвольт не успевают вовремя подлетать к ускоряющему промежутку. На внешних орбитах, где протоны должны были бы приобрести большую энергию, они движутся все медленнее и медленнее. В конце концов это приводит к нарушению синхронности между работой генератора и циркуляцией протонов (расфазировке); частицы выпадают из такта, и процесс ускорения прекращается. Почему же это происходит? Ведь если заряд частицы не изменился и не изменилось магнитное поле, то и время оборота частицы по любой орбите не должно меняться.
На самом деле это не совсем так. Период Т не зависит от скорости частицы и радиуса орбиты только при скоростях, малых по сравнению со скоростью света. Когда же скорость частицы приближается к скорости света — физики называют такие частицы релятивистскими, масса ее в соответствии с неумолимой теорией относительности резко возрастает. Но частица большей массы менее подвижна — она начинает отставать и попадает в тормозящее поле. Как видите, сам принцип работы циклотрона не позволяет получать протоны энергией более 20—25 МэВ. Все попытки ускорить подобным способом заряженные частицы до больших энергий оказались безуспешными.
Выход из создавшегося положения был найден советским физиком В. И. Векслером. Он сумел составить такой график движения частицы, в котором автоматически учитывается возрастание их массы. Вы, конечно, видели, как катится по лестнице мяч. Он вначале прыгает с одной ступеньки на другую, потом скорость его увеличивается, и он уже перепрыгивает через две ступеньки, потом через три, четыре и т. д. Нечто подобное Векслер предложил делать и в ускорителях. По мере роста скорости частиц изменять или индукцию магнитного поля или частоту генератора. Повинуясь влиянию поля изменяющейся частоты, частицы сами по себе приходят к ускоряющему промежутку как раз в тот момент, когда это необходимо. Таким образом, процесс ускорения может продолжаться и при очень высоких энергиях. На этом принципе (физики назвали его автофазировкой) основано действие многих современных ускорителей. Но это уже не обычные циклотроны.
