ZGODOVINA POSPESEVALNIKOV: Od idej do prvih izvedb Stanislav Južnič" HYSTORY OF ACCELERATORS: From ideas to their first realisation POVZETEK V razcavi povzemamo zgoOovinoposDeS^val'^O' M v pojžnjem sicuetiu do D^vih i?vedb Po$slyic> p:>o2omast posvečamo šitridecei^ l&rrac Var (3e Gfdattov^gj Dospeševalnikj in beiairona na ln$tiiulu 5i6lan ABSTRACT We deal with ihe history o» acce»9ai katodnim žarkom lastnosti elektronov Prvt jC Spoznal, da v svojih poskusih razbJja atome Leta 1911 je Emesl Rutherford (1871-19371 objavil rezultate sipanja aeicev a na atomih ki so dokazovali obstoj ifdnega ledra Osem let pozneje se je Rutherfordu posrečila pn/a umetna sprememba ledra Duš^k je obstreljeval s 5 do 8 MeV delci n ki so nastali pn razpadih radija m lorip m dobil protone (Livingston 1962.4) Ob protonih so leta 1925 v Wtisonovi celici opazili se kratko sled kisikovega izotopa O Po prvi svetovni vojni so raziskovalci rentgenskih zatkov razvili naprave v katerih so delci dosegah energije 100 * Stanislav Juznidi« profesor fizike in računaln4tva na »rednjiloli v Kofiavju Leia 1dS0 je diplomiral iz tehničre fiziKe n« FaKolleii za nsrauostovj« in tehnologijo, magistfital pa l«ia 1984 iz zgodovine fiziiroma razbijali novoodknto ledro atoma v pospeševaimkih z dovolj visokimi energijami Tekma za razbitje jedra Ernest Orlando Lawrence {190M958) je bil vnuk norveškega učitelja ki je emignral v Madison Wisconsin flojen je bii v majhm vasici Canton v Južni Oakoti 3 3 1901 Nobelovo nagrado iz fizjke je dobil leta 1939 Nekega pomladnega večera leta 1929 je Lawrence siiičaino naletel ha razpravo v reviji Archiv fur Elektrotechnik manj znanega Norvežana Rolfa Wideroa. ki io delal pn Brown-Bovcri Company v Švici Pisania si ni ogledal Od začetka, dokier ni njegove pozornosti pntegmia skrca merilne naprave Ideja Šveda Gustava Ismga iz leta 1924. ki jo je uporabil Wtderoa leta 1928 je zadevala poznejši betatronski m Slika 2 Em&st O Lawtence (1901-1958) s svojim prvtm ahiolionorn linearni resonančni pospeševalnik Ni bila povsem nova To metodo posc>eševanja si je zarmslii že Kari Taylor Compton (1887-1954) predseOnik MiT no primeru oiroka na gugaln^cl Veoei je da s pofivanjern v efrakih časovnih presledkih lahko gugalmca zaniha do zelo velik^h v<šin, čeravno jo je vsako potivanje premaknilo le za majhno razdaljo V Isingovem namišljenem aparatu naj bi hiirost linearno naraščala z energijo kar ni PjIo prjmerno za elektrone določene energije. Widerou se je posrečil poskos z reso-nančnim pospeševanjem natrijevih m kalijevih ionov Med [fi valjasle elektrode je postavil presledka dolga po 15 cm Oscilator je naravnal na frekvenco malo nad 1 MHz s polenciainimi razlikami 20-50 kV v takšnem iinearnem pospeševaimku le pospešil ione do energij, k> so ustrezale dvakratni vrednosti izbrane napeiosli Tako je potrdil rrvDžnost, da lahko 2 majhno napelosijo damo izstrefkom zaznavno hiirost. Če |0 le dodajamo v pravilnih presledkih Lawrence je že dolgo iskal