УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ - установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия), а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках). Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях - для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц

(см. также ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ). Согласно квантовой механике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определенной длиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чем меньше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тем больше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромира требовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излучений высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователям лишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученые начали работать над созданием установок, которые могли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуют ускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если, например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорению подвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозного или синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящей мишени интенсивным пучком протонов или дейтронов. Энергия ядерных частиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт - это энергия, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. (1 эВ УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ 1,60219*10-19 Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (10 12) электронвольт - на крупнейшем в мире ускорителе. Для обнаружения в эксперименте редких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этого требуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современной техники ускорителей определяется двумя основными параметрами - энергией и интенсивностью пучка частиц. В современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники: высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системы автоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления, сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как "обычные", так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии:

1) формирование пучка и его инжекция, 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.

Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого ускорителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного потока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов) и высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источника и формирующие его. В источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. В таких условиях атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра - протоны. Такой метод (и аналогичный с другими газами) в усовершенствованном виде по-прежнему применяется для получения пучков протонов (и тяжелых ионов). Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка служит его эмиттанс, т.е. произведение радиуса пучка на его угловую расходимость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходимость), называют яркостью пучка. Во многих приложениях современных ускорителей требуется максимально возможная яркость пучков.

Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц. В первых, простейших ускорителях энергия частиц увеличивалась в сильном электростатическом поле, созданном внутри высоковакуумной камеры. Максимальная энергия, которую при этом удавалось достичь, определялась электрической прочностью изоляторов ускорителя. Во многих современных ускорителях в качестве инжекторов еще используются электростатические ускорители электронов и ионов (вплоть до ионов урана) с энергиями от 30 кэВ до 1 МэВ. Получение высокого напряжения и сегодня остается сложной технической проблемой. Его можно получать, заряжая группу конденсаторов, соединенных параллельно, а затем подключая их последовательно к последовательности ускорительных трубок. Таким способом в 1932 Дж.Кокрофт и Э.Уолтон получали напряжения до 1 МВ. Существенный практический недостаток этого способа в том, что на внешних элементах системы оказывается высокое напряжение, опасное для экспериментаторов. Иной способ получения высокого напряжения был изобретен в 1931 Р.Ван-де-Граафом. В генераторе Ван-де-Граафа (рис. 1) лента из диэлектрика переносит электрические заряды от источника напряжения, находящегося под потенциалом земли, к высоковольтному электроду, повышая тем самым его потенциал относительно земли. Однокаскадный генератор Ван-де-Граафа позволяет получать напряжения до 10 МВ. На многокаскадных высоковольтных ускорителях были получены протоны с энергиями до 30 МэВ.

Рис. 1. ГЕНЕРАТОР ВАН-ДЕ-ГРААФА можно превратить в ускоритель, добавив вакуумную трубку. Заряженные частицы из источника, находящегося внутри сферического высоковольтного электрода, вводятся в трубку и ускоряются в направлении мишени. 1 - кожух; 2 - резиновая лента; 3 - источник частиц; 4 - высоковольтный электрод; 5 - вакуумная трубка; 6 - мишень.

Если требуется не непрерывный пучок, а короткий импульс частиц с высокой энергией, то можно воспользоваться тем, что кратковременно (менее микросекунды) изоляторы способны выдерживать гораздо более высокие напряжения. Импульсные диоды позволяют получать напряжения до 15 МВ на каскад в схемах с очень низким импендансом. Это позволяет получить токи пучка в несколько десятков килоампер, а не в десятки миллиампер, как на электростатических ускорителях. Обычный способ получения высокого напряжения основан на схеме импульсного генератора Маркса, в которой батарея конденсаторов сначала заряжается параллельно, а затем соединяется последовательно и разряжается через один разрядный промежуток. Высоковольтный импульс генератора поступает в длинную линию, которая формирует импульс, задавая его время нарастания. Линия нагружается электродами, ускоряющими пучок. При высокочастотном ускоряющем напряжении конструкция ускорителя выдерживает без пробоя гораздо более сильные электрические поля, чем при постоянном напряжении. Однако применение высокочастотных полей для ускорения частиц затрудняется тем, что знак поля быстро меняется и поле оказывается то ускоряющим, то замедляющим. В конце 1920-х были предложены два способа преодоления этой трудности, которые применяются теперь в большинстве ускорителей.

ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Возможность применения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадных ускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, но и в пространстве. В любой момент времени напряженность поля изменяется синусоидально в зависимости от положения в пространстве, т.е. распределение поля в пространстве имеет форму волны. А в любой точке пространства она изменяется синусоидально во времени. Поэтому максимумы поля перемещаются в пространстве с так называемой фазовой скоростью. Следовательно, частицы могут двигаться так, чтобы локальное поле все время их ускоряло. В линейных ускорительных системах высокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженер Р.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанных высокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазовая скорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения в ускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобно скольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов в процессе ускорения могут сильно увеличиваться. Соответственно этому должна увеличиваться и фазовая скорость волны vфаз. Если электроны могут инжектироваться в ускоритель со скоростью, близкой к скорости света с, то в таком режиме фазовая скорость практически постоянна: vфаз = c. Другой подход, позволяющий исключить влияние замедляющей фазы высокочастотного электрического поля, основан на использовании металлической конструкции, экранирующей пучок от поля в этот полупериод. Впервые такой способ был применен Э.Лоуренсом в циклотроне (см. ниже); он используется также в линейном ускорителе Альвареса. Последний представляет собой длинную вакуумную трубу, в которой расположен целый ряд металлических дрейфовых трубок. Каждая трубка последовательно соединена с высокочастотным генератором через длинную линию, вдоль которой со скоростью, близкой к скорости света, бежит волна ускоряющего напряжения (рис. 2). Таким образом, все трубки по очереди оказываются под высоким напряжением. Заряженная частица, вылетающая из инжектора в подходящий момент времени, ускоряется в направлении первой трубки, приобретая определенную энергию. Внутри этой трубки частица дрейфует - движется с постоянной скоростью. Если длина трубки правильно подобрана, то она выйдет из нее в тот момент, когда ускоряющее напряжение продвинулось на одну длину волны. При этом напряжение на второй трубке тоже будет ускоряющим и составляет сотни тысяч вольт. Такой процесс многократно повторяется, и на каждом этапе частица получает дополнительную энергию. Чтобы движение частиц было синхронно с изменением поля, соответственно увеличению их скорости должна увеличиваться длина трубок. В конце концов скорость частицы достигнет скорости, очень близкой к скорости света, и предельная длина трубок будет постоянной.

Рис. 2. ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ. Частицы ускоряются в промежутках между дрейфовыми трубками. Внутри дрейфовых трубок они движутся с постоянной скоростью. Длина каждой трубки немного больше, чем предыдущей, и изменяется в пределах от 10 до 20 см, достигая постоянного значения в конце ускорителя, где скорость частиц становится близкой к скорости света. 1 - источник ионов (инжектор); 2 - ускоряющее напряжение; 3 - дрейфовая трубка; 4 - длинная линия; 5 - пучок.

