В первых ускорителях, построенных в 20–30-годы прошлого века заряженные частицы ускорялись за счет разности потенциалов электрического поля. Представителем этого типа был электростатический ускоритель Ван-де-Граафа, построенный в 1931 г. Он сочетал электростатическую машину и вакуумную трубку.
В 1932 г. сотрудники лаборатории Э. Резерфорда Дж. Кокрофт и Э. Уолтон разработали каскадный генератор, работавший по принципу умножения напряжений. Обычно он состоит из 4–10 каскадов. Схемы включения с использованием выпрямителей и конденсаторов обеспечивают увеличение напряжения в каждом каскаде на величину удвоенного амплитудного напряжения высоковольтного трансформатора, подключенного к первому каскаду. Каскадные генераторы позволяют получить ионы с энергией до 4-х МэВ и выше.
И ускоритель Ван-де-Граафа, и каскадный генератор относятся к линейным ускорителям. Они представляют собой длинную (до 100 м и выше) трубку-камеру, внутри которой поддерживается вакуум. По всей длине камеры размещено большое количество металлических трубок – электродов. Генератор высокой частоты подает на электроды переменное напряжение таким образом, что соседние электроды имеют противоположный заряд. Из электронной «пушки» в камеру выстреливается пучок электронов и под действием положительного потенциала первого электрода начинает ускоряться. В этот момент меняется фаза питающего напряжения и с ней изменяется заряд электрода. Тем самым он отталкивает от себя электроды, которые притягиваются следующим, положительным электродом. По мере движения вперед электроны разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в несколько сотен электрон-вольт. Пролетая через специальное окно, пучок ускоренных электронов сталкивается с атомами.
Получение протонов и электронов более высоких энергий стало возможным в результате применения резонансного метода ускорения в циклотронах, появившихся в начале 30-х годов. Циклотрон является простейшим резонансным циклическим ускорителем. Его основная часть – мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых металлических коробок – дуантов, разделенных небольшим зазором. Дуанты служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц. Вылетая из него, частица притягивается к электроду с противоположным зарядом. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, чьи силовые линии перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время электроды поменяли заряд, и один электрод выталкивает частицу, а другой втягивает ее в себя. Переходя из дуанта в дуант, частица набирает скорость, описывая расширяющуюся спираль. При помощи специальных магнитов частицы выводятся из камеры на мишени экспериментаторов.
С приближением скорости частиц в циклотроне к световой, они становятся тяжелее и постепенно отстают от изменения знака напряжения на дуантах, не попадая в такт электрическим силам, и перестают ускоряться. Максимальная энергия, сообщаемая частицам в циклотроне, составляет 25–30 МэВ.
В 1940 г. американский физик Д. Керст создал индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идею которого выдвинули в 1920-е годы американец Дж. Слепян и швейцарец Р. Видероэ. Это циклический ускоритель электронов нерезонансного типа. Ускорение в нем осуществляется вихревым индукционным электрическим полем, которое создается переменным магнитным полем, проходящим через сердечник магнита. Электроны в бетатроне ускоряются до энергии 100–300 МэВ. Попадая на мишень из тяжелого металла, они теряют свою энергию, и в результате возникает бетатронное гамма-излучение с высокой проникающей способностью, что используется, например, для дефектоскопии металлов.
Практически все современные мощные ускорительные установки основаны на так называемом принципе автофазировки (автоматической устойчивости фазы частицы), открытом в 1944–1945 гг. почти одновременно советским ученым В. Векслером в американским ученым Э. Макмилланом. Он позволил существенно увеличить энергию ускоренных частиц.
Принцип автофазировки лег в основу конструирования циклических резонансных ускорителей с переменной частотой – фазотронов и синхрофазотронов.
В фазотроне частицы двигаются от источника (газового разряда), находящегося в центре, по спирали к периферии вакуумной камеры. Магнитное поле в нем постоянно, а частота ускоряющегося электрического поля меняется. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости.
В синхрофазотрон частицы (протоны) вводятся извне из ускорителя меньшей энергии. В синхрофазотроне изменяется и величина магнитного поля, и частота ускоряющего электрического поля. Частицы в нем двигаются по круговой траектории. Постоянство радиуса орбиты позволяет уменьшить ширину кольца магнита, что значительно удешевляет установку. Из всех современных ускорителей синхрофазотроны позволяют получить самые высокие энергии частиц.
И фазотрон, и синхрофазотрон являются резонансными ускорителями, поскольку движение частиц в них происходит в резонанс (синхронно) с изменением ускоряющего поля.
В 1955 г. исследования, проведенные на синхрофазотроне, установленном в Калифорнийском университете, привели к открытию новой элементарной частицы атомного ядра – антипротона (отрицательно заряженный протон). Здесь же в следующем году был обнаружен антинейтрон.
В 1967 г. вступил в строй синхрофазотрон Института физики высоких энергий под Серпуховом. Диаметр его ускорительного кольца достигал 500 м, максимальная энергия заряженных частиц достигала 76 гигаэлектрон-вольт (ГэВ).
В 1972 г. в Батавии (США) был построен ускоритель с диаметром установки 2000 м и энергией частиц 500 ГэВ.
Пучки заряженных частиц, испускаемых ускорителями, используются не только в физике, но и в химии, биофизике, геофизике. В металлургии они применяются для выявления дефектов деталей, в деревообрабатывающей промышленности – для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности – для стерилизации продуктов, в медицине – для лучевой терапии и бескровной хирургии.
Фотография
Фотография была изобретена в первой половине XIX в. Ее появление – прямое следствие успехов физики и химии. Сущность фотографического процесса сводится к тому, что с предмета или группы предметов в особом приборе, называемом фотографической камерой, получают оптическое изображение на светочувствительном материале.
Людям давно был известен способ копирования изображений, получаемых в ящике специального устройства. Этот способ состоял в следующем: если в одной из стенок темной комнаты или коробки проделать небольшое отверстие и расположить перед ним (вне комнаты или коробки) освещенный предмет, то на противоположной стене образуется опрокинутое отображение этого предмета. Это явление стало широко использоваться в практике с XVI в., когда неаполитанский физик Д. Порта сконструировал усовершенствованную камеру-обскура и для получения более ясного изображения вставил в находящееся в передней стенке камеры отверстие двояковыпуклое («зажигательное») стекло. Этот принцип до настоящего времени служит основой для всех фотографических аппаратов, как бы ни было сложно их устройство.
Когда было получено высокое качество световых изображений, встала новая задача: постараться удержать эти изображения. Здесь на помощь пришло химическое действие солнца, т. е. способность солнечных лучей изменять цвет некоторых веществ. Основываясь на этом свойстве, изобретатели и ученые скоро пришли к мысли, что если покрыть матовое стекло камеры-обскура каким-нибудь светочувствительным веществом, то можно как бы отпечатать световое изображение. В XVIII в. химики располагали уже довольно большим запасом таких светочувствительных веществ.
В 1727 г. немецкий врач Шульце установил светочувствительность солей серебра. Он первый поставил опыты воспроизведения контуров под действием света на пластинке, покрытой азотнокислой
