Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т. д.).

Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный во времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями – импульсами). По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные (траектории близки к прямым линиям), циклические и индукционные (траекториями являются окружности или спирали).

1. Линейный ускоритель. Ускорение осуществляется электростатическим полем (например, генератором Ван-де-Граафа). Частицы ускоряются до .

2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частицы. Протоны ускоряются до , электроны – до .

3. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов).

Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов . К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Заряженную частицу вводят в центр зазора между дуантами.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. Частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий .

Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит в увеличению периода обращения, и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов.

В 1944 г. советский физик В. И. Векслер и в 1945 г. Американский физик Э. Мак-Миллан предложили принцип автофазировки . Идея его заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо и то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

4. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Частицы ускоряются до энергий .

5. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до 5 – 10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны в синхрофазотроне ускоряются до энергий 500 ГэВ.

7. Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 эВ.

В мае ученые планируют воссоздать космические условия Вселенной, которые существовали в миллиардные доли секунды после Большого Взрыва. Согласно их теории, космос тогда был невероятно горячим, что позволяло материи распадаться на простейшие составляющие.

БАК должен проделать тот же фокус и помочь ученым заглянуть в текстуру нашей Вселенной.

Шаткая модель и одна частица

В 2012 году эксперимент БАК позволил физикам обнаружить призрачную частицу под названием бозон Хиггса, которая стала важной частицей головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц. Годом спустя коллайдер был остановлен для обслуживания и реконструкции, и обновление потребовало больше времени, чем ожидалось.

Хотя ученые и довольствуются открытием бозона, они не удовлетворены текущим состоянием физики элементарных частиц и своими находками. Бозон Хиггса, говорят ученые, это не конец пути, а новая дверь или «новый ключ» к сложному механизму. Кроме того, некоторые ученые жалуются, что смогли изучить только тысячу-другую частиц, в то время как частиц, объясняющих существующую Вселенную, намного больше.

Один из ученых, участвующих в эксперименте, считает, что нынешняя Стандартная модель Вселенной, построенная на физике элементарных частиц, «очень и очень хороша», но не может объяснить Вселенную. Вот почему некоторые члены команды хотят сбросить с трона некоторые существующие теории и перестроить их с нуля, вместо того чтобы доказывать, что они верны.

Воплощение темной материи

Один из ключевых вопросов, которые поднимет эксперимент, это темная материя. Согласно Стандартной модели, 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, которые невозможно обнаружить оптическими инструментами вроде телескопов.

Ученые CERN хотят раз и навсегда доказать, что темная материя существует не только в теории. Для этого команда планирует разбить частицу бозона Хиггса и заставить его распасться на протон и составляющую темной материи.

Ожидание неожиданного

Если ученым удастся, они разобьют текущую Стандартную модель и предоставят нам совершенно новое понимание Вселенной, которое называют «теорией всего».

Кроме того, ученые планируют проверить другую теорию - которая связана с сосуществованием материи и антиматерии в видимой Вселенной. Материя и антиматерия, как полагают, сталкивались много раз в космосе, поэтому то, что мы сегодня воспринимаем как видимую Вселенную, является лишь результатом столкновений.

В любом случае антиматерия — это гипотеза. Обычно в фантастических фильмах и книгах много антиматерии, но не в реальности, объясняют ученые. БАК начнет поиски антиматерии также в мае.

Два других горячих вопроса - теории, связанные с отсутствием гравитации в Стандартной модели физики, и возможность существования множества мелких частиц во Вселенной. Ученые мечтают найти мельчайшую частицу в электроне.

Однако через умы ученых проходят «миллионы безумных идей». Пока осталось просто дождаться запуска Большого адронного коллайдера и новых данных.

Ускоритель заряженных частиц - это устройство, в котором создается пучок электрически заряженных атомных или движущихся с околосветовыми скоростями. В основу его работы положено увеличение их энергии электрическим полем и изменение траектории - магнитным.

Для чего нужны ускорители заряженных частиц?

