1.2.2.Источники частиц

Существует 4 принципиально различных ти­па источников частиц: радиоактивные препараты; космические лучи; ядерные реакторы; ускорители.

Радиоактивные препараты. Исторически первыми источниками частиц были природные радиоактивные препараты; испускающие яд­ра гелия, электроны и жесткие фотоны. Энергии этих частиц составляют несколько мегаэлектронвольт. При­родных радиоактивных ядер, которые образуются в земной коре в результате разнообразных ядерных превращений, не так уж много. Первичными являются те, которые не успели распасться после обра­зования химических элементов солнечной системы. К ним относятся все ядра с периодами полураспада более 10⁸ лет. Известно около 10 первичных β-активных нуклидов, из которых наиболее важным является калий ⁴⁰К. Несколько первичных природных радио­активных нуклидов испускают а-частицы. Среди них, уран ²³⁸U и ²³⁵U, а также торий ²³²Тп. Они являются родоначальниками соответствующих радиоактивных рядов.

В природных соединениях встречаются и другие члены этих ря­дов — вторичные радиоактивные ядра, сравнительно короткоживущие. Как раз они-то и входят в состав естественных радиоактивных препаратов, применяемых в качестве источников частиц. Наиболее употребительны препараты, содержащие радий и полоний, открытые М. Кюри-Склодовской и П. Кюри еще в 1898 г. В земной коре обнаружены следы ра­диоактивных ядер и иного происхождения. Они возникают в резуль­тате действия космического излучения и первичного радиоактивного излучения на стабильные ядра. Как источники частиц эти ядра роли не играют.

В настоящее время в ядерных реакторах и в серийных ускорите­лях синтезируется множество искусственных радиоактивных элемен­тов. Это сделало возможным производство в промышленных масшта­бах препаратов с высокой активностью, с самыми разными временами жизни ядер и с различными энергиями вылетающих частиц. Тем не менее, их энергетический спектр ограничивают сверху все те же не­сколько мегаэлектронвольт. По современным масштабам такие энер­гии малы. Они значительно ниже порогов многих ядерных реакций, не говоря уже о реакциях с элементарными части­цами. Поэтому радиоактивные источники применяются исключи­тельно для исследования самого радиоактивного излучения и в при­кладных целях.

Явление радиоактивности лежит также в основе работы первых источников нейтронов, которые и поныне применяются для калибров­ки нейтронных детекторов и в прикладных исследованиях. Принцип действия этих источников состоит в том, что при бомбардировке опре­деленных ядер (например, бериллия) α-час­тицами или γ-квантами, генерируемыми каким-то радиоактивным препаратом, протекает реакция с образованием нейтронов. Энерге­тический спектр подобных нейтронных источников непрерывен и перекры­вает диапазон от 0,1 до 10 МэВ. Общие их достоинства — простота изготовления, портативность, дешевизна. Основной недостаток — широкий энергетический спектр, что делает невозможным исследова­ние взаимодействия нейтронов с ядрами.

Космическое излучение. Вплоть до начала 50-х годов, когда были созданы достаточно мощные ускорители, основным источником частиц с высокими энергиями служили космические лучи, открытые В. Гессом в 1912 г. Космические лучи представляют собой заряженные частицы, обладающие высокими энергиями и заполняющие косми­ческое пространство. Наиболее интенсивно галактическое космичес­кое излучение, которое генерируется удаленными объектами, точно пока неизвестными. В окрестности Земли имеется и солнечное космическое излучение. На поверхность Земли падают вторичные космические лучи, возникающие в результате превраще­ния первичных космических частиц, которые они претерпевают в атмосферном слое.

Интенсивность первичного космического излучения составляет около

10⁴ частиц/м²с. Концентрация космических частиц у Земли и в значительной части Галактики порядка 10⁴ м^-3, что ничтожно мало по сравнению с концентрацией частиц газа даже в межгалак­тической среде. Общий поток энергии, приносимой космическим из­лучением на Землю, невозможно сопоставить с энергией, получаемой Землей от Солнца, но он сравним с потоком энергии видимого света звезд. Плотность энергии космического излучения ~10¹³ Дж/м³, что уже не меньше плотности внутренней энергии газа в межгалактической среде. Если исключить влияние магнитных полей Земли и межпланетного пространства, то первичное космическое излучение оказывается изотропным и стацио­нарным.

Космическое излучение состоит в основном из протонов (90%) и α-частиц (7%). Но оно содержит и другие частицы, главным образом более тяжелые ядра (1,2%.), электроны (1,5%), позитроны (0,3%) и антипротоны (2%). В небольших количествах в космическом излучении обнаружены фотоны. Почти несомненным является при­сутствие в нем нейтрино, но зарегистрировать их очень трудно. К осо­бенностям химического состава космических лучей следует отнести то, что в них в 10⁵ раз больше ядер лития, бериллия и бора, чем в сред­нем во Вселенной. Кроме того, космические лучи гораздо богаче тяжелыми элементами, чем небесные тела: в их состав входят даже ядра с Z > 30.

Энергетический спектр первичного компонента космического из­лучения простирается от десятков мегаэлектронвольт до чрезвычай­но высоких энергий. Средняя энергия космических частиц порядка 10¹⁰ эВ.

