Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
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
плоскость, вопреки ожиданиям, обычно находится не посредине между полюсами из-за
различных случайных факторов. Сейф, стальная дверь, баллон с газом, оказавшиеся
поблизости, могут вызвать смещение средней плоскости.
Один из крупнейших электромагнитов описанного типа установлен в синхроциклотроне
на 660 МэВ в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Диаметр
полюсов этого магнита 6 м, масса 7 тыс. т. Несколько уступает ему в размерах
синхроциклотрон в Беркли.
Массу магнитов (т) циклотронов можно подсчитать по приближенной формуле G =
4,8·10-3·r 2,5, где r — радиус полюса, см.
Масса обычных магнитов ускорителей составляет несколько тысяч тонн. Магниты
циклотронов и, следовательно, сами циклотроны — это громадные и дорогостоящие
сооружения. Их обычно размещают в специальных корпусах, огороженных бетонными
стенами толщиной несколько метров, которые служат защитой от излучения.
Поворотные двери также делают из бетона.
Циклотроны применяют в основном для научных исследований. Однако в последнее
время они служат и для получения радиоактивных изотопов, необходимых
промышленности и сельскому хозяйству. Сейчас в ряде стран имеется несколько
циклотронов, на которых не проводят никаких научных исследований. Эти атомные
машины играют роль своеобразного технологического оборудования фабрики,
производящей изотопы.
Оказывается, есть предел энергии частиц, ускоряемых в циклотроне. Его диктует
теория относительности. Известно, что масса любой частицы в соответствии с
теорией относительности возрастает по мере приближения скорости частицы к
скорости света. Но частица с большой массой менее "поворотлива": она начинает
отставать от частиц с меньшей энергией и запаздывает к ускоряющему промежутку,
т. е. попадает туда в тот момент, когда ускоряющее электрическое поле мало или
направлено навстречу частице.
По расчетам верхний предел энергии протонов, получаемых в обычном циклотроне,
равен 25 МэВ. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше оборотов
делает заряженная частица в единицу времени. Возникает вопрос: нельзя ли сделать
так, чтобы от центра к краю полюсов магнитное поле увеличивалось. Тогда
приращение массы и, следовательно, "неповоротливость" частицы с ростом ее
энергии могли бы быть скомпенсированы, а энергия частиц, получаемых в
циклотроне, увеличена.
Но в циклотронах делают наоборот: магнитное поле к краю полюса снижают,
осуществляя этим вертикальную фокусировку. Как примирить эти противоположные
требования? Как одновременно иметь вертикальную фокусировку и увеличить поле от
центра полюса с периферии?
Этой задачей интересовались давно. Еще в 1938 г. американский ученый Томас
предложил формулу, в соответствии с которой должно изменяться магнитное поле в
зазоре циклотрона с тем, чтобы эти два условия обеспечивались одновременно.
Однако	 форма полюса при этом оказалась чересчур сложной. Поэтому идея
"изохронного" циклотрона имела в то время немного приверженцев.
Со временем положение изменилось. Инженеры-физики предложили вместо сложных
полюсов Томаса использовать обычные цилиндрические полюсы, покрытые стальными
накладками простой формы. Как выяснилось, такие накладки обеспечивают
одновременное нарастание поля по радиусу и вертикальную фокусировку. Для
коррекции поля в зазоре изохронного циклотрона обычно применяют сложную систему
концентрических и секторных корректирующих обмоток и накладок.
Изохронные циклотроны позволяют повысить энергию частиц, получаемых на
ускорителях этого типа, до 700…800 МэВ. Дальнейшее увеличение энергии —
довольно сложная проблема, так как по технологическим причинам трудно точно
выдержать все требования к конфигурациям магнитного поля циклотронов столь
высоких энергий.
В синхроциклотронах, или фазотронах, установлены аналогичные магнитные системы с
тем лишь отличием, что частота ускоряющего напряжения по мере возрастания
энергии частиц уменьшается; это позволяет отяжелевшим частицам вовремя проходить
ускоряющий промежуток. Такое изменение частоты эквивалентно изменению поля в
изохронном циклотроне. Предел энергии частиц, получаемых в синхроциклотронах,
также составляет 700…800 МэВ. Магниты циклотронного типа устанавливаются и на
микротронах, которые служат для резонансного ускорения электронов в
электрическом поле высокой частоты. В магнитах микротронов обычно используется
магнитное поле примерно в 10 раз меньшее, чем в циклотронах.
В силу различных причин физического и технического характера (о некоторых из них
мы уже говорили) невозможно создать обычные циклотроны с энергией выше 25 МэВ, а
изохронные циклотроны и синхроциклотроны — с энергией выше 800 МэВ. Однако
имеются еще экономические факторы, ограничивающие создание сверхмощных
ускорителей. Подсчитаем, например, массу циклонического ускорителя на энергию 10
тыс. МэВ или 10 ГэВ. Если магнитное поле на конечной орбите составит 1,45 Тл, то
ее радиус должен быть примерно равным 25 м. Подставив это значение в приведенное
ранее выражение для массы магнитаG = 4,8·10-3·r2,5, получим, что масса
такого магнита составляет 1,5 млн. т. Сама постановка вопроса о построении
такого магнита была бы беспредметной.
Почему это происходит? Почему циклотрон на большую энергию имеет такую большую
массу? Первая причина, очевидно, заключается в том, что мы выбрали небольшое
магнитное поле. Если бы удалось это поле в несколько раз повысить, во столько же
раз можно было бы снизить радиус и во столько же в степени два с половиной раза
снизить массу магнита. Однако значительно повысить магнитное поле в циклотронах
нельзя, так как сталь будет сильно насыщаться.
Другая причина, вызывающая необходимость столь большой массы магнита,
объясняется самим принципом работы циклотрона. Поскольку его магнитное поле
постоянно во времени, частица, приобретающая в ускоряющем промежутке очередную
"порцию" энергии, движется по орбите большего радиуса, и траектория ее движения
напоминает спираль. Именно эта спиралевидность орбиты вынуждает иметь в