Данные устройства нашли широкое применение в различных областях науки и промышленности. На сегодняшний день во всем мире их насчитывается более 30 тысяч. Для физика ускорители заряженных частиц служат инструментом фундаментальных исследований структуры атомов, характера ядерных сил, а также свойств ядер, которые в природе не встречаются. К последним относятся трансурановые и другие неустойчивые элементы.

С помощью разрядной трубки стало возможным определение удельного заряда. Ускорители заряженных частиц также используются для производства радиоизотопов, в промышленной радиографии, лучевой терапии, для стерилизации биологических материалов, а также в Самые большие установки применяются в исследованиях фундаментальных взаимодействий.

Время жизни заряженных частиц, покоящихся относительно ускорителя, меньше, чем у частиц, разогнанных до скоростей, близких к Это подтверждает относительность промежутков времени СТО. Например, в ЦЕРН было достигнуто увеличение времени жизни мюонов на скорости 0,9994c в 29 раз.

В данной статье рассматривается то, как устроен и работает ускоритель заряженных частиц, его развитие, различные типы и отличительные черты.

Принципы ускорения

Независимо от того, какие ускорители заряженных частиц вам известны, все они обладают общими элементами. Во-первых, все они должны иметь источник электронов в случае телевизионного кинескопа или электронов, протонов и их античастиц в случае более крупных установок. Кроме того, все они должны иметь электрические поля для ускорения частиц и магнитные поля для управления их траекторией. Кроме того, вакуум в ускорителе заряженных частиц (10 -11 мм рт. ст.), т. е. минимальное количество остаточного воздуха, необходим для обеспечения длительного времени жизни пучков. И, наконец, все установки должны обладать средствами регистрации, подсчета и измерения ускоренных частиц.

Генерация

Электроны и протоны, которые наиболее часто используются в ускорителях, встречаются во всех материалах, но сперва их нужно из них выделить. Электроны, как правило, генерируются точно так же, как в кинескопе - в устройстве, которое называется «пушкой». Она представляет собой катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается до состояния, когда электроны начинают отрываться от атомов. Отрицательно заряженные частицы притягиваются к аноду (положительному электроду) и проходят через выпускное отверстие. Сама пушка также является простейшим ускорителем, так как электроны движутся под действием электрического поля. Напряжение между катодом и анодом, как правило, находится в пределах 50-150 кВ.

Помимо электронов, во всех материалах содержатся протоны, но из одиночных протонов состоят лишь ядра атомов водорода. Поэтому источником частиц для является газообразный водород. В этом случае газ ионизируется и протоны выходят через отверстие. В больших ускорителях протоны часто образуются в виде отрицательных ионов водорода. Они представляют собой атомы с дополнительным электроном, которые являются продуктом ионизации двухатомного газа. С отрицательно заряженными ионами водорода на начальных этапах работать легче. Потом их пропускают через тонкую фольгу, которая лишает их электронов перед финальной стадией ускорения.

Разгон

Как работают ускорители заряженных частиц? Ключевой особенностью любого из них является электрическое поле. Простейший пример - равномерное статическое поле между положительными и отрицательным электрическими потенциалами, подобное тому, которое существует между выводами электрической батареи. В таком поле электрон, несущий отрицательный заряд, подвержен действию силы, которая направляет его к положительному потенциалу. Она ускоряет его, и, если нет ничего, что бы этому препятствовало, его скорость и энергия возрастают. Электроны, движущиеся в сторону положительного потенциала по проводу или даже в воздухе, сталкиваются с атомами и теряют энергию, но если они находятся в вакууме, то ускоряются по мере приближения к аноду.

Напряжение между начальным и конечным положением электрона определяет приобретенную им энергию. При движении через разность потенциалов в 1 В она равна 1 электрон-вольту (эВ). Это эквивалентно 1,6 × 10 -19 джоуля. Энергия летящего комара в триллион раз больше. В кинескопе электроны разгоняются напряжением свыше 10 кВ. Многие ускорители достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мега-, гига- и тераэлектрон-вольтами.

