Курсова робота на тему:
Циклічні прискорювачі елементарних частинок
План
1. Вступ:
1.1 Історія розвитку прискорювачів
1.2 Класифікація прискорювачів
2. Циклічні прискорювачі з сталим полем:
2.1 Циклотрон
2.2 Ізохронний циклотрон.
2.3 Фазотрон
2.4 Мікротрон
3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти:
3.1 Синхротрон
3.2 Бетатрон
3.3 Синхрофазотрон
3.4 Колайдер
4. Висновок
5. Література
конецформыначалоформ
1. Вступ:
1.1 Історія розвитку прискорювачів
Поштовхом до розвитку прискорювачів заряджених частинок послужили
дослідження будови ядра, що вимагали потоків заряджених частинок високої
енергії. Природні джерела заряджених частинок, що застосовувалися
спочатку, – радіоактивні елементи – були обмежені як по інтенсивності,
так і по енергії частинок, що випускаються. З моменту здійснення першого
штучного перетворення ядер (1919, Э. Резерфорд ) за допомогою потоку
?-частинок від радіоактивного джерела почалися пошуки способів отримання
пучків прискорених частинок.
У початковий період (1919-1932) розвиток прискорювачів йшов по шляху
отримання високої напруги і їх використання для безпосереднього
прискорення заряджених частинок. У 1931 амер. фізиком Р. Ван-де-Граафом
був побудований електростатичний генератор, а в 1932 англ. фізики Дж.
Кокрофт і Э. Уолтон в лабораторії Резерфорда розробили каскадний
генератор. Ці установки дозволили отримати потоки прискорених частинок з
енергією близько мільйона електрон-вольт (Мев). У 1932 вперше була
здійснена ядерна реакція, що порушується штучно прискореними частинками,
– розщеплювання ядра літію протонами.
Період 1931-1944 – час зародження і розквіту резонансного методу
прискорення, при якому прискорювані частинки багато разів проходять
прискорюючий проміжок, набираючи велику енергію навіть при помірній
прискорюючій напрузі. Засновані на цьому методі циклічні прискорювачі –
циклотрони – незабаром обігнали в своєму розвитку електростатичні
прискорювачі. До кінця періоду на циклотронах була досягнута енергія
протонів близько 10-20 Мев. У 1940 амер. фізик Д. У. Керст реалізував
циклічний індукційний прискорювач електронів (бетатрон), ідея якого
раніше вже висувалася (амер. фізик Дж. Слепян, 1922; швейц. фізик Р.
Відерое, 1928).
Розробка прискорювачів сучасного типу почалася з 1944, коли рад. фізик
В. И. Векслер і незалежно від нього (дещо пізніше) амер. фізик Э. М.
Макміллан відкрили механізм автофазування , що діє в резонансних
прискорювачах і дозволяє істотно підвищити енергію прискорених частинок.
На основі цього принципу були запропоновані нові типи резонансних
прискорювачів – синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, мікротрон. В цей
же час розвиток радіотехніки зробив можливим створення ефективних
резонансних лінійних прискорювачів електронів і важких заряджених
частинок.
На початку 50-х рр. був запропонований принцип знакозмінного
фокусування частинок (амер. учений Н. Крістофілос, 1950; Е. Курант, М.
Лівінгстон, Х. Снайдер, 1952), істотно підвищила технічну межу досяжних
енергій, в циклічних і лінійних прискорювачах заряджених частинок . В
1956 Векслер опублікував роботу, в якій була висунута ідея когерентного,
або колективного, методу прискорення частинок.
Наступні два десятиліття можна назвати роками реалізації цих ідей і
технічного удосконалення прискорювачів заряджених частинок. Для
прискорення електронів перспективнішими виявилися лінійні резонансні
прискорювачі. Найбільший з них, на 22 Гев, був запущений в 1966 амер.
фізиком В. Панофским (США, Станфорд). Для протонів найбільші енергії
досягнуті в синхрофазотронах. У 1957 в СРСР (Дубна) був запущений
найбільший для того часу синхрофазотрон – на енергію 10 Гев. Через
декілька років в Швейцарії і США вступили в лад синхрофазотрони з
сильним фокусуванням на 25-30 Гев, а в 1967 в СРСР під Серпуховом –
синхрофазотрон на 76 Гев, який протягом багатьох років був найбільшим в
світі. У 1972 в США був створений синхрофазотрон на 200-400 Гев. У СРСР
і США розробляються проекти прискорювачів на 1 000-5 000 Гев. В середині
1990-х років найкрупнішим протонним синхротроном був «Теватрон»
Національної прискорювальної лабораторії ім. Э.Ферми в Батавії (США). Як
підказує сама назва, «Теватрон» прискорює згустки протонів в кільці
діаметром 2 км. до енергії близько 1 Тев.
Сучасний розвиток прискорювачів йде як по шляху збільшення енергії
прискорених частинок, так і по шляху нарощування інтенсивності (сили
струму) і тривалості імпульсу прискореного пучка, поліпшення якості
пучка (зменшення розкиду по енергії, поперечним координатам і
швидкостям). Паралельно з розробкою нових методів прискорення
удосконалюються традиційні методи: досліджуються можливості застосування
надпровідних матеріалів (і відповідної ним техніки низьких температур) в
її прискорюючих системах, що дозволяють різко скоротити розміри систем і
енергетичні витрати; розширюється область застосування методів
автоматичного управління в прискорювачах; прискорювачі доповнюються
нагромаджувальними кільцями, що дозволяє досліджувати елементарні
взаємодії в стрічних пучках. При цьому особлива увага приділяється
зменшенню вартості установок.
1.2 Класифікація прискорювачів
Прискорювачі заряджених частинок можна класифікувати за різними
ознаками. За типом прискорюваних частинок розрізняють електронні
прискорювачі, протонні прискорювачі і прискорювачі іонів.
По характеру траєкторій частинок розрізняють лінійні прискорювачі
(точніше, прямолінійні прискорювачі), в яких траєкторії частинок близькі
до прямої лінії, і циклічні прискорювачі, в яких траєкторії частинок
близькі до кола (або спіралі).
По характеру прискорюючого поля прискорювачі заряджених частинок
ділять на резонансні прискорювачі, в яких прискорення проводиться
змінним високочастотним (ВЧ) електромагнітним полем і для успішного
прискорення частинки повинні рухатися в резонанс із зміною поля, і
нерезонансні прискорювачі, в яких напрям поля за час прискорення не
змінюється. Останні у свою чергу діляться на індукційні прискорювачі, в
яких електричне прискорююче поле створюється за рахунок зміни поля , і
високовольтні прискорювачі, в яких прискорююче поле обумовлене
безпосередньо прикладеною різницею потенціалів.