Пространственные изменения поля налагают ограничение на временную структуру пучка. Ускоряющее поле изменяется в пределах сгустка частиц любой конечной протяженности. Следовательно, протяженность сгустка частиц должна быть мала по сравнению с длиной волны ускоряющего высокочастотного поля. Иначе частицы будут по-разному ускоряться в пределах сгустка. Слишком большой разброс энергии в пучке не только увеличивает трудности фокусировки пучка из-за наличия хроматической аберрации у магнитных линз, но и ограничивает возможности применения пучка в конкретных задачах. Разброс энергий может также приводить к размытию сгустка частиц пучка в аксиальном направлении. Рассмотрим сгусток нерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью v0. Продольные электрические силы, обусловленные пространственным зарядом, ускоряют головную часть пучка и замедляют хвостовую. Синхронизируя соответствующим образом движение сгустка с высокочастотным полем, можно добиться большего ускорения хвостовой части сгустка, чем головной. Таким согласованием фаз ускоряющего напряжения и пучка можно осуществить фазировку пучка - скомпенсировать дефазирующее влияние пространственного заряда и разброса по энергии. В результате в некотором интервале значений центральной фазы сгустка наблюдаются центрирование и осцилляции частиц относительно определенной фазы устойчивого движения. Это явление, называемое автофазировкой, чрезвычайно важно для линейных ускорителей ионов и современных циклических ускорителей электронов и ионов. К сожалению, автофазировка достигается ценой снижения коэффициента заполнения ускорителя до значений, намного меньших единицы. В процессе ускорения практически у всех пучков обнаруживается тенденция к увеличению радиуса по двум причинам: из-за взаимного электростатического отталкивания частиц и из-за разброса поперечных (тепловых) скоростей. Первая тенденция ослабевает с увеличением скорости пучка, поскольку магнитное поле, создаваемое током пучка, сжимает пучок и в случае релятивистских пучков почти компенсирует дефокусирующее влияние пространственного заряда в радиальном направлении. Поэтому данный эффект весьма важен в случае ускорителей ионов, но почти несуществен для электронных ускорителей, в которых пучок инжектируется с релятивистскими скоростями. Второй эффект, связанный с эмиттансом пучка, важен для всех ускорителей. Удержать частицы вблизи оси можно с помощью квадрупольных магнитов. Правда, одиночный квадрупольный магнит, фокусируя частицы в одной из плоскостей, в другой их дефокусирует. Но здесь помогает принцип "сильной фокусировки", открытый Э.Курантом, С.Ливингстоном и Х.Снайдером: система двух квадрупольных магнитов, разделенных пролетным промежутком, с чередованием плоскостей фокусировки и дефокусировки в конечном счете обеспечивает фокусировку во всех плоскостях. Дрейфовые трубки все еще используются в протонных линейных ускорителях, где энергия пучка увеличивается от нескольких мегаэлектронвольт примерно до 100 МэВ. В первых электронных линейных ускорителях типа ускорителя на 1 ГэВ, сооруженного в Стэнфордском университете (США), тоже использовались дрейфовые трубки постоянной длины, поскольку пучок инжектировался при энергии порядка 1 МэВ. В более современных электронных линейных ускорителях, примером самых крупных из которых может служить ускоритель на 50 ГэВ длиной 3,2 км, сооруженный в Стэнфордском центре линейных ускорителей, используется принцип "серфинга электронов" на электромагнитной волне, что позволяет ускорять пучок с приращением энергии почти на 20 МэВ на одном метре ускоряющей системы. В этом ускорителе высокочастотная мощность на частоте около 3 ГГц генерируется большими электровакуумными приборами - клистронами. Протонный линейный ускоритель на самую высокую энергию был построен в Лосаламосской национальной лаборатории в шт. Нью-Мексико (США) в качестве "мезонной фабрики" для получения интенсивных пучков пионов и мюонов. Его медные резонаторы создают ускоряющее поле порядка 2 МэВ/м, благодаря чему он дает в импульсном пучке до 1 мА протонов с энергией 800 МэВ. Для ускорения не только протонов, но и тяжелых ионов были разработаны сверхпроводящие высокочастотные системы. Самый большой сверхпроводящий протонный линейный ускоритель служит инжектором ускорителя на встречных пучках ГЕРА в лаборатории Немецкого электронного синхротрона (ДЕЗИ) в Гамбурге (Германия).

ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ

Протонный циклотрон. Существует весьма элегантный и экономичный способ ускорения пучка путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот же ускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 Э.Лоуренсом и С.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне. Как и в линейном ускорителе с дрейфовыми трубками, пучок экранируется от действия электрического поля в тот полупериод, когда оно действует замедляюще. Заряженная частица с массой m и зарядом q, движущаяся со скоростью v в магнитном поле H, направленном перпендикулярно ее скорости, описывает в этом поле окружность радиусом R = mv/qH. Поскольку ускорение приводит к увеличению скорости v, возрастает и радиус R. Таким образом, протоны и тяжелые ионы движутся по раскручивающейся спирали все возрастающего радиуса. При каждом обороте по орбите пучок проходит через зазор между дуантами - высоковольтными полыми D-образными электродами, где на него действует высокочастотное электрическое поле (рис. 3). Лоуренс сообразил, что время между прохождениями пучка через зазор в случае нерелятивистских частиц остается постоянным, поскольку возрастание их скорости компенсируется увеличением радиуса. На протяжении той части периода обращения, когда высокочастотное поле имеет неподходящую фазу, пучок находится вне зазора. Частота обращения дается выражением

где f - частота переменного напряжения в МГц, Н - напряженность магнитного поля в Тл, а mc2 - масса частицы в МэВ. Если величина H постоянна в той области, где происходит ускорение, то частота f, очевидно, не зависит от радиуса

(см. также ЛОУРЕНС Эрнест Орландо).

Рис. 3. ПОЛЫЕ ДУАНТЫ циклотрона. Полярность напряжения на дуантах меняется после каждого пол-оборота, так что частицы ускоряются в зазоре, достигнув точки А, затем точки В и т.д. на протяжении большого числа оборотов. 1 - электрическое поле; 2 - дуант; 3 - ускоряющее напряжение.

Для ускорения ионов до высоких энергий необходимо лишь, чтобы магнитное поле и частота высоковольтного напряжения отвечали условию резонанса; тогда частицы будут дважды за оборот проходить через зазор между дуантами в нужный момент времени. Для ускорения пучка до энергии 50 МэВ при ускоряющем напряжении 10 кэВ потребуется 2500 оборотов. Рабочая частота протонного циклотрона может составлять 20 МГц, так что время ускорения - порядка 1 мс. Как и в линейных ускорителях, частицы в процессе ускорения в циклотроне должны фокусироваться в поперечном направлении, иначе все они, кроме инжектированных со скоростями, параллельными полюсным наконечникам магнита, выпадут из цикла ускорения. В циклотроне возможность ускорения частиц с конечным разбросом по углам обеспечивается приданием магнитному полю особой конфигурации, при которой на частицы, выходящие из плоскости орбиты, действуют силы, возвращающие их в эту плоскость. К сожалению, по требованиям стабильности сгустка ускоряемых частиц фокусирующая компонента магнитного поля должна уменьшаться с увеличением радиуса. А это противоречит условию резонанса и приводит к эффектам, ограничивающим интенсивность пучка. Другой существенный фактор, снижающий возможности простого циклотрона, - релятивистский рост массы, как необходимое следствие увеличения энергии частиц:

В случае ускорения протонов синхронизм будет нарушаться из-за релятивистского прироста массы примерно при 10 МэВ. Один из способов поддержания синхронизма - модулировать частоту ускоряющего напряжения так, чтобы она уменьшалась по мере увеличения радиуса орбиты и увеличения скорости частиц. Частота должна изменяться по закону

Такой синхроциклотрон может ускорять протоны до энергии в несколько сот мегаэлектровольт. Например, если напряженность магнитного поля равна 2 Тл, то частота должна уменьшаться примерно от 32 МГц в момент инжекции до 19 МГц и менее при достижении частицами энергии 400 МэВ. Такое изменение частоты ускоряющего напряжения должно происходить на протяжении нескольких миллисекунд. После того как частицы достигают высшей энергии и выводятся из ускорителя, частота возвращается к своему исходному значению и в ускоритель вводится новый сгусток частиц. Но даже при оптимальной конструкции магнита и наилучших характеристиках системы подвода высокочастотной мощности возможности циклотронов ограничиваются практическими соображениями: для удержания на орбите ускоряемых частиц с высокой энергией нужны чрезвычайно большие магниты. Так, масса магнита циклотрона на 600 МэВ, сооруженного в лаборатории ТРИУМФ в Канаде, превышает 2000 т, и он потребляет электроэнергию порядка нескольких мегаватт. Стоимость же сооружения сихроциклотрона примерно порпорциональна кубу радиуса магнита. Поэтому для достижения более высоких энергий при практически приемлемых затратах требуются новые принципы ускорения.