Разновидности

Некоторые самые ранние виды ускорителей заряженных частиц, такие как умножитель напряжения и генератор Ван-де-Граафа, использовали постоянные электрические поля, создаваемые потенциалами до миллиона вольт. С такими высокими напряжениями работать нелегко. Более практичной альтернативой является повторяющееся действие слабых электрических полей, создаваемых низкими потенциалами. Это принцип используется в двух типах современных ускорителей - линейных и циклических (главным образом в циклотронах и синхротронах). Линейные ускорители заряженных частиц, кратко говоря, пропускают их один раз через последовательность ускоряющих полей, в то время как в циклическом они многократно движутся по круговой траектории через относительно небольшие электрические поля. В обоих случаях конечная энергия частиц зависит от суммарного действия полей, так что многие малые «толчки» складываются вместе, чтобы дать совокупный эффект одного большого.

Повторяющийся структура линейного ускорителя для создания электрических полей естественным образом предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения. Положительно заряженные частицы ускоряются к отрицательному потенциалу и получают новый толчок, если проходят мимо положительного. На практике напряжение должно изменяться очень быстро. Например, при энергии 1 МэВ протон движется на очень высоких скоростях, составляющих 0,46 скорости света, проходя 1,4 м за 0,01 мс. Это означает, что в повторяющейся структуре длиной в несколько метров, электрические поля должны менять направление с частотой, по меньшей мере, 100 МГц. Линейные и циклические ускорители заряженных частиц, как правило, разгоняют их с помощью переменных электрических полей частотой от 100 до 3000 МГц, т. е. в пределах от радиоволн до микроволн.

Электромагнитная волна является комбинацией переменных электрических и магнитных полей, колеблющихся перпендикулярно друг к другу. Ключевым моментом ускорителя является настройка волны таким образом, чтобы при прибытии частицы электрическое поле было направлено в соответствии с вектором ускорения. Это может быть сделано с помощью стоячей волны - комбинации волн, движущихся в противоположных направлениях в замкнутом пространстве, как звуковые волны в органной трубе. Альтернативным вариантом для очень быстро перемещающихся электронов, скорость которых приближается к скорости света, является бегущая волна.

Автофазировка

Важным эффектом при ускорении в переменном электрическом поле является «автофазировка». В одном цикле колебания переменное поле проходит от нуля через максимальное значение снова до нуля, падает до минимума и поднимается к нулю. Таким образом, оно дважды проходит через значение, необходимое для ускорения. Если частица, скорость которой возрастает, прибывает слишком рано, то на нее не будет действовать поле достаточной силы, и толчок будет слабым. Когда она достигнет следующего участка, то опоздает и испытает более сильное воздействие. В результате произойдет автофазировка, частицы будут находиться в фазе с полем в каждой ускоряющей области. Другим эффектом будет их группировка во времени с образованием сгустков, а не непрерывного потока.

Направление пучка

Важную роль в том, как устроен и работает ускоритель заряженных частиц, играют и магнитные поля, так как они могут изменять направление их движения. Это означает, что их можно использовать для «сгибания» пучков по круговой траектории, чтобы они несколько раз проходили через один и тот же ускоряющий участок. В простейшем случае на заряженную частицу, движущуюся под прямым углом к ​​направлению однородного магнитного поля, действует сила, перпендикулярная как к вектору ее перемещения, так и к полю. Это заставляет пучок двигаться по круговой траектории перпендикулярной полю, пока он не выйдет из области ее действия или другая сила не начнет действовать на него. Этот эффект используется в циклических ускорителях, таких как циклотрон и синхротрон. В циклотроне постоянное поле создается большим магнитом. Частицы по мере роста их энергии движутся по спирали наружу, ускоряясь с каждым оборотом. В синхротроне сгустки перемещаются по кольцу с постоянным радиусом, а поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается, поскольку частицы ускоряются. Магниты, обеспечивающие «изгиб», представляют собой диполи с северным и южным полюсами, согнутыми в виде подковы таким образом, что пучок может проходить между ними.

