Современная физика частиц ассоциируется с гигантскими сооружениями: подземные кольца в десятки километров, тысячи тонн магнитов, международные коллаборации. Начиналось все с прибора, который спокойно помещался в ладони. Придумал его молодой профессор из Беркли, толком не разобравший статью, которая его вдохновила.
Кто такой Эрнест Лоуренс
Эрнест Орландо Лоуренс родился 8 августа 1901 года в городке Кантон в Южной Дакоте, в семье школьного учителя. Учился в университете Южной Дакоты, затем в Миннесоте, докторскую защитил в Йеле в 1925 году.
В 1928-м его пригласили в Калифорнийский университет в Беркли, а еще через два года он стал там самым молодым полным профессором. Ему было двадцать девять.
Дальше карьера пошла в гору стремительно. В 1939 году Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике — за изобретение циклотрона и полученные с его помощью результаты. Во время войны он руководил электромагнитным разделением урана в Манхэттенском проекте: тот же принцип, приспособленный под другую задачу, назвали калютроном. Лоуренс умер в 1958 году, не дожив до пятидесяти восьми. Его именем назвали лабораторию в Беркли и 103-й элемент таблицы — лоуренсий.
Что такое циклотрон
Задача, которая мучила физиков конца 1920-х, звучала просто: как разогнать частицу посильнее. Чтобы заглянуть внутрь атомного ядра, требовались снаряды с энергией в миллионы электронвольт. Способ знали один — гнать частицу по прямой через огромное напряжение. А напряжение под миллион вольт означало установку размером с ангар и постоянный риск пробоя.
В 1929 году Лоуренс листал немецкий физический журнал. Немецкого он почти не знал, зато разобрал схемы в статье норвежца Рольфа Видероэ. Тот предлагал разгонять частицы серией мелких толчков в линейной цепочке трубок, вместо одного мощного рывка. Идея была здравой, однако для больших энергий такая цепочка растянулась бы на десятки метров.
И тут Лоуренса осенило. Прямую линию можно свернуть. Если поместить частицу в магнитное поле, она пойдет по кругу — и будет раз за разом возвращаться к одному и тому же ускоряющему промежутку. Вместо сотни трубок хватит двух электродов.
Первую рабочую модель собрал его аспирант Стэнли Ливингстон. Крошечная камера около одиннадцати сантиметров в поперечнике разогнала ионы до восьмидесяти тысяч электронвольт. Устройство работало — и дальше пошел рост. 11-дюймовая машина с двухтонным магнитом, затем 27-дюймовая с магнитом на восемьдесят тонн. В 1931 году Лоуренс основал Радиационную лабораторию, из которой вырастет вся американская школа ускорительной физики.
Как работает циклотрон
Устройство циклотрона проще, чем кажется. В вакуумной камере стоят два полых электрода в форме буквы D — их называют дуантами. Камера помещена между полюсами большого электромагнита, поле направлено перпендикулярно плоскости дуантов.
В центр впускают заряженную частицу. Магнитное поле заворачивает ее траекторию в дугу, и она уходит внутрь одного из дуантов. Внутри металлического электрода электрического поля нет, частица просто летит по окружности. Зато в зазоре между дуантами приложено переменное напряжение — и, пролетая щель, частица получает толчок.
Дальше все повторяется. Каждый проход через зазор добавляет энергии, скорость растет, радиус витка увеличивается, и траектория раскручивается в спираль. У края камеры разогнанный пучок выводят на мишень.
Красота идеи держится на одном обстоятельстве. Пока частица движется медленно по сравнению со светом, время одного оборота от ее скорости не зависит: чем быстрее она летит, тем шире круг. Период остается прежним, а значит, напряжение можно переключать с одной постоянной частотой — ее и называют циклотронной.
У этого фокуса есть предел. На околосветовых скоростях вступает в силу теория относительности: масса частицы растет, оборот занимает больше времени, синхронность ломается. Чтобы обойти проблему, придумали синхроциклотрон с плавающей частотой и изохронный циклотрон с хитро подобранным полем. А для по-настоящему больших энергий понадобились кольца постоянного радиуса — синхротроны, прямые потомки которых работают в Большом адронном коллайдере.
Где циклотроны используются сегодня
Главный заказчик циклотронов сегодня — медицина. На них нарабатывают короткоживущие изотопы для позитронно-эмиссионной томографии, прежде всего фтор-18. Живет он меньше двух часов, поэтому производить его приходится буквально по соседству с клиникой: онкологическая диагностика во многом держится на этих машинах.
Есть и прямое лечение. Протонная терапия использует ускоренный пучок без всяких посредников: протоны отдают основную энергию точно в опухоли, почти не задевая ткани по дороге. К 2020 году в мире работало около девяноста таких центров, еще три десятка строились.
Тяжелые ионы для синтеза сверхтяжелых ядер разгоняют тоже в циклотронах. В подмосковной Дубне на ускорителе ДЦ-280 действует Фабрика сверхтяжелых элементов — там получают ядра, которых в природе попросту нет.
Плюс материаловедение, источники нейтронов, испытания электроники на радиационную стойкость. Прибор, который Лоуренс когда-то держал в руке, оказался на редкость живучим: почти столетие спустя его схему используют по всему миру.
Ранее Наука Mail рассказала о синхрофазотроне — легендарном советском ускорителе, потомке циклотрона.