Протонный синхротрон. Высокая стоимость циклических ускорителей связана с большим радиусом магнита. Но можно удерживать частицы на орбите с постоянным радиусом, увеличивая напряженность магнитного поля по мере увеличения их энергии. Линейный ускоритель инжектирует на эту орбиту пучок частиц сравнительно небольшой энергии. Поскольку удерживающее поле необходимо лишь в узкой области вблизи орбиты пучка, нет необходимости в магнитах, охватывающих всю площадь орбиты. Магниты расположены лишь вдоль кольцевой вакуумной камеры, что дает огромную экономию средств. Такой подход был реализован в протонном синхротроне. Первым ускорителем подобного типа был "Космотрон" на энергию 3 ГэВ (рис. 4), который начал работать в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1952 в США; за ним вскоре последовал "Беватрон" на энергию 6 ГэВ, построенный в Лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли (США). Сооруженный специально для обнаружения антипротона, он работал на протяжении 39 лет, продемонстрировав долговечность и надежность ускорителей частиц.

Рис. 4. КОСМОТРОН В БРУКХЕЙВЕНЕ. Ускорял протоны до энергии 3 ГэВ. Внизу - поперечное сечение ускоряющей системы. 1 - 90°-й магнит; 2 - мишень; 3 - прямолинейный участок; 4 - равновесная орбита; 5 - инжектор; 6 - ускоряющая система; 7 - ферритовый сердечник; 8 - пучок частиц; 9 - ускоряющее напряжение.

В синхротронах первого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР, фокусировка была слабой. Поэтому была велика амплитуда радиальных колебаний частиц в процессе их ускорения. Ширина вакуумных камер составляла примерно 30 см, и в этом все-таки большом объеме требовалось тщательно контролировать конфигурацию магнитного поля. В 1952 было сделано открытие, позволившее резко уменьшить колебания пучка, а следовательно, и размеры вакуумной камеры. Это был принцип сильной, или жесткой, фокусировки. В современных протонных синхротронах со сверхпроводящими квадрупольными магнитами, расположенными по схеме сильной фокусировки, вакуумная камера может быть меньше 10 см в поперечнике, что приводит к значительному уменьшению размеров, стоимости и потребляемой мощности фокусирующих и отклоняющих магнитов. Первым синхротроном, основанным на этом принципе, был "Синхротрон с переменным градиентом" на энергию 30 ГэВ в Брукхейвене. Аналогичная установка была построена в лаборатории Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. В середине 1990-х годов оба ускорителя все еще находились в эксплуатации. Апертура "Синхротрона с переменным градиентом" была примерно в 25 раз меньше, чем у "Космотрона". Потребляемая магнитом мощность при энергии 30 ГэВ примерно соответствовала мощности, потребляемой магнитом "Космотрона" при 3 ГэВ. "Синхротрон с переменным градиентом" ускорял 6Ч1013 протонов в импульсе, что соответствовало самой высокой интенсивности среди установок этого класса. Фокусировка в этом ускорителе осуществлялась теми же магнитами, что и отклоняли пучок; это достигалось приданием полюсам магнита формы, показанной на рис. 5. В современных ускорителях для отклонения и фокусировки пучка, как правило, используются отдельные магниты.