Проследим теперь судьбу одного первичного космического про­тона. Проходя через атмосферу, протон сталкивается с ядрами ато­мов. В каждом акте соударения протон теряет примерно половину энергии. В основном он затрачивает ее на образование ливней, т. е. на множественное рождение релятивистских частиц. Эти частицы сами претерпевают ряд превращений и участвуют в многочисленных реакциях. Если первичный протон обладает высокой энергией, то он может испытать в атмосфере свыше десят­ка столкновений с ядрами. При каждом столкновении образуются космические ливни и происходит ряд других явлений. В результате развивается так называемый ядерный каскад. В нем порождается ог­ромное количество вторичных, третичных и т. д. частиц самого раз­ного сорта и с самыми различными энергиями.

Из всего сказанного ясно, что космическое излучение может слу­жить источником частиц, в некоторых отношениях уникальным. Его отличает, прежде всего, широта энергетического диапазона. До соз­дания мощных ускорителей именно в космических лучах открыва­лись новые элементарные частицы. Начиная с 1932 г., со времени открытия позитрона, всего в космических лучах было обнаружено около 10 неизвестных ранее частиц.

Однако этот источник обладает и существенными недостатками: неконтролируемость опытов, крайняя редкость событий со сверхвысо­кими энергиями и огромные экспериментальные трудности. В част­ности, прецизионную измерительную аппаратуру приходится подни­мать на очень большую высоту.

Тем не менее, его изучение представляет огромный интерес и про­должается во все более широких масштабах. Особенно важной и интересной остается проблема происхождения космического излучения, решение которой связано с решением проблемы происхождения звезд и галактик, а также эволюции Вселенной в целом. Достаточно вспомнить, что открытие в 1965 г. реликтового излучения (обычно не относимого к космическому излучению) послужило доказательством справедливости модели «го­рячей Вселенной».

Ядерные реакторы — наиболее мощный источник нейтронов. Потоки нейтронов в современных реакторных установках составляют в среднем 10¹⁹ частиц/м²с. Форма энергетического спектра вылетающих нейтронов определяется типом реактора. Если гово­рить в целом, то он всегда непрерывен и простирается от сотых долей злектронвольт до 10 МэВ. Для получения моноэнергетических пуч­ков нейтронов используют монохроматоры, которые пропускают нейтроны лишь с энергиями, значения которых лежат в очень узком диапазоне. Потоки реакторных нейтронов столь велики, что даже после применения монохроматора интенсивность нейтронного пучка остается достаточно высокой.

Во всяком ядерном реакторе в результате процессов деления обра­зуется колоссальное количество β-активных ядер. Но β-распад всегда сопровождается образованием нейтрино и антинейтрино, а потому ядерный реактор служит мощным источником и этих частиц. Антинейтрино экспериментально было обнаружено именно в реакторных пучках (Ф.Рейнеси, К.Коуэн, 1953—1956 гг.). Нейтрино высоких и сверхвысоких энергий получают в третичных пучках на ускорителях.

Ускорители. Основными источниками частиц для решения крупных научных задач в настоящее время являются ускорители. Ускоритель — сложное в техническом отношении устройство, в котором под действи­ем электромагнитных полей формируется достаточно интенсивный первичный пучок частиц с высокими энергиями: от нескольких де­сятков мегаэлектронвольт до сотен, а в перспективе и тысяч гигаэлектронвольт. Объектом непосредственного ускорения явля­ются заряженные стабильные частицы: в основном протоны и электроны, реже ионы атомов, иногда позитроны и антипротоны. Во вторичных, третичных и т. д. пучках получают все прочие элемен­тарные частицы и атомные ядра, не существующие в природе. Основ­ная область применения ускорителей — чисто физические исследования. Однако ускорители все больше используются и в прикладных целях: в промышленности (дефектоскопия, обработка изделий, сте­рилизация продуктов, в медицине (лучевая терапия, «бескров­ная» хирургия), в химии и т. д.

В настоящее время спроектировано и построено множество ускорителей различного типа, которые можно классифицировать по разным признакам, в частности:

- прямого действия – частицы разгоняются за один этап;

- многократного действия – частицы подвергаются множеству отдельных актов ускорения;

- высоковольтные – ускорение осуществляется постоянной разностью потенциалов;

- индукционные — ускорение осуществляется вихревым электрическим, полем, порождаемым пе ременным магнитным потоком;

- резонансные — ускорение осуществляется пере­менным высокочастотным электрическим полем;

- линейные – ускоряемые частицы движутся по прямой;

- циклические – траекториями частиц являются окружности или спирали;

- непрерывного дей­ствия – создают стационарный пучок частиц;

- импульсные – фор­мируют разделенные во времени сгустки частиц;

- «обычные» - пучок частиц падает на неподвижную мишень;

- со встреч­ными пучками – сталкиваются частицы (как правило) с одинаковыми массами, обладающие импульсами, равными по модулю и противо­положными по направлению;

-со слабой (однородной) фокусировкой поперечного сечения пучка частиц – сечение пучка получается большим (несколько сантиметров);

- с жесткой, (или знакопеременной), фокусировкой, позволяющей получать пучки с мил­лиметровыми поперечными сечениями.

Названия отдельных ускорителей в определенной степени отражают их назначение, а также данные классификационные признаки: бетатрон, циклотрон, линейный резонансный, фазотрон, синхрофазотрон, линейный резонансный ускоритель протонов, изохронный циклотрон и т.д.