Покоренная плазма

Ядерная артиллерия

О том, что ядра атомов имеют сложное устройство, наука узнала давно.

В самом конце XIX века французский ученый А. Беккерель проделал такой опыт: на фотопластинку, завернутую в темную бумагу, он положил кусок урановой руды. Через несколько дней ученый фотопластинку проявил. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что фотопластинка оказалась засвеченной!

Проделав десятки подобных опытов, Беккерель пришел к правильному выводу, что уран излучает особые лучи, способные проходить через различные преграды.

Позднее такие вещества были названы радиоактивными.

Вскоре два других ученых — Мария и Пьер Кюри — нашли новые радиоактивные элементы — полоний и радий. Их они отыскали в урановой руде.

Тайна невидимого и очень сильного излучения веществ приковала внимание многих ученых. Началось упорное его изучение.

Когда на пути лучей создали магнитное поле, то под действием его сил излучение разделилось на три «хвоста». «Равнодушными» к магнитным силам оказались гамма-лучи. Они прошли прямо, не отклонившись. Позднее выяснилось, что это электромагнитные волны, длина которых намного меньше длин радио- и рентгеновских волн. Вправо ушли бета-лучи. Это поток электронов, «выстреленных» почти со скоростью света. Наконец, влево отклонились частицы, названные альфа-лучами. Это тяжелые, положительно заряженные частицы. Их масса равна массе атомов гелия.

В атомной физике энергию частиц выражают в особых единицах — электрон-вольтах. Это вполне конкретная мера энергии. Она равна работе, которую совершает электрон при движении в электрическом поле. Если электрон переместится из одной точки поля в другую и разность потенциалов между точками равна одному вольту, то этот электрон обладает энергией в один электрон-вольт.

Альфа-лучи — частицы с большим запасом энергии. Эти невидимые снаряды, выбрасываемые радиоактивным веществом, имеют энергию до девяти миллионов электрон-вольт.

Обнаружив существование таких мощных снарядов, ученые решили попробовать обстреливать ими ядра атомов. Ведь только разрушив ядро, можно узнать, из чего оно состоит. Об этом расскажут получившиеся «осколки» ядра.

В 1919 году пришел первый успех. Английский физик Резерфорд сумел попасть альфа-частицами в ядра атомов и наблюдать первую искусственную ядерную реакцию. Резерфорд бомбардировал атомы азота и других элементов. Опыты этого ученого показали, что заряженные частицы могут быть прекрасным инструментом для «вскрытия» ядер.

Потом ученые отыскали еще один вид снарядов, способных разрушить атомное ядро. Это были космические лучи.

Посланцы космоса помогли ученым создать новые ценные методы изучения ядер веществ. Однако и они вскоре не стали удовлетворять покорителей микромира. Дело в том, что космические частицы сильно ослабляются тысячекилометровой толщей воздушной оболочки Земли, которую пробивают далеко не все частицы. Поэтому космическая частица нужной энергии — не частый гость в лаборатории ученого.

А нельзя ли получить заряженные частицы-снаряды собственного производства? — думали ученые. Ведь ядру все равно, какая частица в него ударится — естественная или искусственная, — лишь бы она была достаточно быстрой и увесистой.

И вот здесь пришлось вспомнить о плазме.

Оказалось, что без нее нельзя построить почти ни один ускоритель элементарных частиц — так назвали ученые мощные катапульты, стреляющие по ядрам.

Чтобы эти «катапульты» работали, ускоряли тяжелые заряженные частицы, нужно эти частицы иметь. А берутся они из плазмы.

Вам, наверно, приходилось слышать такие названия — «линейный ускоритель», «циклотрон», «синхротрон», «фазотрон» и, наконец, «синхрофазотрон»?

Все это названия установок, служащих для разгона положительно заряженных частиц — ионов, родившихся в плазме.

На стр. 152 показан разрез «ионной фабрики» циклотрона. Предположим, данный ускоритель ведет обстрел ядрами обыкновенного водорода — протонами. В этом случае в ионном источнике находится газообразный водород при небольшом давлении. Разрядная камера имеет форму усеченного конуса и является анодом. Вторым электродом-катодом служит массивная вольфрамовая спираль. Когда между спиралью и конусом создается высокое напряжение, в камере возникает плазма. Электроны устремляются к катоду-спирали, а положительно заряженные ионы — ядра водорода — к аноду-конусу. Конец конуса обрезан, и через образовавшееся отверстие ионы попадают в разгонную камеру ускорителя. Там на заряженную частицу воздействуют мощным электрическим и магнитным полем и разгоняют ее до нужной скорости.

В циклотроне ионы движутся по окружности и с каждым кругом увеличивают скорость. Разгоняясь, они оказываются все дальше и дальше от центра камеры. Когда заряженные частицы приобретут энергию в несколько миллионов электрон-вольт, они выпускаются наружу и устремляются подобно камню из пращи в мишень.

Самые мощные заряженные частицы — протоны — получаются в синхрофазотроне. Недалеко от Москвы, в Дубне, построен синхрофазотрон, в котором протоны приобретают энергию в десять миллиардов электрон-вольт. Перед такими «снарядами» не в состоянии устоять ни одна «ядерная крепость».

Но было бы неправильно думать, что плазма работает в ускорителях только как «поставщик» заряженных частиц, хотя и эта роль очень важна и ответственна.

Синхрофазотрон в Дубне «выстреливает» протонами по пять залпов в каждую минуту. При этом каждый «залп» состоит более чем из миллиарда «снарядов».

Чтобы осуществить это, потребовалось построить гигантский электромагнит весом тридцать шесть тысяч тонн! Этот электромагнит расходует ни много ни мало, сто сорок тысяч киловатт электроэнергии! Не всякий город потребляет столько электричества.

Синхрофазотрону нужны целые реки тока, причем тока не переменного, а постоянного. Поэтому пришлось построить специальный длинный зал и установить в нем мощные ртутные выпрямители.

Как видите, и здесь не смогли обойтись без плазмы. Немало плазменных устройств работает в системе управления и автоматики, которой оснащен синхрофазотрон, а также в сложной исследовательской аппаратуре, с помощью которой ученые изучают всевозможные ядерные реакции.