Второй важной функцией электромагнитов является концентрация пучков, чтобы они были настолько узкими и интенсивными, насколько это возможно. Простейшая форма фокусирующего магнита - с четырьмя полюсами (двумя северными и двумя южными), расположенными напротив друг друга. Они толкают частицы к центру в одном направлении, но позволяют им распространяться в перпендикулярном. Квадрупольные магниты фокусируют луч по горизонтали, позволяя ему выйти из фокуса вертикально. Для этого они должны использоваться попарно. Для более точной фокусировки также используются более сложные магниты с большим числом полюсов (6 и 8).

Поскольку энергия частиц возрастает, сила магнитного поля, направляющая их, увеличивается. Это удерживает пучок на одной траектории. Сгусток вводят в кольцо и ускоряют до необходимой энергии, прежде чем он будет выведен и использован в экспериментах. Отвод достигается за счет электромагнитов, которые включаются, чтобы вытолкнуть частицы из синхротронного кольца.

Столкновение

Ускорители заряженных частиц, используемые в медицине и промышленности, в основном производят пучок для конкретной цели, например, для лучевой терапии или имплантации ионов. Это означает, что частицы используются один раз. В течение многих лет то же самое было верно для ускорителей, применяемых в фундаментальных исследованиях. Но в 1970 годах были разработаны кольца, в которых два пучка циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются по всему контуру. Основным преимуществом таких установок является то, что при лобовом столкновении энергия частиц переходит непосредственно в энергию взаимодействия между ними. Это контрастирует с тем, что происходит, когда пучок сталкивается с покоящимся материалом: в этом случае большая часть энергии уходит на приведение материала мишени в движение, в соответствии с принципом сохранения импульса.

Некоторые машины со встречными пучками построены с двумя кольцами, пересекающимися в двух и более местах, в которых в противоположных направлениях циркулировали частицы одного типа. Более распространены коллайдеры с частицами и античастицами. Античастица имеет противоположный заряд связанной с ней частицы. Например, позитрон заряжен положительно, а электрон - отрицательно. Это означает, что поле, которое ускоряет электрон, замедляет позитрон, движущийся в том же направлении. Но если последний перемещается в противоположную сторону, он ускорится. Аналогично электрон, движущийся через магнитное поле, будет изгибаться налево, а позитрон - вправо. Но если позитрон перемещается навстречу, то его путь будет по-прежнему отклоняться вправо, но по той же кривой, что и электрон. Вместе это означает, что данные частицы могут двигаться по кольцу синхротрона благодаря одним и тем же магнитам и ускоряться одними и теми же электрическими полями в противоположных направлениях. По этому принципу созданы многие мощнейшие коллайдеры на встречных пучках, т. к. требуется только одно кольцо ускорителя.

Луч в синхротроне не движется непрерывно, а объединен в «сгустки». Они могут иметь несколько сантиметров в длину и десятую долю миллиметра в диаметре, и содержат около 10 12 частиц. Это небольшая плотность, поскольку в веществе подобных размеров содержится около 10 23 атомов. Поэтому, когда пучки пересекаются со встречными, существует лишь небольшая вероятность того, что частицы будут взаимодействовать друг с другом. На практике сгустки продолжают движение по кольцу и встречаются снова. Глубокий вакуум в ускорителе заряженных частиц (10 -11 мм рт. ст.) необходим для того, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов без столкновения с молекулами воздуха. Поэтому кольца еще называют накопительными, поскольку пучки фактически хранятся в них в течение нескольких часов.

Регистрация

Ускорители заряженных частиц в большинстве своем могут регистрировать происходящее при попадании частиц в мишень или в другой пучок, движущийся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны из пушки ударяют в люминофор на внутренней поверхности экрана и излучают свет, который, таким образом, воссоздает передаваемое изображение. В ускорителях подобные специализированные детекторы реагируют на рассеянные частицы, но они обычно предназначены для создания электрических сигналов, которые могут быть преобразованы в компьютерные данные и проанализированы с помощью компьютерных программ. Только заряженные элементы создают электрические сигналы, проходя через материал, например, путем возбуждения или ионизации атомов, и могут быть обнаружены непосредственно. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или фотоны, можно регистрировать опосредованно через поведение заряженных частиц, которые приводятся ими в движение.

