velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Очень большая наука

Ускорители заряженных частиц крепко ассоциируются с большой наукой.





1-ые ускорители изобрели и использовали для исследования физики ядра в институтских научных центрах, где их продолжали улучшать и в следующие десятилетия. С течением времени область внедрения этих устройств существенно расширилась. На данный момент в мире действует более 12 000 ускорителей, и только 1200 из их – исследовательские (при этом они обслуживают не только лишь физику, да и химию, биологию, медицину, материаловедение). 6000 ускорителей трудятся в полупроводниковой промышленности, полторы тыщи – в иных выскокотехнологичных отраслях индустрии, 4500 – в онкологических клиниках, около двухсотен употребляют для получения радиоактивных изотопов. Так что основная масса таких установок – «рабочие лошадки» индустрии и медицины. Все же наибольшие ускорители (их всего несколько 10-ов) на данный момент, по-прежнему, служат для проникания в потаенны микромира.


Cчитается, что о машине для ускорения заряженных частиц первым задумался Резерфорд, высказавший эту идею в 1927 году на сессии Английского Царского общества. Но у отца-основателя ядерной физики были предшественники.


В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочитал в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчишка сообразил, что скорость частиц и, как следует, сила удара увеличатся, если разогнать их в неизменном электронном поле. При всем этом Рольф довольно разбирался в физике, чтоб осознать, что этот путь не самый наилучший, потому что нужную разность потенциалов в миллионы вольт получить очень тяжело. Рольф решил, что для разгона частиц стоит использовать следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал. После окончания школы Видероэ поехал в Германию учить электротехнику в политехническом институте в Карлсруэ, а через три года накидал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны при помощи вихревого электронного поля, возникающего (в полном согласовании с уравнениями Максвелла!) при повторяющемся изменении магнитного потока. Практически это обычный электронный трансформатор, в каком одна из катушек заменена вакуумной камерой. Видероэ обусловил характеристики магнитных полей, нужные для того, чтоб все электроны могли набирать скорость на одной и той же радиальный орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя простых частиц, при этом исходя из убеждений теории полностью идеальный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года…


После защиты диплома Рольф возвратился на родину для прохождения военной службы, а потом снова поехал в Германию работать над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить свою схему в железе. Видероэ подразумевал выстроить установку, разгоняющюю электроны до 6 МэВ, но здесь его поняло разочарование – электроны не вожделели оставаться на размеренной орбите. Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики поняли это только 10 лет спустя: в 1940 году доктор института штата Иллинойс Дональд Керст выстроил 1-ый действующий индукционный ускоритель электронов на 2,3 МэВ (на данный момент такие машины именуют бетатронами, в память о тех временах, когда электроны назвали бета-частицами; наикрупнейший в мире бетатрон на 300 МэВ, построенный этим же Керстом, был введен в действие в 1950 году).


Так как кольцевой ускоритель не действовал, а сроки защиты приближались, Видероэ решил выстроить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году выдумал шведский физик Густав Изинг. Машина была недостаточно сильной и поэтому никчемной для суровых тестов, но она все таки ускоряла в бегущем электронном поле ионы натрия до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась таким макаром, чтоб оставаться в фазе с набирающими скорость частичками. В 1928 году Видероэ благополучно защитился и опубликовал свою работу.


В 1943 году он – кажется, первым в мире – сообразил, что для увеличения энергии соударения частиц их можно сталкивать лоб в лоб, за ранее собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сейчас такие устройства именуют накопительными кольцами, Видероэ же именовал их «ядерными мельницами». Он запатентовал свою конструкцию в Германии, но в критериях военного времени патент засекретили. Обе его идеи были осуществлены, но много позднее и другими людьми. 1-ое в мире накопительное кольцо было выстроено в 1961 году в Итальянской государственной лаборатории в городке Фраскати под управлением Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ после войны удачно трудился в фирме, которая изготовляла бетатроны, применявшиеся в онкологических поликлиниках как массивные источники рентгеновского излучения. Пришло к нему и научное признание, хотя и с опозданием – он стал консультантом в ЦЕРНе и в германской лаборатории физики больших энергий DESY. Но так сложилось, что широкой публике этот ученый известен еще меньше, чем остальные классики ускорительных технологий.


