Чем могут быть полезны исследования? Адронный коллайдер: за или против.

) - один из типов резонансных циклических ускорителей . Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц орбита пучка остаётся постоянного радиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает во времени. Кроме того, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазотрона). Понятно, что для пучков ультрарелятивистских частиц период обращения определяется только длиной орбиты, и коль скоро она не изменяется, то нет необходимости изменять частоту электрического поля. Поэтому все резонансные циклические ускорители лёгких частиц (электронов и позитронов), а также высокоэнергетические протонные и ионные машины, такие как LHC и Тэватрон - это синхротроны. В синхротроне достигнуты энергии около 4 ТэВ для протонов (LHC) и более 100 ГэВ для электронов (LEP). Дальнейшее повышение энергии в электронных синхротронах, фактически, не представляется возможным вследствие огромных потерь энергии на излучение. Потеря энергии за один оборот пропорциональна 4-й степени энергии: W ~ E 4 /R.

Принципиальное устройство синхротрона

Синхротрон представляет собой электровакуумную установку с приблизительно кольцевой вакуумной камерой, в которой частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света , а стоящие на их пути мощные электромагниты задают траекторию их движения. В вакуумной камере постоянно поддерживается сверхвысокий вакуум (порядка 10 -9 Торр и выше), чтобы избежать рассеяния частиц пучка на атомах остаточного газа. Синхротрон действует по резонансному принципу ускорения, то есть циркулирующий сгусток частиц попадает в ускоряющее электрическое поле ВЧ-резонатора всегда в одной и той же фазе, и частицы получают небольшую порцию энергии, много меньшую, чем уже имеющаяся у них кинетическая энергия. Ускорение частиц происходит за счёт многократного пролёта (~10 6 раз в секунду) через ускоряющую секцию.

См. также

Напишите отзыв о статье "Синхротрон"

Литература

• в Физической энциклопедии
• , E.J.N. Wilson, CERN, Proc. EPAC"1996.

По конструкции По назначению

Отрывок, характеризующий Синхротрон

Южная весна, покойное, быстрое путешествие в венской коляске и уединение дороги радостно действовали на Пьера. Именья, в которых он не бывал еще, были – одно живописнее другого; народ везде представлялся благоденствующим и трогательно благодарным за сделанные ему благодеяния. Везде были встречи, которые, хотя и приводили в смущение Пьера, но в глубине души его вызывали радостное чувство. В одном месте мужики подносили ему хлеб соль и образ Петра и Павла, и просили позволения в честь его ангела Петра и Павла, в знак любви и благодарности за сделанные им благодеяния, воздвигнуть на свой счет новый придел в церкви. В другом месте его встретили женщины с грудными детьми, благодаря его за избавление от тяжелых работ. В третьем именьи его встречал священник с крестом, окруженный детьми, которых он по милостям графа обучал грамоте и религии. Во всех имениях Пьер видел своими глазами по одному плану воздвигавшиеся и воздвигнутые уже каменные здания больниц, школ, богаделен, которые должны были быть, в скором времени, открыты. Везде Пьер видел отчеты управляющих о барщинских работах, уменьшенных против прежнего, и слышал за то трогательные благодарения депутаций крестьян в синих кафтанах.
Пьер только не знал того, что там, где ему подносили хлеб соль и строили придел Петра и Павла, было торговое село и ярмарка в Петров день, что придел уже строился давно богачами мужиками села, теми, которые явились к нему, а что девять десятых мужиков этого села были в величайшем разорении. Он не знал, что вследствие того, что перестали по его приказу посылать ребятниц женщин с грудными детьми на барщину, эти самые ребятницы тем труднейшую работу несли на своей половине. Он не знал, что священник, встретивший его с крестом, отягощал мужиков своими поборами, и что собранные к нему ученики со слезами были отдаваемы ему, и за большие деньги были откупаемы родителями. Он не знал, что каменные, по плану, здания воздвигались своими рабочими и увеличили барщину крестьян, уменьшенную только на бумаге. Он не знал, что там, где управляющий указывал ему по книге на уменьшение по его воле оброка на одну треть, была наполовину прибавлена барщинная повинность. И потому Пьер был восхищен своим путешествием по именьям, и вполне возвратился к тому филантропическому настроению, в котором он выехал из Петербурга, и писал восторженные письма своему наставнику брату, как он называл великого мастера.
«Как легко, как мало усилия нужно, чтобы сделать так много добра, думал Пьер, и как мало мы об этом заботимся!»