Существует множество специализированных детекторов. Некоторые из них, такие как счетчик Гейгера, просто подсчитывают частицы, а другие используются, например, для записи треков, измерения скорости или количества энергии. Современные детекторы по размеру и технологии варьируют от небольших устройств с зарядовой связью до больших заполненных газом камер с проводами, которые регистрируют ионизированные следы, создаваемые заряженными частицами.

История

Ускорители заряженных частиц в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц. Начиная с открытия британского физика в 1919 году реакции ядра азота и альфа-частицы, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с ядрами гелия, выпущенными в результате распада естественных радиоактивных элементов. Природные альфа-частицы обладают кинетической энергией 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада тяжелых ядер необходимо их искусственно ускорить до еще больших значений. В то время это представлялось сложным. Однако расчет, сделанный в 1928 году (в университете Геттингена, Германия), показал, что могут быть использованы ионы со значительно меньшими энергиями, и это стимулировало попытки построить установку, которая обеспечивала пучок, достаточный для ядерных исследований.

Другие события этого периода продемонстрировали принципы, по которым ускорители заряженных частиц строятся и по сей день. Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены Кокрофтом и Уолтоном в 1932 году в Кембриджском университете. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до 710 кэВ и показали, что последние реагируют с ядром лития с образованием двух альфа-частиц. К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Ван-де-Грааф построил первый ременной электростатический генератор высокого потенциала. Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван-де-Граафа по-прежнему используются в качестве источников энергии для ускорителей.

Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928 г. В Рейн-Вестфальском техническом университете в ​​Аахене, Германия, он использовал высокое переменное напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, в два раза превышающих сообщаемые им. В 1931 году в Соединенных Штатах Эрнест Лоуренс и его помощник Дэвид Слоун из Университета Калифорнии, Беркли, использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до энергий, превышающих 1,2 МэВ. Эта работа дополнила ускоритель тяжелых заряженных частиц Видероэ, но ионные пучки не пригодились в ядерных исследованиях.

Магнитный резонансный ускоритель, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация установки Видероэ. Студент Лоренса Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, произведя ионы с энергией в 80 кэВ. В 1932 году Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов до более 1 МэВ. Позже в 1930-е годы энергия циклотронов достигла около 25 МэВ, а генераторов Ван-де-Граафа - около 4 МэВ. В 1940 году Дональд Керст, применяя результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, построил в Университете штата Иллинойс первый бетатрон, магнитно-индукционный ускоритель электронов.

Современная физика: ускорители заряженных частиц

После Второй мировой войны в науке ускорения частиц до высоких энергий произошел быстрый прогресс. Его начал Эдвин Макмиллан в Беркли и Владимир Векслер в Москве. В 1945 году они оба независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предлагает средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе, что сняло ограничение на энергию протонов и позволило создать магнитно-резонансные ускорители (синхротроны) для электронов. Автофазировка, реализация принципа фазовой стабильности, была подтверждена после постройки небольшого синхроциклотрона в Университете Калифорнии и синхротрона в Англии. Вскоре после этого был создан первый протонный линейный резонансный ускоритель. Этот принцип используется во всех больших протонных синхротронах, построенных с тех пор.

В 1947 году Уильям Хансен, в Стэнфордском университете в Калифорнии построил первый линейный ускоритель электронов на бегущей волне, использовавший технологию СВЧ, которая была разработана для радаров во время Второй мировой войны.

Прогресс в исследованиях стал возможным за счет повышения энергии протонов, что привело к построению все больших ускорителей. Эта тенденция была остановлена высокой стоимостью изготовления огромных магнитов кольца. Самый большой весит около 40000 тонн. Способы увеличения энергии без роста размеров машин были про​​демонстрированы в 1952 году Ливингстоном, Курантом и Снайдером в технике знакопеременной фокусировки (иногда называемой сильной фокусировкой). Синхротроны, работающие на этом принципе, используют магниты в 100 раз меньшего размера, чем до этого. Такая фокусировка применяется во всех современных синхротронах.

В 1956 Керст понял, что если два набора частиц удерживать на пересекающихся орбитах, то можно наблюдать их столкновения. Применение этой идеи потребовало накопления ускоренных пучков в циклах, называемых накопительными. Эта технология позволила достичь максимальной энергии взаимодействия частиц.