pot. po kateri bi se ognil visokofrekvenčnim lokovom v svo)i zapleteni naprave, v kateri je pospeševal tzsuelke Uu Lfytutiinili lnUg^ti v izpraznjeni posodi Tako te Wideroova ideja pr^ n|em padla na plodna tla V nekaj minutah le nartsal aparat m zapjsal enačbe Naslednji dan je prijatelju že poročal o izumu. Zamisel Lawrenca je bila, da na( bi električno nabili izstrelek krožil v močnem magnetnem polju Izstrelek je najprej dobil močan pospeševalni sjnek v recipientu v praznem proslofu v obliki ponve opremljene s pokrovom Lawrence je nato i/sireick pospeševal s ponav-Ijaiočimi se električnimi sunki, zarad» kaienh p izstrelek krožil po vedno širših krogih z vedno višjimi hitrostmi Končno je izstrelek zadel rob recipienta m na prehodu skozi razpoko priletel v menim prostor Tam so z izstrelki obstreljevali jedra atomov Lawrence je nastavil gostoto magnetnega polja lako da je i.rstrelek priletel ravno v trenutku ko je izmenični tok spremenil sv0|0 i>rTK?r m |e bil pripravljen za SprCfem naslednjega sunka Nihanja visoke frekvence je uporabljal za povečevanje hitrosti izstrelka Lawrence je upal da bo f. tisočkrat uporabljenimi tisoč voiti dobil enak učinek kol če bi enkrat uporabil milijon voHov Januarja 1930 (e konsiruiral ptvi pos peš oval nik rw reso nanco kasneje imenovan cikiotron Med pola elektro-magneta je postavil izčrpano posodo premera 10 cm Znotraj posoae le postavil dve izoliram elektrodi v obliki či1voi!ni ctkioifoi'om ^efa ? 934, p/emer ckloiiona le öii 67 3 cm Ö0 po» milijona voltov po drugih virih luöi 600 in 700 kV Rutheriora je ki|ub temu >podbüiai poskus Veriel le leonjam Gamowa (l 928) ter Conaona »n Gurneya (i 929) po katerih naj bi že 0 5 MeV aii .""»anj zpdoslovaio ze ra2bi1|eiahkih|edet (Llvingston 1963 4), čeptav so drugi razrskovalci predvidevali ptocJor v luoro ieie pn napetostih okoli 1 MV Po trku prolonov z iitijevimi leoti v Caver^aisheverri laboratoriju so nustaiali delci 2 največjim dosegom okoii 8 cm To je dokazovalo, da gre za delce a, kar so potrdili ^e posnoiki v WilsüfKivi celici Jedro atOmaje bilo prvič mod raibljali kontrolirano, alkimijs je postala realnost 20 4 1932 |e Rulherford porocai o uspehih Cockcrotla m Wattona pred Royal Society Angieži so aobiii lekmo m pokazali, da gre vendarle za fiziko .n ne zgoli za moč uporabljenega orodja Ugotovih so tudi masni defeki O 018574 a m e , ki je usirezal napovedim Einsleinove enačbe ^odobne poskuse so opravm tudi z borom, fiuorom kn aluminijem Scmtilacijc so dobili tudi pn poskusih z berilijem in ogljikom ne pa s kisikom in bakrom pn obstreljevaniu s proiom energije do 4 keV (Siaroseljskajc 1967, 258-261j Podobne iransmutacije aiomovjeieta 1935 preučeval tudi Lawrence Kn^atu je Cockcroft-Waitonov pomnoževalmk napeiostf lahko dosegal 750 kV Pozneje so na osnova njunih načrtov pri družbi Philips v Eindhoven posJavil« za Cavenoishev laboratorij naptavo ki le dosegaia 1 25 MV Izkazalo seje, da je to praktična meia k»jo lahKo doseže pospeševalnik