Туннель Linac 4 и фрагмент установки - радиочастотные резонаторы

Andrew Hara/CERN

В CERN состоялось официальное открытие нового линейного ускорителя - Linac 4, первого нового ускорителя CERN с момента открытия Большого адронного коллайдера. Он станет первым элементом ускорительного комплекса БАК высокой светимости (HL-LHC), открытие которого запланировано на середину 2020-х годов. Установка будет ускорять гидрид-ионы до энергий в 160 мегаэлектронвольт перед переносом в протонный бустер. В создании Linac 4 участвовали российские физики и инженеры из Снежинска (ВНИИТФ) и Новосибирска (ИЯФ им. Будкера). Ускоритель будет подключен к системе коллайдера в 2019-2020 году, во время следующего длительного техобслуживания. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Для разгона протонов до современных энергий БАК - 6,5 тераэлектронвольт - требуется несколько ускорительных установок. На первом этапе водород из обычной емкости (газового баллона) попадает в камеру линейного ускорителя Linac 2. Там с помощью мощного электрического поля атомы водорода разделяют на протоны и электроны. Затем протоны перемещаются в основную камеру, где с помощью электрического поля радиочастотных резонаторов они начинают разгон. Linac 2 сообщает протонам кинетическую энергию 50 мегаэлектронвольт, это менее пяти процентов их энергии покоя. Затем частицы попадают в протонный бустер (PSB), где происходит разгон до 1,4 гигаэлектронвольт на кольцевых траекториях. Эта энергия уже в полтора раза больше массы покоя протона. Следующие этапы: протонный синхротрон (25 гигаэлектронвольт), протонный суперсинхротрон (450 гигаэлектронвольт) и, лишь потом, Большой адронный коллайдер.

От синхронизации всей цепочки ускорителей и точности их работы зависит работа экспериментов БАК. Так, уже на этапе линейного ускорителя формируется плотность и интенсивность сгустков протонов, которые попадут в БАК. Чем больше эта плотность, тем больше оказывается вероятность столкновения частиц в точках, где пересекаются траектории пучков. Это позволяет фиксировать большее количество столкновений и получать больше научных данных - быстрее набирать статистику для поиска новых частиц и редких процессов. В проекте HL-LHC, Большого адронного коллайдера высокой светимости, ожидается поднять современную светимость в десять раз. Подробнее о понятии светимости можно прочесть .

Снимок Linac 4 во время церемонии открытия

Maximilien Brice/ CERN

Для этого требуется модернизировать все основные ускорительные системы, в частности, Linac 2. Именно на смену ему придет Linac 4. На строительство установки потребовалось 10 лет, лишь в ноябре прошлого года она вышла на проектную энергию разгона - 160 мегаэлектронвольт. Это в три раза выше, чем энергия Linac 2.

Физически Linac 4, как и другие линейные ускорители, представляет собой цилиндрический проводник, внутри которого перемещаются частицы. Заряд разных участков проводника управляется радиочастотными резонаторами - с их помощью ученые добиваются того, чтобы область проводника за заряженной частицей отталкивала ее вперед, а область перед частицей - притягивала к себе. Траектории частиц удерживаются в узком пучке с помощью небольших квадрупольных магнитов. Общая длина Linac 4 составляет 90 метров, он находится на глубине 12 метров под землей.

Схема Linac 4. После генерации гидрид ионов идет три разных ускоряющих фрагмента. CCDTL был создан в России, усилиями инженеров из ВНИИТФ (Снежинск) и Института ядерной физики им. Будкера (Новосибирск)

Вместо протонов Linac 4 ускоряет гидрид-ионы - протоны, окруженные двумя электронами. В сумме такие частицы несут отрицательный заряд. Сейчас системы инжекции протонов в синхротрон на основе гидрид-ионов используются почти во всех подобных ускорителях, непосредственно протоны ускоряют перед инжекцией лишь в Linac 2 и на ускорителе в Протвино. Системы с гидрид-ионами гораздо легче контролировать. Это позволяет избежать потерь при инжекции частиц в следующую ступень ускорителя и добиться большей плотности пучков, в частности, удвоить яркость пучка в протонном бустере.

Принцип работы всех ускорителей прост - заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.

Первые эксперименты

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Циклотроны

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Ускоритель частиц на основе этого принципа - циклотрон - был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Синхрофазотроны

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема - частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки . Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед - слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов . В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров - ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O"Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс - именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц. В первом случае это примерно , а во втором случае 2E . Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc 2 , то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, - Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.