В 1931 году началась очень важная эра в истории ускорителей — была предложена схема циклического ускорителя, циклотрона, который работает по резонансному принципу и в котором траектория частицы есть раскручивающаяся спираль.

В 1929 году американцу Эрнесту Лоуренсу попалась на глаза статья норвежского инженера Видероэ на немецком языке, в которой обсуждалась схема резонансного линейного ускорителя. И, хотя Лоуренс не владел немецким языком, для того чтобы разобраться во всех деталях, основная идея была ему ясна из иллюстраций.



Лоуренс понял, что прямолинейную траекторию можно изогнуть в спираль. После коротких расчетов он со своими коллегами приступил к сооружению первого циклического ускорителя, который реализовал в 1931 году. После войны выяснилось, что практически одновременно с Лоуренсом — а возможно, даже немного раньше — к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он отправил рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в немецкий журнал Zeitschrift für Physic, но редакторы не поняли, о чем идет речь, и отказались ее напечатать…

Как был устроен первый циклотрон?



Размер циклотрона Лоуренса — 12,7 см, сделан из стекла, сургуча и бронзы. Обладал возможностью разгонять протоны до 80 кэВ. Циклотрон представлял собой полый диск, похожий на пустую консервную банку, разрезанный на две раздвинутые друг относительно друга половинки и помещенный в магнитное поле — между двумя постоянными магнитами (магнитными полюсами). Каждая из этих двух половинок диска внешне похожа на латинскую букву D, поэтому они и называются dees, то есть буквы «Д». В русской терминологии они называются дуантами. В зазор между дуантами подается переменное ВЧ-напряжение, частота которого должна точно совпадать с частотой обращения частиц. Частицы, пролетая зазор первый раз на обороте, приобретают энергию, равную разности потенциалов, и, пока частицы долетают до зазора второй раз на обороте, проходит половина периода ВЧ, поле меняет знак и снова ускоряет частицы. Таким образом, на каждом обороте частицы приобретают энергию, равную удвоенному потенциалу в зазоре, и ускоряются до требуемой энергии, совершая оборот за оборотом. При этом радиус траектории частицы меняется по закону:

(здесь V — скорость частицы, В — основное магнитное поле, γ — лоренц-фактор).



От первого циклотрона к современным ускорителям

После первого циклотрона последовало строительство более серьезных на энергию протонов 1 МэВ (с диаметром полюса 11 дюймов) и 5 МэВ (27 дюймов). Последний успешно использовался для различных экспериментов в ядерной физике. Спустя уже несколько лет благодаря развивающимся технологиям был преодолен рубеж в 8 МэВ (1936 г.), а еще через 10 лет (1946 г.) был построен огромный циклотрон с энергией 200 МэВ. К сожалению, при таких энергиях скорость циркулирующих частиц становится околосветовой, и без подстройки частоты ВЧ, для того чтобы сохранялся резонанс с частотой обращения частиц, не обойтись. И это уже было следующее поколение циклотронов. В 1934 году на устройство циклотрона был получен патент, а в 1939 году Лоуренсу была присуждена Нобелевская премия за его выдающееся открытие.



Эрнест Лоуренс был выдающимся ученым и инженером, пожалуй, одним из самых знаменитых ускорительщиков, вошедших в историю. В середине 1940-х годов он предложил использовать схему циклотрона в качестве масс-спектрометров для разделения изотопов урана (оружейного 235-го и обычного 238-го). В масс-спектрометре, как и в циклотроне, используется комбинация электрического и магнитного полей для пространственного разделения траекторий частиц в зависимости от их масс и зарядов. Массы изотопов различаются, поэтому они движутся по соседним, но различающимся траекториям и их можно разделить. Авторитет и успехи Лоуренса были столь значимы, что ему было поручено создание специализированной фабрики-лаборатории из нескольких сотен масс-спектрометров (по типу циклотрона, но назывались они калютрон: сalutron — CALifornia University + tron) в Окридже, США. Практически весь уран-235 в атомной бомбе, сброшенной в августе 1945 года на Хиросиму, был наработан Лоуренсом и его сотрудниками. Впоследствии окриджский завод по разделению изотопов с помощью масс-спектрометров был закрыт, так как газодиффузионный метод оказался более эффективным. После окончания Второй мировой войны Лоуренс активно участвовал в создании нескольких крупных ускорителей. В его честь были названы две крупнейшие американские лаборатории: Ливерморская национальная лаборатория и Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (LBNL). Учреждена премия Эрнеста Орландо Лоуренса, вручаемая за выдающиеся заслуги в области ускорительной физики и техники. В 1961 году 103-й химический элемент, открытый в лаборатории LBNL, был назван лоуренсием.