Рис. 5. МАГНИТ СИНХРОТРОНА С ПЕРЕМЕННЫМ ГРАДИЕНТОМ. а - форма полюсных наконечников, обеспечивающая увеличение градиента; б - магнитное поле, градиент которого таков, что на частицы в точках В и С действуют силы, направленные к точке А, а в точках D и Е - от точки А (это соответствует фокусировке по вертикали и дефокусировке по горизонтали). Знак градиента меняется от магнита к магниту, благодаря чему обеспечивается фокусировка и по горизонтали, и по вертикали.

ЛАБОРАТОРИЯ ИМ. Э. ФЕРМИ близ Батавии (США). Длина окружности "Главного кольца" ускорителя составляет 6,3 км. Кольцо расположено на глубине 9 м под окружностью в центре снимка.

В середине 1990-х годов самым крупным протонным синхротроном являлся "Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми в Батавии (США). Как подсказывает само название, "Теватрон" ускоряет сгустки протонов в кольце диаметром 2 км до энергии порядка 1 ТэВ. Ускорение протонов осуществляется целой системой ускорителей, начиная с генератора Кокрофта - Уолтона в качестве инжектора, из которого отрицательные ионы водорода с энергией 750 кэВ вводятся в линейный ускоритель на энергию 400 МэВ. Затем пучок линейного ускорителя пропускается через углеродную пленку для обдирки электронов и инжектируется в промежуточный синхротрон - бустер - диаметром 150 м. В бустере протоны совершают примерно 20 000 оборотов и приобретают энергию 8 ГэВ. Обычно бустер выполняет 12 быстро следующих друг за другом рабочих циклов, в результате которых в "Главное кольцо" - еще один протонный синхротрон с протяженностью кольца 6,3 км - инжектируется 12 сгустков протонов. "Главное кольцо", в котором протоны ускоряются до энергии 150 ГэВ, состоит из 1000 обычных магнитов с медными обмотками, отклоняющих и фокусирующих протоны. Непосредственно под "Главным кольцом" расположен состоящий из 1000 сверхпроводящих магнитов оконечный синхротрон "Теватрон". Пучок может выводиться по многим каналам на расстояние 1,5-3 км для проведения исследований во внешних экспериментальных залах. Для удержания на орбите пучков с более высокими энергиями требуются более сильные отклоняющие и фокусирующие магниты. Предназначенные для субъядерной "микроскопии" протонные синхротроны на энергии больше 1 ТэВ требуют тысяч сверхпроводящих и фокусирующих магнитов длиной 5-15 м с апертурой шириной в несколько сантиметров, обеспечивающих исключительно высокую точность полей и стабильность их во времени. Основными факторами, сдерживающими создание протонных синхротронов на более высокие энергии, являются большая стоимость и сложность управления, связанные с их огромными размерами.

УСКОРИТЕЛИ СО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ

Циклические коллайдеры. Далеко не вся энергия ускоренной частицы идет на осуществление нужной реакции. Значительная ее часть бесполезно теряется в виде отдачи, претерпеваемой частицей мишени в силу закона сохранения импульса. Если налетающая частица имеет энергию Е, а масса частицы покоящейся мишени равна М, то полезная энергия составляет

Таким образом, в экспериментах с покоящейся мишенью на "Теватроне" полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ. Стремление использовать в исследованиях частиц как можно более высокие энергии привело к созданию в ЦЕРНе и Лаборатории им. Э.Ферми протон-антипротонных коллайдеров, а также большого числа установок в разных странах со встречными электрон-позитронными пучками. В первом протонном коллайдере соударения протонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ происходили в кольце с длиной окружности 1,6 км (рис. 6). За несколько дней удавалось накопить пучки с током до 50 А.

Рис. 6. ПЕРЕСЕКАЮЩИЕСЯ НАКОПИТЕЛЬНЫЕ КОЛЬЦА. В лобовых столкновениях встречных пучков более полно используется энергия ускоренных частиц.