Линейные ускорители


Прибор Видероэ был чисто демонстрационным. 1-ый «рабочий» линейный ускоритель выстроили в 1932 году сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской премии. Эта машина разгоняла протоны до энергии в 500 КэВ, что позволило взломать ядра лития. В 1930-е годы эта система (так именуемый каскадный генератор) использовалась достаточно обширно, но только для получения энергий до 1 МэВ (в этом качестве ее употребляют и доныне). А вот схема Изинга обладает куда наилучшими способностями. По идее она очень ординарна. Заряженная частичка покидает источник и летит по вакуумной камере через огромное количество соосных полых железных трубок, расположенных повдоль прямой полосы. На эти трубки подается переменное электронное поле, которое частичка «ощущает», только когда пролетает через зазор (снутри трубок оно экранируется). Таким макаром, в трубках частички летят по инерции – дрейфуют (потому трубки и именуют дрейфовыми). Частота колебаний электронного потенциала подобрана так, чтоб при прохождении каждого зазора частичка ускорялась, а не тормозилась. Набрав расчетную энергию, частички попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, к примеру, при помощи магнитных линз). Понятно, что характеристики дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц. Если это электроны, которые стремительно набирают практически световую скорость, длина трубок может быть схожей. Томные частички, протоны и ионы, разгоняются равномерно, потому их нужно прогонять через дрейфовые трубки растущей длины. Конкретно такую конструкцию и предложил Изинг. Через 20 лет ее переоткрыл янки Луис Альварес, и сейчас схема носит его имя. В 1946 году Альварес и Вольфганг Панофски выстроили в Беркли 1-ый в мире линейный ускоритель, который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, полностью достаточной для тестов в области ядерной физики. Для сотворения ускоряющего поля они пользовались деталями радиолокаторов, которых, естественно, не было во времена Изинга. Схема Альвареса отлично работает для разгона протонов до 200 МэВ. Более высочайшие энергии получают при помощи волноводов с бегущей волной, которые употребляют и в электрических линейных ускорителях.


Протонная карусель


Рольф Видероэ косвенным образом приложил руку и к изобретению циклотрона. Как ни удивительно, стимулом для сотворения этой машины стала его статья о линейном ускорителе. Эта малоизвестная история отлично иллюстрирует, сколь непростым методом развивается научное познание. Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по бокам) стопроцентно воплощал главную идею Изинга – частички бЧльшую часть пути проходят по инерции и лишь на определенных участках резонансно разгоняются электронным полем. В 1929 году статья Видероэ попалась на глаза юному доктору Калифорнийского института Эрнесту Орландо Лоуренсу, который сообразил, что резонансное ускорение частиц не непременно производить на прямолинейной линии движения. Он взял железный полый цилиндр приблизительно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его повдоль оси и раздвинул половинки (их на данный момент именуют дуантами). Эту разрезанную банку нужно вложить меж полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не в особенности стремительных заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В неизменном магнитном поле они станут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (очевидно, в камере должен быть вакуум).


Такое устройство можно перевоплотить в ускоритель. Для этого в зазоры меж дуантами нужно подать переменное электронное поле, частота которого совпадает с частотой вращения частиц (последняя находится в зависимости от заряда, напряженности магнитного поля и массы частиц и не находится в зависимости от их скорости). При соответствующем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частички при проходе зазоров меж дуантами – точно так же, как и в линейном ускорителе Изинга–Альвареса. Те будут уходить на все огромные и огромные радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стеной камеры либо не будут выведены на мишень.


В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему повторяющегося резонансного ускорителя в журнальчике Science. Годом позднее он вместе с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель поперечником 11 см. В камеру подавали очень разреженный водород, который в ней ионизировался электронном полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон выстроили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1,2 МэВ. Еще через год у их была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс сначала называл свое изобретение протонной каруселью, но скоро оно стало именоваться циклотроном.


Циклотрон кардинально изменил экспериментальную базу ядерной физики, и логично, что в 1939 году труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А после войны выяснилось, что сразу с Лоуренсом либо даже некоторое время назад к таковой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он выслал рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в германский журнальчик Zeitschrift fur Physic, но редакторы не сообразили, о чем речь идет, и отказались ее напечатать.


