Циклотрон

    Ърнест Орландо Лорънс е американски физик, носител на Нобелова награда за физика за 1939 година. Получава докторска степен през 1925 година в Йейл. Дълги години е професор в Калифорнийския университет в Бъркли. През 1931 година изобретява първия циклотрон. Участва в проекта Манхатън.

    Ърнест Лорънс предложил нова идея - вместо частиците да се пускат по права линия, защо да не се завихрят в кръг?


    Идеята на циклотрона е проста. Между два кухи електрода с полукръгла форма (наречени дуанти) се прилага променливо електрическо напрежение. Дуантите са разположени във вакуумна камера между полюсите на силен електромагнит, който създава постоянно магнитно поле. Частиците се намират в камера в центъра (инжектор) и се насочват по окръжност в магнитното поле, като при всеки оборот се ускоряват при преминаването през процепа между дуантите от електрическото поле. За да се получи това, е необходимо честотата на изменение на полярността на напрежението на дуантите да е равна на кръговата честота на частицата.

    С увеличението на енергията на частиците при всеки оборот, радиусът (циклотронен радиус) на траекторията им ще се увеличава, превръщайки се в плоска спирала. При последното завъртане по спиралата се прилага допълнително отклоняващо поле и снопът частици се извежда от пределите на дуантите.
     Компактното ново устройство на Лорънс било наречено циклотрон.  Диаметърът на първия циклотрон е бил по-малък от 30 cm. С него частиците могат да се ускоряват до енергии, достигащи почти 1,25 MeV.

 

 

    Към 1939 г. Калифорнийският университет вече разполагаше с циклотрон с магнити с диаметър над метър и половина, годен да покачи енергията на частиците до около 20 MeV, което се равнява на скорост, два пъти по-голяма от тази на най-високо енергетичните алфа-частици, излъчвани от радиоактивни източници. През същата година за своето изобретение Лорънс получи Нобелова награда за физика.

    Самият циклотрон трябваше да спре около 20 MeV, тъй като при тази енергия частиците се движеха така бързо, че нарастването на масата със скоростта - ефект, предвиден от теорията на относителността на Айнщайн - стана значително. Това нарастване на масата принуди частиците да започнат да изостават и фазите им вече не съответстваха на електричните тласъци. Но и за това се намери лек и той беше открит през 1945 г. от руския физик Владимир Векслер и от американския физик Едуин Макмилан независимо един от друг.  Решението беше да се синхронизират периодичните изменения на електричното поле с нарастването на частиците по маса. Тази модификация на циклотрона беше наречена "синхроциклотрон". Енергиите на ускорените с таково устройство частици се покачи до 700 - 800 MeV.

    Междувременно ускоряването на електрони беше започнало да придобива самостоятелно значение. За да могат да служат за повишаване на енергията на атома, леките електрони трябваше да бъдат ускорени до много по-високи скорости в сравнение с протоните.

    През 1940 г. американският физик Донълд Кърст конструира устройство за ускоряване на електрони, при което нарастването на електрона по масата се компенсираше от увеличаване силата на електричното поле. Движението на електроните се запазваше по един и същ кръгов път вмест по разширяваща се спирала. Устройството беше наречено "бетатрон".

    При бетатроните енергиите на електроните достигнаха около 340 MeV.

    През 1946 г. Ф. К. Гуард и Д. Е. Барнс създадоха първия "електронен синхротрон" - с него енергията на електрона може да се покачи до 1000 MeV.