tega lipa v zraku pn atmosferskem Haku (Lrvingsion, lybii, b) Rulherford je dobil Nobelovo nagrado iz kemije leta 1908, lela ''951 pa sta si Cockcroft in WnHon del:ia Nobelovo nagrado iz fizike za uspehe pn razvoiu pospeševamikov Pospeševalniki prerastejo v "big science" William Brobeck je bil pcvi profesionalni inženir ki je leta 1938 nasiopii službo pn Radiation Laboratory Prav on S' fe najbolj prizadeval za spremembo prejšnje lehnologije "nit« «n vosKa' v sodobno inženirr.ko prakso (Wilson '981 97; v irideselih tetih je Lawrence sestavil ciklotron velikosti 70 cm ki jc dajal nekaj mikroamperov loka devtcronov z cnergijo 5 MeV ali helijevih jeder z energijo 10 MeV Pol velikega oiokiromagnela je imel premer 114 cm m je bil zakopan v zemljo do višine kuhmjske peči Komandni proslor je bil 5 m više operaterja pa je varovala pred sevanjem še dodatna zaščitna ovojmca .eta 1930 je Lawrence postavil svoj ciklotron velikosti 70 cm v večji ciklotron velikosti 1 5 m ki je bil postavljen za meaicinskn prcučevatija raka Večji cikloiron jC bil težak 220 ton m je dajal tok aevteronov 10 mAs 16 MeV ali pa jok 1 mA helijevih ionov z energijami po 32 MeV JulijO 1941 je Lawrence ^ačel v Berkeieyu zidati zgradbo s 24 stranicami Visoka je bila 30 m, s 50 m premera vanjo pa naj bi cMstavili ciklotron do tedai ie ne dosežeoe moči Dela so se nadaljevala ludi po napadu na Pean Harbour 7 decembra, saj je biio mogoče pričakovati tudi dejavnosti za vojaške potrebe fJaffe, 1944 458-457) Ta 467 cm velik smhrocikloiron je bil končan po voini leta 1949 Stal je i,8miljonovUSDin jedosegal340MeV, po orugih virin 380 MeV Leta 1887 rojeni Američan Alfred Lee Loomis, bankir mullimilijonar m znanstvenik, je bil posebno zaslužen za zbiranje potrebnega denarja (Alvarez, ai) Oa bi presegli prag '100 MeV ki nastane zaradi naraščanja mase pospeševamh delcev, so uporabili idejo Američana Mc M i liana m Rusa VladimirjaVekslerja (1907- 1966) IZ lei 1944 in 1945 o Sinhronizaciji magnetnega in električnega po\\a Tako so dosegli stalno pospeševanje ionov v sinhrocikirotronu (Lapp, 1960, 183; McMillan 1904. 31) Slika 4 Cockcrotl-Walfonov genersiof napQtosu Ido 750 kV) v Cavendisnove/Tt laboraioniu McMillan je lela 1951 äobil Nobelovo nagrado iz kemife za odkritje Iransuranskih elementov Van de Graaffov pospeševalnik Že leta 1746 le Benjamin FrankJm (1706-1790) delal poskuse s strelo Poskus da bi energijo strele ujel v kondenzator, le iela 1753 v Petrogradu spravil ob življenje Georga Wilhelma Rchmana (l 711 1753) Tudi rr>ed lekmo za razbtjanje alomov v trideselih lelih so raziskovalci vedeli, da SO napctosli pn streli 15MV kar |e bilo precei voč, kol so v laboratorijih lahko loktat uporabljali za pospeševanje delcev Zato so 0rush. Lange m Urban delali poskuse na QO'i Genotoso v švici Med dvema skalama so napeli kovinsko mrežo na kaier» se JO nabiral pozilivm naboj Pn posebno močni streit so lahko dobiN iskro dolgo 5 m, ki je ustrezala napetosti lO MV Vendar se je Utban med poskusom smrtno ponesrečil fKarcev. 1959 53) Med lett 1919 1932 so pospeševalnike gradili s porr>oČjo generatorjev visoke napelostj, ki so neposredno po spešcvali nabite delce v konstantnem eleklnčnem poiju Pozvoi (okšnih naprav je bil okronan z elektrosialskim Van de Gr aof lovi m generatorjem Icla 1931 m kaskadnim gerprntorjom Cockcro'ta m WaHona feto pozneje Robert Jemioon Van de Graaff (1901-196?) iz AJabame JO uporabil tionslormaiof za povečevanie napetosti in > tem Sledil sianm loejam Otto von Guencka \2 leta 16^'* Idejo o nabijan|u elektrostatskega genera^o^^^ tekočim trakom (e prvi ptcdfagal Augusto Righi {iß^O-1920) okoN lela 1890 Priredil je starejšo Kelvinovo zamisel o generatorju na nab^e kopJjice vode Carl T Compton s fizikalnega oddelka univerze v Pnncc Jonu je podpr' idejo svojega sodelavca Vnn ae Graaffa Tako je leta 1929 nastal pn/i model Leta 1931 fe dosegel napetost 1 5 MV, o čemer je poročal pred Amefiško iizikaino družbo {Livingston 1963 31-32) SIfka 5. Cikloiron s premerom 1 5 m. Hi so ga /e/a T 939 p05iavih Lamence m soeŠevali z napravami Van de Graatta. s katerimi pa m bilo mogoče preseči nekaj MeV C^kiotron m bil uporaben, saj začne masa pospeševanih elektronov zaznavno naraščati že pr> nekaj lOkeV Ameriški inženir Slepian rn Wideroe zato v tridesetih letih nista dosegla večjih uspehov pn pospeševanju eiek ironov Leta 1933 (e M Steenbeck pn Siemens Rohrenwetk matematično formulira) pogoteza stabilnost polja v pospeševalniku (Siemens, 1957, II, 195) Američan Kerst z univerze Illinois je leta 1940 konstruiral betatron ki je uporabljal zakon elektromagnetne indukcije in dosegal 2,3 MeV Uporabil je Wideroevo idejo ■pretvornika curka" iz ieta 192B, ki je zadevala magnetni indukcijski del betatrona Vendar Wideroe se m poznal zakonitosti, s katerimi lahko obdržimo elektrore v orbiti [Abramov, 1977, 101; Laughlin, 19Ö3, 29, Livingston, 1962, 134, Kerst, 1941, 48). Betatron pri nas Poleti leta 1954 so na Institutu Jožef Stefan kupili betatron Leta 1956 se je Darku Jamniku posrečilo pn energiji 20 MeV doseči stabilizacijo na 5 keV Tako ie bil betatron na US V območju energij do 30 MeV najnalančnejša naprava na svetu za raziskovanje jedrskega foloefekla (Kroflič, 1989,19. 20, 22 in 23) Slika 8. ^reiez ehktrosiatrčnega pospeševa(nika za 2 W na Inštitutu Jožef Stefan v Ljubliani (A - kotel. 8 - visokonapetostna dcktioda. C - ionski i^if, O' QOf/iji vali, E- pospeševalna cev, F • elefik (1953) 137-(i ctel) m 203-397(11 del) Cockctoit John Douglas (1997-1967) Scanerwig itie aiom, v zCcjniky Science lifisihe veil, Longrnans Greer & Co W, Carrtrn (tojen 1951), Trte Acce^aticyi ot blecircAs D» Magnetic inOudcn Phys Rev fiQ (18^1) 47.53 Kfofhi Mr-ion 40 let Insiituta 'Jožef Siel^ ijwDipna rn^i989 LacpRaiDhE Roms to discovery Harper&Btdher^Pijo.ehas New YOfK i960 uuqniin Jonn S Hisic»^ 01 medical physics Prtys«:ftic<»» «uS 1983 26-23 Li^mgslon Milicr Star ley ooien 1905) m John P E4ewett Pafi