У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра – обстрелять его частицами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений, возникающих при естественном распаде радиоактивных элементов. Но вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже «заглянуть» в ядро, физикам пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких энергий.

Известно, что, попав между электродами с разным зарядом, заряженная частица, например, электрон или протон, ускоряет движение под действием электрических сил. Это явление и породило в 1930‑е годы идею создания так называемого линейного ускорителя.

По конструкции линейный ускоритель представляет собой длинную прямую трубку‑камеру, внутри которой поддерживается вакуум. По всей длине камеры расставлено большое количество металлических трубок‑электродов. От специального генератора высокой частоты на электроды подают переменное электрическое напряжение – так, что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова положительный электрод, за ним – отрицательный.

Пучок электронов выстреливается из электронной «пушки» в камеру и под действием потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, проскакивая сквозь него дальше. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь уже он отталкивает от себя электроны, как бы подгоняя их сзади. А второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Потом, когда электроны пролетят через него, он снова станет отрицательным и подтолкнет их к третьему электроду.

Так по мере движения вперед электроны постепенно разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в сотни миллионов электрон‑вольт. Через установленное в конце трубы окошко, непроницаемое для воздуха, порция ускоренных электронов обрушивается на изучаемые объекты микромира – атомы и их ядра.

Нетрудно понять, что чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем длиннее должна быть труба линейного ускорителя – десятки, а то и сотни метров. Но не всегда это возможно. Вот если бы свернуть трубу в компактную спираль. Тогда такой ускоритель свободно мог бы разместиться в лаборатории.

Воплотить эту идею в жизнь помогло еще одно физическое явление. Заряженная частица, попав в магнитное поле, начинает двигаться не по прямой, а «завивается» вокруг магнитных силовых линий. Так появился еще один тип ускорителя – циклотрон. Первым циклотрон был построен еще в 1930 году Э. Лоуренсом в США.

Основная часть циклотрона – мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых металлических коробок, разделенных небольшим зазором. Эти коробки – дуанты – служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц – что‑то вроде электронной «пушки».

Вылетев из источника, частица (предположим, что теперь это положительно заряженный протон) сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный момент отрицательно. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время первый электрод становится положительным и теперь выталкивает частицу, в то время как другой втягивает ее в себя. Так, переходя из одного дуанта в другой, частица набирает скорость и описывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью специальных магнитов на мишени экспериментаторов.

Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они становятся тяжелее и начинают постепенно отставать от меняющего свой знак электрического напряжения на дуантах. Они уже не попадают в такт электрическим силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сообщить частицам в циклотроне, составляет 25‑30 МэВ.

Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения, поочередно подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в такт «отяжелевшим» частицам. Ускоритель такого типа называется синхроциклотроном.

На одном из крупнейших синхроциклотронов в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой) получают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны (ядра тяжелого водорода – дейтерия) с энергией 380 МэВ. Для этого потребовалось соорудить вакуумную камеру диаметром 3 метра и электромагнит массой 7000 тонн!

По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость строить еще более мощные ускорители – синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся не по спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. В 1944 году независимо друг от друга советский физик В.И. Векслер и американский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть метода заключается в следующем: если определенным образом подобрать поля, частицы будут все время автоматически попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 году американские ученые Э. Курант, М. Ливингстон и Х. Снайдер предложили так называемую жесткую фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.

Существует и другая система классификации ускорителей – по типу ускоряющего электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счет высокой разности потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует все время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях «работает» вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «комплекта» частиц. Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют в виду в основном кольцевые резонансные ускорители.

В еще одном виде ускорителей – протонном – на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются по круговой орбите с постоянной частотой. Ускорители для протонов высоких энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США, Швейцарии и России.

Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Один из самых крупных в мире – протонный синхрофазотрон У‑70 Института физики высоких энергий в городе Протвино под Москвой, вступивший в строй в 1967 году. Диаметр ускорительного кольца составляет полтора километра, общая масса 120 магнитных секций достигает 20000 тонн. Каждые две секунды ускоритель выстреливает по мишеням залпом из 10 в двенадцатой степени протонов с энергией 76 ГэВ (четвертый показатель в мире). Чтобы достигнуть такой энергии, частицы должны совершить 400000 оборотов, преодолев расстояние в 60000 километров! Здесь же сооружен подземный кольцевой тоннель длиной двадцать один километр для нового ускорителя.

Интересно, что пуски ускорителей в Дубне или Протвино в советские времена проводились только по ночам, поскольку на них подавалась чуть ли не вся электроэнергия не только Московской, но и соседних областей!

В 1973 году американские физики привели в действие в городе Батавии ускоритель, в котором частицам удавалось сообщить энергию в 400 ГэВ, а потом довели ее до 500 ГэВ. Сегодня самый мощный ускоритель находится в США. Он называется «Тэватрон», поскольку в его кольце длиной более шести километров с помощью сверхпроводящих магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ равен 1000 ГэВ).

Чтобы достичь еще более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с материалом исследуемого физического объекта, надо разогнать «мишень» навстречу «снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в особых ускорителях – коллайдерах. Конечно, плотность частиц во встречных пучках не столь велика, как в материале неподвижной «мишени», поэтому для ее увеличения применяют так называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями» вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами, компенсирующими частицам потерю энергии. Именно с коллайдерами ученые связывают дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира – в США, Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных исследований, базирующемся в Швейцарии.

Современный ускоритель – это «фабрика» по производству интенсивных пучков частиц – электронов или в 2000 раз более тяжелых протонов. Пучок частиц из ускорителя направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, «мишень». При соударении с ней возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение новых частиц и есть цель опытов.

С помощью специальных устройств – детекторов – эти частицы либо их следы регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц, электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки информации, полученной с детекторов, на компьютерах восстанавливают всю «историю» взаимодействия и, сопоставив результаты измерений с теоретической моделью, делают выводы: совпадают реальные процессы с построенной моделью или нет. Именно так добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц.

Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на атом «мишени» или на встречную частицу в коллайдере, тем мельче будут «осколки».

С помощью коллайдера в США, например, проводятся эксперименты с целью воссоздания в лабораторных условиях Большого взрыва, с которого, как предполагается, началась наша Вселенная. В этом смелом эксперименте принимали участие физики из двадцати стран, среди которых были и представители России. Российская группа летом 2000 года непосредственно участвовала в эксперименте, дежурила на ускорителе, снимала данные.

Вот что говорит один их российский ученых – участников этого эксперимента – кандидат физико‑математических наук, доцент МИФИ Валерий Михайлович Емельянов: «В 60 милях от Нью‑Йорка, на острове Лонг‑Айленд, был построен ускоритель RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider – коллайдер на тяжелых релятивистских ионах. «Тяжелых» – поскольку уже в этом году он начал работать с пучками ядер атомов золота. «Релятивистских» – тоже понятно, речь идет о скоростях, при которых во всей красе проявляются эффекты специальной теории относительности. А «коллайдером» (от collide – сталкиваться) он называется потому, что в его кольце происходит столкновение встречных пучков ядер. Кстати, в нашей стране ускорителей такого типа нет. Энергия, которая приходится на один нуклон, составляет 100 ГэВ. Это очень много – почти вдвое больше ранее достигнутого. Первое физическое столкновение было зафиксировано 25 июня 2000 года». Задачей ученых было попытаться зарегистрировать новое состояние ядерного вещества – кварк‑глюонную плазму.

«Задача очень сложна, – продолжает Емельянов, – а математически – вообще некорректна: одно и то же фиксируемое распределение вторичных частиц по импульсам и скоростям может иметь совершенно разные причины. И только при детальном эксперименте, в котором задействована масса детекторов, калориметры, датчики множественности заряженных частиц, счетчики, регистрирующие переходное излучение, и т п., есть надежда зарегистрировать тончайшие отличия, присущие именно кварк‑глюонной плазме. Механизм взаимодействия ядер при столь больших энергиях интересен сам по себе, но куда важнее, что впервые в лабораторных условиях мы можем исследовать зарождение нашей Вселенной».

Лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители , где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители , в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.

Конструкции ускорителей

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Основная статья : Высоковольтный ускоритель

Ускоритель заряженных частиц (электронов) в котором ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В.У. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания установок большой мощности (500кВт и выше) что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Электростатический ускоритель

Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.

Разновидности:

• Ускоритель Ван де Граафа. генератором Ван де Граафа , основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения ~20МВ определяют максимальную энергию частиц ~20МэВ.
• Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором , который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.

Линейные ускорители электронов небольших энергий часто используются, как часть самых разных электровакуумных приборов (электронно-лучевая трубка , кинескоп , рентгеновская трубка и др.).

Циклотрон

Устройство циклотрона. 1 - место поступления частиц, 2 - траектория их движения, 3 - электроды, 4 - источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Идея циклотрона проста. Между двумя полукруглыми полыми электродами, т. н. дуантами , приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем . Понятно, что с увеличением энергии, на каждом обороте, радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.

Циклотрон - первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в году Лоуренсом , за что ему была присуждена Нобелевская премия в году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50МэВ/нуклон.

Бетатрон

Другое название: индукционный ускоритель. Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10-100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в - гг. в США.

Микротрон

Основная статья : Микротрон

Он же - ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

Фазотрон (синхроциклотрон)

Принципиальное отличие от циклотрона - изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600-700 МэВ.

Синхрофазотрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота обращения практически не меняется, и используются синхротроны.

Синхротрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.

Лазер на свободных электронах (ЛСЭ)

Основная статья : Лазер на свободных электронах

Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.

Линейный ускоритель

Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускоритель, в котором частицы пролетают однократно. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени (!) энергии частиц.

Колла́йдер

Он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых - изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

Применение

• Стерилизация (для стерилизации продуктов питания, медицинского инструмента).
• Медицина (лечение онкологических заболеваний , радиодиагностика).
• Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
• Радиационная дефектоскопия.
• Радиационное сшивание полимеров.
• Радиационная очистка топочных газов и сточных вод.

См. также

• Детектор частиц

Ссылки

• Коломенский Д.Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.
• A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
• Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин, Эксперимент (Web-публикация)
• История, классификация, принцип действия, основные типы современных ускорителей

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Ускоритель частиц" в других словарях:

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ, см. УСКОРИТЕЛЬ …

ускоритель частиц - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN particle accelerator …

Установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости… … Энциклопедия Кольера

ускоритель частиц - dalelių greitintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. particle accelerator vok. Teilchenbeschleuniger, m rus. ускоритель частиц, m pranc. accélérateur de particules, m … Fizikos terminų žodynas

- (ускоритель элементарных частиц), в ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ устройство для увеличения энергии заряженных частиц путем увеличения их скорости при помощи переменных электрических полей в вакуумной камере. Для того, чтобы энергия частиц… … Научно-технический энциклопедический словарь

Заряженных частиц установка для получения частиц высоких энергий в физике и технике Ускоритель (в ракетной технике) движитель ракеты Ускоритель (графический) устройство для ускорения работы видеоадаптера в компьютере Ускоритель (клавиатурный)… … Википедия

ускоритель (заряженных частиц) - Электрофизическое устройство, предназначенное для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Примечание Принято, что в ускорителях энергия частиц увеличивается более чем на 0,1 МэВ. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных… … Справочник технического переводчика

ускоритель с переменно-фазовой фокусировкой - Линейный резонансный ускоритель с трубками дрейфа, в котором высокочастотное электромагнитное поле используется для ускорения, группировки и фокусировки частиц, причем возможно чередование ускоряющих и фокусирующих зазоров между трубками дрейфа.… … Справочник технического переводчика

ускоритель с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой - Линейный резонансный ускоритель, в котором высокочастотное электромагнитное поле используется для ускорения, группировки и фокусировки частиц, причем ускоряющее поле имеет квадрупольную симметрию. Примечание Возможные модификации таких… … Справочник технического переводчика

ускоритель заряженных частиц - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN charged particle accelerator … Справочник технического переводчика