Синхронные ускорители


Лоуренс желал выстроить протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются настолько очень, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частички начинает расти, частота ее воззвания, естественно, понижается, и частичка выходит из резонанса. Наибольшие циклотроны, построенные в Окриджской государственной лаборатории в США и в Стокгольмском Нобелевском институте, могли разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия – до 24 МэВ. Для заслуги бóльших энергий необходимы циклические ускорители, которые могут обеспечить размеренное соответствие фазы ускоряющего поля движению частички. Циклотрон на такое не способен.


Чтоб релятивистские частички продолжали разгоняться в резонансном режиме, необходимо или равномерно наращивать напряженность магнитного поля (тем понижая радиус их линии движения), или уменьшать частоту колебаний электронного потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за понижением частоты воззвания частиц, или согласованно поменять характеристики обоих полей.


Будем, к примеру, действовать при помощи 1-го электронного поля. Допустим, мы обусловили, как снижать его частоту. Оказывается, этого не достаточно. Исходные скорости частиц не будут полностью схожими; не считая того, во время откачки воздуха некая толика частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сумеет работать, только если с течением времени число схожих отклонений будет сокращаться и частички возвратятся на правильные линии движения. В неприятном случае все частички стремительно выйдут из резонанса.


И вот здесь на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга русским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позднее, янки Эдвином Макмилланом. Они обосновали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частички фактически до всех энергий – при помощи особенного режима колебаний электронного потенциала, который автоматом корректирует не в особенности огромные отличия частиц от расчетной фазы (ее именуют сбалансированной) и тем сохраняет резонансное ускорение. Если б не этот режим, способности кольцевых ускорителей могли быть ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит увидеть, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях).


После открытия автофазировки были сделаны и воплощены в металле разные конструкции ускорителей. Машину с неизменным магнитным полем и электронным полем переменной частоты в английской литературе принято именовать синхроциклотроном, а в русской – фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частички движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в каких рост энергии частиц сопровождается повышением напряженности магнитного поля, именуются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частички там движутся по орбитам неизменного радиуса. У электрического синхротрона частота электронного поля неизменна (так как электроны там движутся практически со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, окрестили синхрофазотронами.


Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового поперечника запустили в Брукхейвене в 1952 году. Сначала она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а после полной доводки – до 3,3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском институте вступил в действие наименее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позднее вышел на энергию 6,2 ГэВ (конкретно на нем в первый раз получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все наибольшие циклические протонные ускорители – синхрофазотроны.


Фокусы фокусировки


Через пару лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики выполнили новый прорыв на пути к более высочайшим энергиям.


Во всех резонансных повторяющихся ускорителях магнитное поле не только лишь заворачивает частички, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частички путешествовали в магнитном поле, которое равномерно спадает при увеличении радиуса. Его силовые полосы имеют бочкообразую форму, благодарю чему частички фокусируются не только лишь по радиусу, да и по вертикали; по другому говоря, такое поле не дает частичкам уходить с плоскости орбиты.


Схожая конфигурация магнитного поля никак не безупречна. Она позволяет получать только достаточно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки посильнее, увеличивая их плотность) и к тому же просит строительства очень огромных и поэтому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с значительно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы.


Эта неувязка была решена посреди прошедшего века. В 1949 году греческий физик Николас Христофилос показал, что движением частиц можно управлять при помощи огромного числа прилегающих друг к другу электромагнитов, чередующих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со настолько же сильным его нарастанием. Но он выложил свои результаты только в форме патентной заявки, так что его открытие тогда осталось незамеченным. Три года спустя к той же идее пришли америкосы Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Этот способ получил заглавие сильной фокусировки (фокусировка средством радиально спадающего поля именуется слабенькой). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электронного поля, но зато позволил лучше фокусировать пучки по радиусу и вертикали и замедлил рост размеров ускорителей.


Все упомянутые в этой статье машины – это ускорители с недвижными мишенями. Существует и другая разновидность – ускорители на встречных пучках. Об этих установках, также об аппаратуре для детектирования товаров соударений частиц и о Большенном адронном коллайдере, построенном (но еще не запущенном) в округах Женевы, – читайте в последующем номере.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments