100 знаменитых изобретений - Владислав Пристинский

В 1889 г. это удалось сделать М. О. Доливо-Добровольскому. Он изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников, его конструкция еще напоминала машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удавалось получить более компактную форму магнитопровода. Наконец в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В принципе эта конструкция сохранилась до настоящего времени.

Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80–90-х годах XIX в. значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную асимметрию в систему. Кроме того, иногда было необходимо иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно – для осветительной нагрузки, а другое, повышенное – для силовой.

Для того чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему трехфазного тока с нулевым проводом. Он же указал, что вместо нейтрального или нулевого провода можно использовать землю. Доливо-Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система позволяет допускать определенную асимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

В настоящее время существуют много типов трансформаторов, применяющихся в различных областях техники.

Основной вид трансформаторов – трансформаторы силовые. Среди них больше всего двухобмоточных. Они устанавливаются на линиях электропередачи. Такие трансформаторы повышают напряжение тока, вырабатываемого электростанциями с 10–15 тысяч вольт до 220–750 тысяч вольт. В местах потребления электроэнергии при помощи силовых трансформаторов высокое напряжение преобразуют в низкое (220–380 вольт). Эти трансформаторы имеют КПД 0,98–0,99.

Кроме силовых существуют трансформаторы, предназначенные для измерения больших напряжений и токов: измерительные трансформаторы, трансформаторы напряжения, трансформаторы тока, а также снижения уровня помех проводной связи, преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное и многие другие.

Ускорители заряженных частиц

Для исследования атомного ядра его обстреливали или облучали элементарными частицами, наблюдая за последствиями. Сначала достаточно было и энергии, возникающей при естественном распаде радиоактивных элементов.

Вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и дальнейшее развитие ядерной физики потребовало создания ускорителей заряженных частиц – «ядерной артиллерии», – позволяющих получать элементарные частицы – электроны, протоны, ионы с высокими энергиями в миллиарды электрон-вольт (МэВ) и выше. Создание таких установок позволило глубже изучить природу и взаимное превращение таких частиц. Кроме того, ускорители дают возможность получать новые радиоактивные изотопы различных элементов.

В ускорителях обеспечивается ускорение заряженных частиц до большой величины, что позволяет преодолеть внутренние силы, связывающие части атома в одно целое. Так раскрываются детали строения ядра.

Передача энергии частицам происходит благодаря взаимодействию электрического поля с зарядами частицы с использованием ее электрических и магнитных свойств. Это основной принцип действия ускорителей.

В первых ускорителях, построенных в 20–30-годы прошлого века заряженные частицы ускорялись за счет разности потенциалов электрического поля. Представителем этого типа был электростатический ускоритель Ван-де-Граафа, построенный в 1931 г. Он сочетал электростатическую машину и вакуумную трубку.

В 1932 г. сотрудники лаборатории Э. Резерфорда Дж. Кокрофт и Э. Уолтон разработали каскадный генератор, работавший по принципу умножения напряжений. Обычно он состоит из 4–10 каскадов. Схемы включения с использованием выпрямителей и конденсаторов обеспечивают увеличение напряжения в каждом каскаде на величину удвоенного амплитудного напряжения высоковольтного трансформатора, подключенного к первому каскаду. Каскадные генераторы позволяют получить ионы с энергией до 4-х МэВ и выше.

И ускоритель Ван-де-Граафа, и каскадный генератор относятся к линейным ускорителям. Они представляют собой длинную (до 100 м и выше) трубку-камеру, внутри которой поддерживается вакуум. По всей длине камеры размещено большое количество металлических трубок – электродов. Генератор высокой частоты подает на электроды переменное напряжение таким образом, что соседние электроды имеют противоположный заряд. Из электронной «пушки» в камеру выстреливается пучок электронов и под действием положительного потенциала первого электрода начинает ускоряться. В этот момент меняется фаза питающего напряжения и с ней изменяется заряд электрода. Тем самым он отталкивает от себя электроды, которые притягиваются следующим, положительным электродом. По мере движения вперед электроны разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в несколько сотен электрон-вольт. Пролетая через специальное окно, пучок ускоренных электронов сталкивается с атомами.

Получение протонов и электронов более высоких энергий стало возможным в результате применения резонансного метода ускорения в циклотронах, появившихся в начале 30-х годов. Циклотрон является простейшим резонансным циклическим ускорителем. Его основная часть – мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых металлических коробок – дуантов, разделенных небольшим зазором. Дуанты служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц. Вылетая из него, частица притягивается к электроду с противоположным зарядом. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, чьи силовые линии перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время электроды поменяли заряд, и один электрод выталкивает частицу, а другой втягивает ее в себя. Переходя из дуанта в дуант, частица набирает скорость, описывая расширяющуюся спираль. При помощи специальных магнитов частицы выводятся из камеры на мишени экспериментаторов.

С приближением скорости частиц в циклотроне к световой, они становятся тяжелее и постепенно отстают от изменения знака напряжения на дуантах, не попадая в такт электрическим силам, и перестают ускоряться. Максимальная энергия, сообщаемая частицам в циклотроне, составляет 25–30 МэВ.

В 1940 г. американский физик Д. Керст создал индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идею которого выдвинули в 1920-е годы американец Дж. Слепян и швейцарец Р. Видероэ. Это циклический ускоритель электронов нерезонансного типа. Ускорение в нем осуществляется вихревым индукционным электрическим полем, которое создается переменным магнитным полем, проходящим через сердечник магнита. Электроны в бетатроне ускоряются до энергии 100–300 МэВ. Попадая на мишень из тяжелого металла, они теряют свою энергию, и в результате возникает бетатронное гамма-излучение с высокой проникающей способностью, что используется, например, для дефектоскопии металлов.

Практически все современные мощные ускорительные установки основаны на так называемом принципе автофазировки (автоматической устойчивости фазы частицы), открытом в 1944–1945 гг. почти одновременно советским ученым В. Векслером в американским ученым Э. Макмилланом. Он позволил существенно увеличить энергию ускоренных частиц.

Принцип автофазировки лег в основу конструирования циклических резонансных ускорителей с переменной частотой – фазотронов и синхрофазотронов.

В фазотроне частицы двигаются от источника (газового разряда), находящегося в центре, по спирали к периферии вакуумной камеры. Магнитное поле в нем постоянно, а частота ускоряющегося электрического поля меняется. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости.

В синхрофазотрон частицы (протоны) вводятся извне из ускорителя меньшей энергии. В синхрофазотроне изменяется и величина магнитного поля, и частота ускоряющего электрического поля. Частицы в нем двигаются по круговой траектории. Постоянство радиуса орбиты позволяет уменьшить ширину кольца магнита, что значительно удешевляет установку. Из всех современных ускорителей синхрофазотроны позволяют получить самые высокие энергии частиц.