В настоящее время коллайдером с самой высокой энергией является "Теватрон", на котором проводятся эксперименты при соударении пучка протонов, имеющих энергию 1 ТэВ, со встречным пучком антипротонов той же энергии. Для таких экспериментов необходимы антипротоны, которые можно получить, бомбардируя пучком протонов высокой энергии из "Главного кольца" металлическую мишень. Рождающиеся в этих соударениях антипротоны накапливают в отдельном кольце при энергии 8 ГэВ. Когда накоплено достаточно много антипротонов, их инжектируют в "Главное кольцо", ускоряют до 150 ГэВ и далее инжектируют в "Теватрон". Здесь протоны и антипротоны одновременно ускоряют до полной энергии, а затем осуществляют их соударения. Суммарный импульс сталкивающихся частиц равен нулю, так что вся энергия 2Е оказывается полезной. В случае "Теватрона" она достигает почти 2 ТэВ. Наибольшая энергия среди электрон-позитронных коллайдеров была достигнута на "Большом электрон-позитронном накопительном кольце" в ЦЕРНе, где энергия сталкивающихся пучков на первом этапе составляла 50 ГэВ на пучок, а затем была увеличена до 100 ГэВ на пучок. В ДЕЗИ сооружен коллайдер ГЕРА, в котором происходят соударения электронов с протонами. Этот огромный выигрыш в энергии достигается ценой значительного уменьшения вероятности столкновений между частицами встречных пучков низкой плотности. Частота столкновений определяется светимостью, т.е. числом столкновений в секунду, сопровождающихся реакцией данного типа, имеющей определенное сечение. Светимость линейно зависит от энергии и тока пучка и обратно пропорциональна его радиусу. Энергию пучка коллайдера выбирают в соответствии с энергетическим масштабом исследуемых физических процессов. Для обеспечения наибольшей светимости необходимо добиться максимально возможной плотности пучков в месте их встречи. Поэтому главной технической задачей при проектировании коллайдеров является фокусировка пучков в месте их встречи в пятно очень малых размеров и увеличение тока пучка. Для достижения нужной светимости могут потребоваться токи более 1 А. Еще одна исключительно сложная техническая проблема связана с необходимостью обеспечивать в камере коллайдера сверхвысокий вакуум. Поскольку столкновения между частицами пучков происходят сравнительно редко, соударения с молекулами остаточного газа могут существенно ослаблять пучки, уменьшая вероятность изучаемых взаимодействий. Кроме того, рассеяние пучков на остаточном газе дает нежелательный фон в детекторе, способный замаскировать изучаемый физический процесс. Вакуум в камере коллайдера должен лежать в пределах 10-9 - 10-7 Па (10-11 - 10-9 мм рт. ст.) в зависимости от светимости. При более низких энергиях можно ускорять более интенсивные пучки электронов, что дает возможность исследовать редкие распады В- и К-мезонов, обусловленные электрослабыми взаимодействиями. Ряд таких установок, иногда называемых "фабриками ароматов", сооружается в настоящее время в США, Японии и Италии. Такие установки имеют два накопительных кольца - для электронов и для позитронов, пересекающихся в одной или двух точках, - областях взаимодействия. В каждом кольце содержится много сгустков частиц при полном токе более 1 А. Энергии пучков выбираются с таким расчетом, чтобы полезная энергия соответствовала резонансу, который распадается на изучаемые короткоживущие частицы - В- или К-мезоны. В основе конструкции этих установок лежат электронный синхротрон и накопительные кольца.

Линейные коллайдеры. Энергии циклических электрон-позитронных коллайдеров ограничиваются интенсивным синхротронным излучением, которое испускают пучки ускоренных частиц (см. ниже). Этого недостатка нет у линейных коллайдеров, в которых синхротронное излучение не сказывается на процессе ускорения. Линейный коллайдер состоит их двух линейных ускорителей на высокие энергии, высокоинтенсивные пучки которых

Составить слова из слова ускоритель частиц

Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно. Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготовляемые из "магнитно-твердых" материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из "магнитно-мягкого" железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле. Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец - южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются. Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний - одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита. Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки.

Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.) М. Фарадей (1791-1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины. Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F - сила в ньютонах, I - ток в амперах, l - длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл)

(см. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ).

Гальванометр. Гальванометр - чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна. Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля. Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков - величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки. В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где m0 - т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4pЧ10-7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже). На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Рис. 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТ создает магнитное поле благодаря электрическому току в обмотке.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894-1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902-1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме. Магнитная проницаемость m - это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями - от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей - в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля. На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1-2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы "память" материала о "прошлой истории", откуда и название "гистерезис". Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1-3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)-(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант - участок 4-5. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Рис. 2. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1-3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1-4 - коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов - таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Рис. 3. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-мягкого материала (например, железа). Поскольку площадь петли пропорциональна потерям энергии, такие материалы слабо сопротивляются размагничиванию и характеризуются малыми потерями энергии.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой - сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма. Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория "увяла". В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное "трение". Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и "размножение" магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Рис. 4. РАННЯЯ ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА: предполагалось, что вещество намагничивается, когда его отдельные атомы (каждый из которых является маленьким магнитом), в отсутствие поля расположенные хаотически (а), под действием внешнего поля располагаются в определенном порядке (б).

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению "магнитного заряда" полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами. В 1907 П. Вейс ввел понятие "домена", ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших "колоний" атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10-6 мм3. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. "Стенка" и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой "переходные слои", в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

Рис. 5. ДОМЕН в теории магнетизма - это малая намагниченная область материала, в которой моменты атомов параллельны друг другу. Домены отделены друг от друга переходным слоем, называемым блоховской стенкой. Показаны два домена с противоположной ориентацией и блоховская стенка с промежуточной ориентацией.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Рис. 6. КРИВАЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ и доминирующие процессы на разных ее участках.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Рис. 7. ТИПЫ УПОРЯДОЧЕНИЯ магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных (г) веществах.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них - так называемый эффект Баркгаузена, второе - метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности. Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe3O4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля - на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал. Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве "элементарных магнитов" рассматриваются именно электроны как носители спина. Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа - типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй - восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого - отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех - отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой - в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Рис. 8. НЕСКОМПЕНСИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СПИНЫ как причина магнетизма. Изображены оболочки и подоболочки свободного атома железа, имеющего четыре нескомпенсированных электронных спина в 3d-подоболочке М-оболочки, которыми и обусловлены магнитные свойства железа.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А. Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой - С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

Рис. 9. ЭКСПЕРИМЕНТ ЭЙНШТЕЙНА - ДЕ ГААЗА. При пропускании тока по обмотке, охватывающей ферромагнитный цилиндрик, последний поворачивается в направлении стрелки. Если изменить направление тока, то цилиндрик поворачивается в другую сторону.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств. При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них -измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения "резонансных" частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные "гироскопы" и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением R = mv/eB, где m - масса частицы, v - ее скорость, e - ее заряд, а B - магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e - в кулонах, m - в килограммах, B - в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными "естественным" частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором - циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне). Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Рис. 10. ПРЕЦЕССИЯ АТОМА. Атом с магнитным моментом p прецессирует в магнитном поле с индукцией B.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 1010 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 107 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов. Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных "гироскопов" образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Рис. 11. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС. Исследуемое вещество в стеклянной пробирке помещается в постоянное магнитное поле. В катушке, намотанной на пробирку, возбуждается резонанс на частоте, равной частоте гироскопической прецессии атома в магнитном поле.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств. Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5*10 -4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита - порядка 2 Тл и более. Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био - Савара - Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна

Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):

Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна

Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю. Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля Ha, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.

Рис. 12. АТОМНЫЕ ТОКИ внутри намагниченного стержня полностью компенсируют друг друга, так что остается лишь амперовский ток на его поверхности.

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + Ha), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c; c - безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B/H, характеризующая магнитные св

Составить слова из слова магниты и магнитные свойства вещества