2. Циклічні прискорювачі з сталим полем:
2.1 Циклотрон
Циклотрон – циклічний прискорювач нерелятивістських важких
заряджених частинок (протонів, іонів), в якому частинки рухаються в
постійному і однорідному магнітному полі, а для їх прискорення
використовується високочастотне електричне поле незмінної частоти.
У 1930 році Э. Лоуренсом (США) був створений перший циклічний
прискорювач – циклотрон на енергію протонів 1 Мев (його діаметр був 25
см). На мал.1 показана перша працююча модель циклотрона.
На мал.2 циклотрон наступного покоління, який дозволяв прискорювати
протони і дейтрони до енергій в декілька Мев. На Мал. 2. С. Лівінгстоун
і Э. Лоуренс біля 27-дюймового циклотрона, який широко використовувався
в експериментальних дослідженнях ядерних реакцій і штучної
радіоактивності. У винайденому ними циклотроні пучок екранується від дії
електричного поля в той напівперіод, коли воно діє заторможуючи.
Мал.3
Мал. 3. ПОРОЖНИСТІ ДУАНТИ циклотрона. Полярність напруги на дуантах
міняється після кожного півоберта, так що частинки прискорюються в
щілині, досягнувши крапки А, потім крапки В і т.д. впродовж великого
числа оборотів. 1 – електричне поле; 2 – дуант; 3 – прискорююча напруга.
Лоуренс поміркував, що час між проходженнями пучка через щілину у разі
нерелятивістських частинок залишається постійним, оскільки зростання їх
швидкості компенсується збільшенням радіусу. Впродовж тієї частини
періоду звернення, коли високочастотне поле має невідповідну фазу, пучок
знаходиться поза щілиною. Частота звернення задається виразом
де f – частота змінної напруги в Мгц, Н – напруженість магнітного поля в
Тл, а mc2 – маса частинки в Мев. Якщо величина H постійна в тій області,
де відбувається прискорення, то частота f, очевидно, не залежить від
радіусу.
Мал. 4. Схема циклотрона: вигляд зверху і збоку: 1 – джерело важких
заряджених частинок (протонів, іонів), 2 – орбіта прискорюваної
частинки, 3 – прискорюючі електроди (дуанти), 4 – генератор
прискорюючого поля, 5 – електромагніт. Стрілки показують силові лінії
магнітного поля. Вони перпендикулярні площині верхнього малюнка.
Для прискорення іонів до високих енергій необхідно лише, щоб магнітне
поле і частота високовольтної напруги відповідали умові резонансу; тоді
частинки двічі за поворот проходитимуть через щілину між дуантами в
потрібний момент часу. Для прискорення пучка до енергії 50 Мев при
прискорюючій напрузі 10 Кев буде потрібно 2500 оборотів. Робоча частота
протонного циклотрона може складати 20 Мгц, так що час прискорення –
близько 1 мс.
Як і в лінійних прискорювачах, частинки в процесі прискорення в
циклотроні повинні фокусуватися в поперечному напрямі, інакше всі вони,
окрім інжекторованих з швидкостями, паралельними полюсним наконечникам
магніта, випадуть з циклу прискорення. У циклотроні можливість
прискорення частинок з кінцевим розкидом по кутах забезпечується
магнітним полем особливої конфігурації, при якій на частинки, що
виходять з площини орбіти, діють сили, що повертають їх в цю площину. На
жаль, на вимоги стабільності згустка прискорюваних частинок фокусуюча
компонента магнітного поля повинна зменшуватися із збільшенням радіусу.
А це протирічить умові резонанса і приводить до ефектів, що обмежують
інтенсивність пучка. Інший істотний чинник, що знижує можливості
простого циклотрона, – релятивістське зростання маси, як необхідний
наслідок збільшення енергії частинок:
У разі прискорення протонів синхронізм порушуватиметься із-за
релятивістського приросту маси приблизно при 10 Мев. Один із способів
підтримки синхронізму – модулювати частоту прискорюючої напруги так, щоб
вона зменшувалася у міру збільшення радіусу орбіти і збільшення
швидкості частинок. Частота повинна змінюватися згідно із законом
Такий синхроциклотрон може прискорювати протони до енергії в декілька
сотів мегаелектровольт. Наприклад, якщо напруженість магнітного поля
рівна 2 Тл, то частота повинна зменшуватися приблизно від 32 Мгц у
момент інжекції до 19 Мгц і менш при досягненні частинками енергії 400
Мев. Така зміна частоти прискорюючої напруги повинна відбуватися
впродовж декількох мілісекунд. Після того, як частинки досягають вищої
енергії і виводяться з прискорювача, частота повертається до свого
початкового значення і в прискорювач вводиться новий згусток частинок.
Але навіть при оптимальній конструкції магніта і якнайкращих
характеристиках системи підведення високочастотної потужності можливості
циклотронів обмежуються практичними міркуваннями: для утримання на
орбіті прискорюваних частинок з високою енергією потрібні надзвичайно
великі магніти. Так, маса магніта циклотрона на 600 Мев, спорудженого в
лабораторії ТРІУМФ в Канаді, перевищує 2000 т, і він споживає
електроенергію близько декілька мегават. Тому для досягнення вищих
енергій при практично прийнятних витратах потрібні нові принципи
прискорення.
2.2 Ізохронний циклотрон.
Розроблені на основі принципу жорсткого фокусування циклотрони отримали
назву ізохронних – частинка витрачає один і той же час на обертання
навколо центральної осі, незалежно від радіуса траєкторії, по якій
вона рухається. Ізохронні циклотрони повинні включати в себе по-різному
фокусуючі поля, що знаходяться по довжині шляху слідування частинки. На
відміну від синхротронів магнітне поле циклотронів створюється не на
коловій орбіті , а в широкій області, що містить центр прискорювача.
Аналіз показує, що області однакового поля вірогідніше розташовуються не
вздовж радіусів, а вздовж викривлення, збігаючись в центрі ліній, що
створює нагадування розетки. Немає ніякої потреби щоб магніт такого
циклотрона цілком накривав його вакуумну камеру. Магніти можуть займати
окремі – зігнуті – сектора, між якими розташовують зони, вільні від
поля. При цьому прискорювач залишається циклотроном, тобто працює з
постійним магнітним полем і з високочастотним полем незмінної частоти.
Магнітне поле повинно змінюватися з радіусом так же, як і релятивіська
маса частинки, тобто
Тоді частота обертання ? буде залишатися сталою, рівною частоті
прискорюючого поля. Так як ?=v/c=?r/c, то вказаній вимозі задовольняє
магнітне поле виду:
При сталій ? прискорювачі, які використовують цей принцип, називають
ізохронними циклотронами. Вони працюють в неперервному режимі і дають
можливість отримувати сильні струми 0,1- 1 мА, що і звичайні
циклотрони. Ізохронні циклотрони мають великі магніти, а тому досить
дорогі.
Здавалося, що такі прискорювачі працювати не можуть, так як в них
магнітне поле зростає з радіусом. Але виникаючу із-за цього вертикальну
нестійкість вдається компенсувати азимутальною неоднорідністю
магнітного поля досить складної форми. Розрахунки показують що це можна
зробити до енергії не вище 1 Гев. Більшість ізохронних циклотронів
проектуються і будуються для прискорення протонів до 50 – 100 Мев. З
винайденням ізохронних циклотронів відпала необхідність в фазотронних.
Більш того наявні фазотрони починають перероблювати. Так реконструюють
фазотрон що знаходить в місті Дубно. Однак цей прискорювач і після
реконструкції залишається фазотроном – частота прискорюючої напруги
буде продовжувати дещо змінюватися, хоча і в суттєво меншому діапазоні
ніж раніше, це дає можливість більш ніж на порядок підвищити
інтенсивність прискорючих в ньому пучків.
2.3 Фазотрон
У фазотроні використовується спосіб зміни частоти електричного поля.
Фазотрон, або, як його іноді називають, синхроциклотрон, зберігає
в собі майже всі риси свого попередника – циклотрона. Тут є
електромагніт, але тільки збільшених розмірів, високочастотний
генератор і вакуумна камера. Як і в циклотроні,
прискорення починається від центру магніта. У момент
впускання іонів в камеру частота електричного поля на дуантах
близька до максимальної (точка t1 мал. 5). Вона відповідає
нульовим швидкостям іонів і, отже, постійній масі. У міру
збільшення швидкості іонів, частота зменшується до свого
мінімального значення, яке відповідає найбільшій енергії
іонів. Дещо раніше цього моменту прискорені частинки або
ударяються у мішень, або виводяться назовні (точка t2) –
Після того, як частота досягне знову максимального значення, починається
новий цикл прискорення.
Мал. 5 Зміна частоти у фазотроні.
Познайомимося з даними одно з найбільших фазотронів, працюючого в
СРСР з 1949 р. і належного Об’єднаному інституту ядерних досліджень.У
цьому прискорювачі протони розгоняться до енергії 680 Мев. Магніт
прискорювача має висоту триповерхового будинку і важить 7000 тонн.
Діаметр його полюсів складає 6 метрів. Значний спад
магнітного поля від центру до країв (4,9%) забезпечує краще чим в
циклотроні, вертикальне фокусування пучка. Тут можна допустити
сильніший, ніж в циклотроні, спад магнітного поля, не боячись
виходу частинок з резонансу. Полюси магніта є одночасно кришками
величезної вакуумної камери, об’єм якої більше тридцяти кубічних метрів.
У центрі камери, що відкачується могутніми насосами, поміщається іонне
джерело. До нього по трубопроводу від розташованого зовні балона
підводиться газоподібний водень (у разі прискорення протонів). Зазвичай
у фазотронах обмежуються лише одним дуантом, другим, заземленим
електродом є сама вакуумна камера. На дуант фазотрону подається
невелика, якщо порівнювати з циклотроном, змінна напруга. Амплітуда його
не перевищує 15-20 кіловольт. За час прискорення протонів до 680 Мев
маса їх збільшується більш ніж на 72 відсотки. Щоб змінити частоту
електричного поля за час прискорення іонів, вдаються до наступного
прийому. До дуанту фазотрону приєднують конденсатор, одна з обкладок
якого обертається у вакуумі з великою швидкістю. При цьому ємність
конденсатора і, отже, ємність всього контура дуанта, періодично
змінюється в потрібних межах. Відповідно змінюється і власна частота
контура дуанта, залежна від його ємності і індуктивності.
Високочастотний генератор з самозбудженням, пов’язаний з таким контуром,
створює в нім коливання з частотою, рівній власній частоті контура.
Інтенсивність, що отримується у фазотроні, в сотні раз поступається
інтенсивностями в циклотроні. Таке значне падіння інтенсивності властиве
всім прискорювачам, що використовують явище автофазування, і пов’язано з
скороченням часу захоплення частинок в режимі прискорення. Якщо в
циклотроні захоплення іонів відбувається протягом значної частини
періоду 1/7-1/9, то у фазотроні може успішно почати прискорення тільки
нікчемна частина всіх іонів, що безперервно випускаються джерелом. Це
будуть іони, що потрапили в камеру в той короткий проміжок часу, коли
частота електричного поля відповідає нульовим швидкостям частинок. Іони,
що потрапили в камеру раніше або пізніше, не зможуть прискорюватися
резонансно, оскільки частота не буде вже відповідною для них. Але у
такому разі немає сенсу безперервно направляти в камеру іони. Іонне
джерело фазотрону зазвичай випускає іони тільки під час захоплення.
Завдяки цьому вдається збільшити імпульсний іонний струм. На внутрішню
мішень, встановлену недалеко від краю полюса, потрапляє 1,8*10-12
протонів в секунду. Імпульси слідують один за іншим з інтервалом біля
однієї сотої секунди.
Значно важче вивести пучок протонів з камери назовні. Крок спіралі, по
якій розкручуються частинки у фазотроні, дуже невеликий. Тому тут не
вдається ефективно використовувати для відхилення пучка постійне
електричне поле, як це робиться в циклотроні. Фахівцями був розроблений
оригінальний спосіб виведення пучка з фазотрону. У потрібний момент в
певних місцях штучно створюються неоднорідності магнітного поля. Завдяки
ним орбіти іонів міняють свою форму і пучок протонів через отвір в
спеціальному магнітному екрані виходить з камери. Таким шляхом вдалося
вивести назовні до 8% всіх протонів. Подивимося, як розташовується
апаратура поблизу прискорювача. Звертає на себе увагу багатометрова
бетонна стіна, що оточує фазотрон з усіх боків. Вона потрібна для
захисту людей від дії випромінювань. Самі протони пучка легко
поглинаються, але, потрапляючи на речовину, дають у великій кількості
нейтрони і ?-промені. Вони і складають основну небезпеку. Ми знаємо, що
з космічних просторів на Землю поступають частинки величезних енергій,
причому кількість їх не така вже мала. На кожен квадратний сантиметр
поверхні Землі в хвилину падають в середньому 1,5 частинки. Це означає,
що тіло кожної людини щохвилини пронизується тисячами енергійних
частинок.
Проте помітної шкоди здоров’ю людей подібне бомбардування не приносить.
Інша картина на прискорювачах. Від мільярдів частинок, що щомиті
утворюються на них, потрібний серйозний захист. Люди, що працюють на
прискорювачах або з радіоактивними матеріалами, під час роботи мають при
собі прилади, що дозволяють судити про те, яку дозу випромінювань вони
отримали. У захисті мають потребу не тільки люди. Вся апаратура для
досліджень, за винятком мішеней, також не повинна піддаватися дії
випромінювань. Тому через бетонний захист фазотрону пучки проходять по
вузьких каналах. Від внутрішньої мішені фазотрону можна отримати пучки
нейтронів, ?-мезонів і протонів, що виходять назовні. Нейтронний пучок,
не схильний до дії магнітного поля, без відхилення проходить у
відповідний канал, ?-мезони відхиляються розсіяним магнітним полем
фазотрону в протилежні сторони. Цікавим нововведенням є використання як
захист залізного ярма фазотрону, за яким розміщується «мезонна
лабораторія». Для висновку в неї мезонів в триметровому ярмі магніта
просвердлені отвори. Крізь них проходять заряджені ?-мезони, які
утворюються на розташованій всередині дуанта берилієвій мішені.
Інтенсивність пучка негативних ?-мезонів тут доходить до 200 мезонів в
секунду через квадратний сантиметр.
За допомогою фазотронів проводяться найважливіші дослідження взаємодії
елементарних частинок і ядер. Були детально вивчені властивості
?-мезонів і їх взаємодія. Одним з найбільш важливих результатів,
отриманих на фазотронах, є висновок про зарядову незалежність ядерних
сил. Досліди по розсіянню протонів і нейтронів на протонах показали, що
протон і нейтрон можна рахувати як би двома станами однієї і тієї ж
частинки нуклона. Якщо не вважати ті явища, в яких позначається
присутність у протона електричного заряду, обидві частинки поводяться
абсолютно однаковим чином в самих різних ядерних процесах.
Фазотрон був першим прискорювачем, що підтвердив правильність відкриття,
зробленого В. І. Векслером.
2.4 Мікротрон
Мал. 6 Схема мікротрону
У циклотронах не можна прискорювати електрони по тій же схемі, як і
протони, оскільки вони швидко досягають релятивістських швидкостей.
Проте існують прискорювачі (мікротрони), в яких електрони, також як і
протони в циклотроні, багато разів прискорюються імпульсами
високочастотного електричного поля в постійному однорідному магнітному
полі (принцип дії мікротрону запропонований в 1944 р. В. Векслером). У
мікротроні (мал. 6) частинки вводяться в прискорювальну камеру не в
центральній частині магнітного поля, як в циклотроні, а на його краю. У
місце введення частинок поміщається порожнистий прискорюючий резонатор.
При кожному оберті електрони отримують енергію ? 0.5 Мев і потрапляють в
резонатор точно у момент прискорення на кожному витку (період n-го
оберту кратний періоду першого оберту). Електрони рухаються по колу
радіуса, що збільшується, причому всі кола торкаються усередині
резонатора. Енергії електронів в “класичних” мікротронах зазвичай не
перевищують 30 Мев і обмежуються розмірами постійного магніта і
зростаючими вимогами до однорідності його поля при збільшенні габаритів
прискорювача.
Мал. 7. Схема розрізного мікротрону
В даний час обмеження на енергії мікротронів зняті використанням його
варіанту, названого розрізним мікротроном (запропонований
А. Коломенским). Перехід від класичного мікротрону до розрізного можна
пояснити за допомогою мал. 7. Якщо магніт класичного мікротрону
“розрізати” на дві однакові частини уздовж пунктирної лінії АА і дві ці
частини розсунути, залишивши прискорюючий резонатор між половинками
магніта, то приходимо до схеми розрізного мікротрону. Тепер простір між
магнітами дозволяє замінити невеликий резонатор, що допускає лише малий
(?0.5 Мев) приріст енергії, за оберт, на самостійний (лінійний)
прискорювач з енергією 10 Мев і більший і це дозволяє в багато разів
збільшити кінцеву енергію електронів (є розрізні мікротрони на енергію 1
Гев).
Мал. 8. Імпульсний розрізний мікротрон на енергію 70 Мев(МГУ)
Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону або схожою з нею в
даний час використовується для генерації пучків електронів великої
енергії в безперервному режимі. Річ у тому, що прискорювачі, як правило,
працюють в імпульсному режимі, наприклад, електрони в них прискорюються
протягом короткого тимчасового проміжку t, коли можливе прискорення,
після чого слідує порівняно тривала пауза для повернення в режим нового
циклу прискорення. Період часу Т між циклами прискорення зазвичай
набагато більше тривалості електронного імпульсу (Т >> t).
Характерна величина D = ?t/T, названа робочим циклом, ?10-3. Таким
чином, для фізичних експериментів вдається використовувати лише 0.1%
часу роботи прискорювача. Прискорення електронів по схемі розрізного
мікротрону дозволяє здійснити безперервний режим роботи прискорювача,
коли D рівний або близький до одиниці. Це досягається безперервністю
режиму роботи основної прискорювальної структури (лінійного
прискорювача), розташованої між розділеними частинами постійного магніта
мікротрону. У мікротроні безперервної дії вся прискорювальна камера
заповнена електронами, що знаходяться на всіх стадіях прискорення, – від
початкової (тобто з найменшою енергією) до максимально можливої.
Безперервний режим роботи такого прискорювача дозволяє використовувати
для експериментів весь час його роботи і, тим самим, підвищити кількість
актів взаємодії, що вивчається, за фіксований час в 1/D?103 рази, що
особливо важливе для дослідження рідкісних подій.
Мал. 9. Прискорювач електронів (TJNAF) з висоти пташиного польоту.
Найбільшим прискорювачем електронів, що працює в безперервному режимі (D
= 1) є прискорювач Національної лабораторії ім. Томаса Джеферсона
(TJNAF) в м. Ньюпорт-ньюс (США), (Мал. 9,10). Він використовує
надпровідні прискорювальні структури і дозволяє прискорювати електрони
до енергії 5.71 Гев. Струм його електронного пучка 200 мкА.
Мал. 10. Прискорюючий канал (TJNAF).
3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти:
3.1 Синхротрон
Мал. 11. Схема синхротрона
Синхротрон – кільцевий циклічний прискорювач заряджених частинок, в
якому частинки рухаються по орбіті незмінного радіусу за рахунок того,
що темп наростання їх енергії в прискорюючих проміжках синхронізовананий
із швидкістю наростання магнітного поля на орбіті. Він дозволяє
прискорювати як легкі заряджені частинки (електрони, позитрони), так і
важкі (протони, антипротони, іони) до найбільших енергій. В даний час
всі циклічні прискорювачі на максимальні енергії – це прискорювачі
синхротронного типу (їх принцип запропонований в 1944 р.
В. Векслером(СРСР) і незалежно в 1945 р. Э. Макмілланом(США).
У синхротронах (мал. 11) магнітне поле змінне і частинки рухаються по
одній і тій же замкнутій траєкторії, багато разів проходячи прямолінійні
проміжки з прискорюючим електричним полем радіочастотного діапазону.
Частинки, що збільшують свою енергію, утримуються на фіксованій орбіті
за допомогою наростаючого поля могутніх відхиляючих (у тому числі і
надпровідних) кільцевих магнітів. Для утримання частинок на орбіті
постійного радіусу темп наростання поля синхронізовананий з темпом
наростання енергії частинок (звідси відбувається назва цього типу
прискорювача). Після досягнення максимального магнітного поля прискорені
частинки або прямують на нерухому мішень, або (у колайдерах) стикаються
із стрічним пучком, після чого цикл прискорення повторюється. У
синхротронах є два типи кільцевих магнітів, що чергуються: відхиляючі
двополюсні (дипольні), такі, що утримують частинки на орбіті, і
фокусуючі чотирьохполюсні (квадрупольні). Останні фокусують частинки (як
лінзи світло), збираючи їх у вузький пучок, циркулюючий у вакуумній
камері.
Коли швидкість частинки близька до швидкості світла, співвідношення між
кінетичною енергією частинки Е і радіусом траєкторії R має в системі СІ
вигляд
E = cqHR (1)
??????$?$?Т?Т?????џ???$?$?Т?Т?c
?
?
¶
Ae
AE
E
Ue
TH
a
a
ue
th
‘
hO?????????$?U?$?Љ?Љ??????$?$?Љ?Љ?????????$?$?Т?Т??????$?$?Т?Т?????????$
?$?Т?Т?????????>?$?$?Т?Т?????????$?$?Т?Т??????$?$?Т?Т?Т?Т?”
?
¶
TH
a
th
?????^?DTX`?c¦OO
h)
hx
h3A@?
“, використовуваного як матеріал сердечника електромагніту. У
найсучасніших прискорювачах, в зв’язку з цим, використовуються
електромагніти з котушкою з надпровідного матеріалу, що працюють при
температурі рідкого гелію.
Синхротрони використовують як для прискорення важких заряджених
частинок (протонів, іонів), так і для прискорення електронів. Проте у
разі електронів при високих енергіях стають істотними втрати ними
енергії на випромінювання (назване синхротронним) при криволінійному
русі по орбіті. Потужність синхротронного випромінювання Р для
релятивістської частинки таким чином залежить від її маси m енергії Е і
радіусу траєкторії R:
Висока вартість циклічних прискорювачів пов’язана з великим радіусом
магніта. Але можна утримувати частинки на орбіті з постійним радіусом,
збільшуючи напруженість магнітного поля у міру збільшення їх енергії.
Лінійний прискорювач інжектує на цю орбіту пучок частинок порівняно
невеликої енергії. Оскільки утримуюче поле необхідне лише у вузькій
області поблизу орбіти пучка, немає необхідності в магнітах, що
охоплюють всю площу орбіти. Магніти розташовані лише уздовж кільцевої
вакуумної камери, що дає величезну економію засобів. Такий підхід був
реалізований в протонному синхротроні. Першим прискорювачем подібного
типу був «Космотрон» на енергію 3 Гев (мал. 12), який почав працювати в
Брукхейвенській національній лабораторії в 1952 в США; за ним незабаром
послідував «Беватрон» на енергію 6 Гев, побудований в Лабораторії ім.
Лоуренса Каліфорнійського університету в Берклі (США). Споруджений
спеціально для виявлення антипротона, він працював впродовж 39 років,
продемонструвавши довговічність і надійність прискорювачів частинок.
Мал. 12. КОСМОТРОН В БРУКХЕЙВЕНЕ. Прискорював протони до енергії 3 Гев.
Внизу – поперечний перетин прискорюючої системи. 1 – 90°-й магніт; 2 –
мішень; 3 – прямолінійна ділянка; 4 – рівноважна орбіта; 5 – інжектор; 6
– прискорююча система; 7 – феритовий сердечник; 8 – пучок частинок; 9 –
прискорююча напруга.
У синхротронах першого покоління, побудованих в США, Великобританії,
Франції і СРСР, фокусування було слабким. Тому була велика амплітуда
радіальних коливань частинок в процесі їх прискорення. Ширина вакуумних
камер складала приблизно 30 см, і в цьому все-таки великому об’ємі
потрібно було ретельно контролювати конфігурацію магнітного поля. У 1952
було зроблено відкриття, що дозволило різко зменшити коливання пучка, а
отже, і розміри вакуумної камери. Це був принцип сильного, або
жорсткого, фокусування. У сучасних протонних синхротронах з
надпровідними квадрупольними магнітами, розташованими по схемі сильного
фокусування, вакуумна камера може бути менше 10 см в поперечнику, що
приводить до значного зменшення розмірів, вартості і споживаної
потужності фокусуючих і відхиляючих магнітів. Першим синхротроном,
заснованим на цьому принципі, був «Синхротрон із змінним градієнтом» на
енергію 30 Гев в Брукхейвене. Аналогічна установка була побудована в
лабораторії Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) в Женеві.
В середині 1990-х років обидва прискорювачі все ще знаходилися в
експлуатації. Апертура «Синхротрона із змінним градієнтом» була
приблизно в 25 разів менше, ніж у «Космотрона». Споживана магнітом
потужність при енергії 30 Гев приблизно відповідала потужності,
споживаній магнітом «Космотрона» при 3 Гев. «Синхротрон із змінним
градієнтом» прискорював 6*1013 протони в імпульсі, що відповідало
найвищій інтенсивності серед установок цього класу. Фокусування в цьому
прискорювачі здійснювалося тими ж магнітами, що і відхиляли пучок; це
досягалося доданням полюсам магніта форми. У сучасних прискорювачах для
відхилення і фокусування пучка, як правило, використовуються окремі
магніти. В середині 1990-х років найкрупнішим протонним синхротроном був
«Теватрон» Національної прискорювальної лабораторії ім. Э.Ферми в
Батавії (США). (Мал. 13) Як підказує сама назва, «Теватрон» прискорює
згустки протонів в кільці діаметром 2 км. до енергії близько 1 Тев.
Прискорення протонів здійснюється цілою системою прискорювачів,
починаючи з генератора Кокрофта – Уолтона як інжектор, з якого негативні
іони водню з енергією 750 Кэв вводяться в лінійний прискорювач на
енергію 400 Мев. Потім пучок лінійного прискорювача пропускається через
вуглецеву плівку для обдирання електронів і інжектується в проміжний
синхротрон – бустер – діаметром 150 м. У бустері протони здійснюють
приблизно 20 000 обертів і набувають енергії 8 Гев. Зазвичай бустер
виконує 12 швидко наступаючих один за одним робочих циклів, в результаті
яких в «Головне кільце», – ще один протонний синхротрон з протяжністю
кільця 6,3 км. – інжектується 12 згустків протонів. «Головне кільце», в
якому протони прискорюються до енергії 150 Гев, складається з 1000
звичайних магнітів з мідними обмотками, що відхиляють і фокусують
протони. Безпосередньо під «Головним кільцем» розташований крайовий
синхротрон «Теватрон», що складається з 1000 надпровідних магнітів.
Пучок може виводитися по багатьом каналам на відстань 1,5–3 км. для
проведення досліджень в зовнішніх експериментальних залах. Призначені
для суб’ядерної «мікроскопії» протонні синхротрони на енергії більше 1
Тев вимагають тисяч надпровідних і фокусуючих магнітів завдовжки 5–15 м
з апертурою шириною в декілька сантиметрів, що забезпечують виключно
високу точність полів і стабільність їх в часі.
Мал. 13. ЛАБОРАТОРІЯ Ім. Э. ФЕРМІ поблизу Батавії (США). Довжина кола
«Головного кільця» прискорювача складає 6,3 км. Кільце розташоване на
глибині 9 м під колом в центрі
Основними чинниками, стримуючими створення протонних синхротронів на
вищі енергії, є велика вартість і складність управління, пов’язані з їх
величезними розмірами.У 80-і роки ХХ століття було запропоновано відразу
декількох проектів будівництва колайдерів з енергією зіткнення, що
досягає десятків Тев. Проте складність їх реалізації привела до того, що
в даний час споруджується лише один такий коллайдер, де стикатимуться
протони з сумарною енергією зіткнення 14 Тев в системі центру інерції.
Він носить назву “Великий адронний коллайдер” (LHC — Large Hadron
Collider) і створюється в CERN.Запуск його намічений на 2007-2008 рік.
На мал. 14 показаний фрагмент кільця протонного синхротрона на енергію
7 Тев в ЦЕРН (м. Женева, Швейцарія), який входить до складу установки
HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/collider.htm” \l
“lhc” \t “_blank” LHC (Large Hadron Collider). Довжина його кільця
26.7 км.
Найбільші протонні синхротрони, призначені для експериментів з
нерухомою мішенню, приведені в таблиці.
Протонні синхротрони для експериментів з нерухомою мішенню
Прискорювач Центр, місце розташування Рік запуску Максимальна енергія
протонів, Гев
PS ЦЕРН
Женева, Швейцарія 1960 28
У-70 ИФВЕ
Протвіно, Росія 1967 76
SPS ЦЕРН
Женева, Швейцарія 1976 450
ЦЕРН – Європейський центр ядерних досліджень,
ИФВЕ – Інститут фізики високих енергій.
3.2 Бетатрон
Його перший екземпляр був побудований в 1940 р. Д. Керстом. Бетатрон –
це індукційний прискорювач, в якому енергія електронів збільшується за
рахунок вихрового електричного поля, що створюється магнітним потоком,
що змінюється, направленим перпендикулярно до площини орбіти частинок.
Електрони рухаються по круговій орбіті постійного радіусу в наростаючому
в часі по синусоїдальному закону в магнітному полі (зазвичай промислової
частоти 50 Гц). Утримання електронів на орбіті постійного радіусу
забезпечується певним чином підібраним співвідношенням між величинами
магнітного поля на орбіті і усередині неї. Робочим циклом є перша
(наростаюча) чверть періоду магнітного поля.
? Ее. Гальмівні фотони летять у напрямі руху первинних електронів у
вузькому конусі. Їх енергетичний спектр безперервний, причому, чим менша
енергія фотонів, тим їх більше в гальмівному випромінюванні. Формування
високо енергійного електромагнітного g-випромінювання гальмуванням
високо енергійних електронів в мішені – найбільш простий і ефективний
спосіб створення пучка g-квантів високої енергії для експериментів в
області ядерної фізики і фізики частинок.
Бетатрони переважно і використовуються як джерела гальмівного
випромінювання. Завдяки простоті конструкції і управління, а також
дешевизні бетатрони отримали широке застосування в прикладних цілях в
діапазоні енергій 20-50 Мев. Створення бетатронів на вищі енергії
зв’язане з необхідністю використання електромагнітів дуже великого
розміру і ваги (магнітне поле доводиться створювати не тільки на орбіті,
але і усередині неї).
3.3 Синхрофазотрон
Прискорення важких частинок у фазотроні, принципово, можна здійснювати
аж до дуже високих енергій. Проте є причини, які примусили зупинитися на
порівняно скромній енергії, що не перевищує одного Гев. Причини ці
«вагомі» в самому буквальному сенсі слова. Вага магніта фазотрону
збільшується пропорційно кубу енергії. Тому, щоб побудувати фазотрон,
наприклад на 3 Гев, довелося б виготовити магніт вагою в 300 000 тонн.
Економічна і технічна недоцільність такого прискорювача – очевидні.
Пригадаємо синхротрон. Він володіє порівняно з бетатроном неважким
магнітом тому, що в нім вдається прискорювати електрони у вузькому
кільці. Чи не можна і важкі частинки примусити обертатися в магнітному
полі не по спіралі, що розгортається, а по вузькій доріжці? Електрони в
синхротроні рухаються по колах постійного радіусу, тому що їх швидкість
майже дорівнює швидкості світла. Швидкість же важких частинок
безперервно росте із збільшенням енергії. Тому частота їх звернення при
постійному радіусі орбіти теж буде рости. Отже, для збереження резонансу
при постійності радіусу орбіти частинки необхідно забезпечити збільшення
частоти прискорюючого електричного поля. Таким чином, прискорення важких
частинок в кільцевому прискорювачі вимагає не тільки збільшення
магнітного поля на орбіті частинок, що виходить з формули:
,
але також і збільшення частоти електричного поля. Прискорювачі
подібного типу отримали назву синхрофазотронів. Відомо, що у фазотроні
не обов’язково дотримуватися одного певного закону зміни частоти
електричного поля. Іони слухняно підкоряються будь-якому, не дуже
швидкому зміненню частоти. Інша справа в синхрофазотроні. Тут, щоб
утримати іони на постійній орбіті, частота електричного поля в процесі
прискорення повинна завжди дорівнювати власній частоті іона. Якщо
частота зовнішнього поля дещо відхилитися, наприклад зробитися більше
власної частоти протонів, як орбіта їх почне зменшуватися, загрожуючи
зачепити внутрішню стінку прискорювальної камери. Пояснюється це
властивістю автофазування: частота частинок слідує за зміною зовнішньої
частоти, а збільшення власної частоти при даній швидкості протонів
відбувається за рахунок зменшення радіусу їх орбіти. Отже, зміна частоти
повинна строго слідувати за зміною швидкості частинки. Але фіксувати
швидкість важко. Набагато легше стежити за зміною магнітного поля, яке
завдяки автофазуванню цілком визначає збільшення швидкості іона. Тому в
синхрофазотронах розроблена система, за допомогою якої частота
електричного поля з великою точністю слідує за зміною магнітного поля.
До теперішнього часу частинки з найбільшою енергією отримані на
синхрофазотронах. Вже працюють три гігантські прискорювачі цього типу.
Перший з них, розрахований на прискорення протонів до енергії 3 Гев, був
названий «космотроном». Ця назва підкреслювала той факт, що швидкості
штучно розігнаних частинок порівнянні з швидкостями космічних променів.
Синхрофазотрон на 10 Гев побудований в Радянському Союзі і переданий
Об’єднаному інституту ядерних досліджень. У березні 1957 р. на цьому
прискорювачі були отримані протони розрахункової енергії. Зробимо уявну
поїздку до м. Дубну під Москвою і познайомимося з однією з цікавих
споруд нашого часу. Перше що відразу впадає в очі при вході в будівлю
величезний, такий, що складається з окремих секцій, електромагніт.
Вага його – 36 000 тонн. Магніт набраний з окремих ізольованих
один від одного сталевих листів завтовшки 1 і 4 см. Не дивлячись на те,
що магнітне поле наростає від нуля до максимального значення порівняно
поволі – за 3,3 секунди, робити магніт з суцільного металу не можна.
Електромагніт прискорювача не є замкнутим кільцем – він складається з
чотирьох секцій – квадрантів – відсунутих один від одного. Відповідно і
орбіта протонів виходить не кругом, а комбінованою, такою, що
складається з дугових (90°) і прямолінійних ділянок (мал. 17).
Мал.17. План прискорювача.
Як показали попередні теоретичні розрахунки і випробування на моделях,
рух по таких орбітах є цілком стійким.
Навіщо в синхрофазотроні потрібні прямолінійні ділянки, вільні від дії
магнітного поля? В першу чергу для полегшення впускання частинок. На
відміну від інших прискорювачів, в синхрофазотрон впускаються вже
порівняно швидкі частинки. У синхрофазотрон поступають протони,
заздалегідь прискорені спочатку у високовольтній трубці до 600 Кев, а
потім в лінійному прискорювачі до енергії 9 Мев. Робиться це для того,
щоб скоротити діапазон зміни високої частоти. Швидкість, а за нею і
частота збільшуються тут більш ніж в 8 разів (від 182 Кгц до 1,5 Мгц).
Якщо ж починати прискорення усередині прискорювача з малих енергій, то
було б потрібно технічно нездійсненну зміну частоти.
Розмістити устаткування для зовнішнього впускання при відстані між
полюсами, що становить всього 40 см, дуже важко. Наявність
прямолінійного проміжку значно полегшує складне завдання введення
частинок в прискорювач.
Перш ніж потрапити у фазотрон з лінійного прискорювача, протони
проходять десятиметровий шлях по ввідній системі, що складається з
магнітних коректорів, поворотного магніта і магнітної лінзи (мал. 18).
Мал. 18. Ввідна система, по якій протони потрапляють з лінійного
прискорювача в прискорювальну камеру синхрофазотрона.
На цьому шляху пучок протонів фокусується і повертається на 75
градусів. «Вприскування» протонів в камеру відбувається в ту мить, коли
магнітне поле досягає 150 ерстед. Помилитися з впусканням не можна
навіть на мільйонні долі секунди! Магнітне поле іншої величини заверне
протони на внутрішню або на зовнішню стінку вакуумної камери. Особливо
точним повинен бути витриманий напрям пучка, що впускається, воно
коректується з точністю до сотих частинок градуса! У двох інших
прямолінійних проміжках поміщаються пролітні трубки – прискорюючи
електроди, – пов’язані з генератором високої частоти. За один оберт
протони в середньому набувають порівняно невеликої енергії в 2200
електрон-вольт. Але таких обертів по орбіті завдовжки в 200 м протони за
час наростання магнітного поля до 13 000 ерстед зроблять близько 4,5
мільйонів! Всього за 3,3 сек протон проходить шлях завдовжки в 900 000
км, тобто в два з гаком разу більше відстані від Землі до Місяця. Весь
цей довгий шлях здійснюється у вакуумній камері. Перетин камери складає
2 м завширшки і 36 см у висоту.
Вакуумна камера синхрофазотрона – подвійна. Зовнішня камера
утворюється полюсними черевиками магніта, ущільненим текстолітом і
гумою. У цій камері підтримується тиск в 1 мм. рт. ст. Внутрішня камера
виконана з листів нержавіючої сталі, трохи товще за лезо безпечної
бритви з ущільненням із спеціальної гуми, і в ній підтримується тиск
0,00001 мм.рт.ст. Дивлячись на великий перетин камери – в ній вільно
може влягтися людина високого зросту – можна подумати, що не так вже
важко забезпечити успішний рух по ній протонів. Проте це не так.
Істотною є не ширина камери, а її відношення до радіусу орбіти; воно
складає всього чотири відсотки.
Перш ніж будувати величезний прискорювач, фізики провели складні
теоретичні розрахунки. У них було детально розглянутий рух протонів з
моменту впуску до кінця прискорення.
Поведінка частинок виявилася дуже складною. По-перше, вони беруть участь
в русі по рівноважній орбіті з резонансною частотою. Інший рух частинок
– це коливання біля рівноважної орбіти, пов’язані з автофазуванням
частинок. Ці радіально-фазові коливання – повільні, період їх в тисячу
разів більше періоду звернення частинок. Завдяки радіально-фазовим
коливанням протони рухаються по «миттєвих» орбітах. Нарешті, існує
третій вид коливань частинок – вільні або бетатронні. Вони відбуваються
при відхиленні частинок від орбіти, при впусканні в прискорювач, при
розсіянні на залишках газу чи з інших причин. Під дією фокусуючих сил
вільні коливання швидко затухають. Розрахунки теоретиків дозволили
вибрати оптимальні умови впускання, форму магнітного поля, з’ясувати
причини можливих втрат частинок. Були визначені якнайкращі параметри
прискорювача, зокрема розміри доріжки, по якій рухаються протони. Щоб
добитися руху по такій доріжці, величезний магніт зібраний з точністю до
частинок міліметра! Спеціальні обмотки, що коректують, на нім
компенсують спотворення, викликані впливом залишкового магнетизму і
насичення сталі. Зв’язок частоти електричного поля і магнітного поля
підтримується з точністю до 0,1 відсотка.
Електромагніт синхрофазотрону споживає величезну потужність в 140 000
кіловольтампер. Чотири живлячі агрегати забезпечено масивними
маховиками. У них запасається енергія, необхідна для створення імпульсу
струму в електромагніті. До них же повертається енергія магнітного поля
(за вирахуванням втрат на тепло) при його спаді. Перетворення механічної
енергії в електричну і зворотне перетворення здійснюються за допомогою
синхронних машин, безпосередньо пов’язаних з іонними перетворювачами.
На виході синхрофазотрону отримують короткі імпульси протонів,
прискорених до 10 Гев. Ці імпульси з’являються 5 разів на хвилину.
3.4 Колайдер
Існує два типи прискорювальних установок: прискорювачі з нерухомою
мішенню і прискорювачі із стрічними пучками (або колайдери). У
прискорювачах першого типу частинки після прискорення виводять з
прискорювальної камери і направляють на нерухому мішень, наприклад,
металеву пластину. В цьому випадку далеко не вся кінетична енергія
прискореної частинки може бути “вкладена” в процес, що вивчається,
наприклад, у внутрішнє збудження атомного ядра або частинки-мішені або в
народження нової частинки, оскільки значна, а часто і переважна частина
цієї енергії не може бути “вилучена” у частинки, оскільки йде на
“забезпечення” виконання закону збереження імпульсу – великий імпульс
частинки до зіткнення повинен зберегтися у вигляді великого імпульсу (а
значить, і кінетичній енергії) продуктів реакції.
Конкретні оцінки дозволяють побачити величезну різницю між
кінетичними енергіями, наприклад, протонів в прискорювачі з нерухомою
мішенню і із зустрічними пучками, які необхідні для народження частинок
великої маси. Величезна енергетична перевага прискорювачів на зустрічних
пучках зробила їх абсолютно необхідним атрибутом провідних сучасних
центрів дослідження фізики елементарних частинок. Є дві основні схеми
реалізації колайдерів (мал. 19). Якщо зустрічні пучки складаються з
частинок, що мають рівні маси і протилежні по знаку заряди ( античастки,
наприклад, електрон-позитрон або протон-антипротон), то для обох пучків
використовується одне кільце магнітів (мал. 19б). У деяких точках цього
кільця є ділянки взаємодії прискорених зустрічних пучків. Якщо ж
зустрічні частинки мають однакові заряди або різні маси (наприклад,
протон-протон або електрон-антипротон), то необхідно два кільця магнітів
і в деяких місцях створюються області зіткнення (перетини) пучків (мал.
19а). В зустрічних пучках, рухомих один одному на зустріч накопичується
максимально можливе число частинок (до 1015 в пучку). Проте накопичувана
щільність частинок мала і при кожному оберті реальні зіткнення
відчувають невеликі кількості частинок.
Мал. 19. Два типи прискорювачів на зустрічних пучках: а – для частинок,
що мають однакові заряди або різні маси (наприклад, протон-протон або
електрон-протон); б -для частинок з протилежними по знаку зарядами і
рівними масами, тобто частинок і античасток (електрон-позитрон,
протон-антипротон).
Взаємодія пучків майже не порушує динаміку їх руху в прискорювальному
кільці і пучки багато годин і навіть діб можуть циркулювати в
прискорювачі без поповнення.
Зустрічні пучки складаються з окремих згустків частинок, названих
банчами (від англ. bunch), що рухаються з певним інтервалом (частотою)
один за одним. Розглянемо два циліндрових банча однакового перетину, що
летять назустріч один одному і потім стикаються (мал. 20). Вважатимемо,
що банчі рівномірно заповнені частинками і при зіткненні повністю
перекриваються.
Мал. 20. Два згустки частинок (банча), що стикаються, в колайдері.
У лівому банчі n1 частинок, а в правому n2. Спочатку покладемо, що на
орбіті колайдера банчі стикаються один раз в одиницю часу. Число
взаємодій N1 в одиницю часу між частинками цих двох банчей (тобто число
актів реакцій в одиницю часу) можна обчислити за формулою (2), прийнявши
лівий банч за частинки-снаряди, а правий – за мішень:
N = jnSl? = (n1/S)n2? (1)
де ?- ефективний переріз взаємодії. Тут враховано, що щільність потоку
падаючих на правий банч частинок лівого банча j = n1/S, а повне число
частинок в правом банчі (прийнятому як мішень) n2 = nSl, де n –
концентрація частинок в правом банчі. Якщо банчі стикаються f разів в
одиницю часу (тобто з частотою f), то число актів реакції N даватиметься
виразом
N = f(n1n2/S)? = L? (2)
де L = f(n1n2/S) (3)
і є світимість колайдера.
Прискорювачі на зустрічних пучках (колайдери)
Прискорювач
(Центр, Країна) Роки роботи Прискорювані
частинки Найбільші
енергії Світимість,
см-2 сік-1 Периметр
або довжина
ВЭПП-2000
(Новосибірськ) з 2005 е+е- 1.0 Гев 1032 24 м
ВЭПП-4М
(Новосибірськ) з 1994 е+е- 6 Гев 2.1031 366 м
ВЕРС-П
(Китай) з 2007 е+е- 1.89 Гев 1033 238 м
КЕКВ
(Японія) з 1999 е+е- 3.5. 8 Гев 1.1.1034 3.0 км.
РЕР-П
(SLAC, США) з 1999 е+е- 3.1. 9.0 Гев 6.8.1033 2.2 км.
SLC
(SLAC,США) 1989-1998 е+е- 50 Гев 2.5.1030 2.92 км.
LEP (CERN) 1989-2000 е+е- 101 Гев 1032 26.7 км.
HERA
(DESY, Німеччина) з 1992 е-p 30 x 920 Гев 0.75.1032 6.3 км.
SpS
315 x 315 Гев 6.1030 6.9 км.
TEVATRON
980 Гев 0.5.1032 6.3 км.
RHIC
(Brookhaven, США) з 2000 Au x Au 100 Гев/нуклон 4.1026 3.8 км.
LНС
(CERN) з 2007-2008 рр 7 Тев 1033 26.7 км.
Pb x Pb 2.76 Тев/нукл 1027
Найбільші сучасні центри, призначені для дослідження фізики
елементарних частинок, є багатоцільовими комплексами з декількох
прискорювачів, функціонально зв’язаних між собою. Гарним прикладом
такого прискорювального комплексу є ЦЕРН (Женева). Схема комплексу
приведена на(мал. 21).
Найбільшим прискорювачем цього комплексу є Великий Адронний Коллайдер
LHC (Large Hadron Collider), на якому стикатимуться пучки прискорених до
енергії 7 Тев протонів, а також ядра свинцю. Цей прискорювач
споруджується в підземному кільцевому тунелі (його периметр 26.7 км.) на
місці іншого що недавно діяв найбільшого е+е- – колайдера. LEP – Large
Electron Positron (Collider), що прискорював електрони і позитрони до
енергії 101 Гев.
Для інжекції протонів і іонів в LHC використовуватиметься прискорювач
SPS (Super Proton Synchrotron), на виході якого протони мають енергію
близько 450 Гев (див. таблицю). Його периметр 6.9 км. і він розташований
під землею на глибині 50 м. У SPS важкі частинки поступають від
протонного синхротрона PS (він також згаданий в таблиці), в який у свою
чергу протони і іони потрапляють з бустера (прискорювача- інжектора).
4. Висновок
Прискорювач заряджених частинок – пристрій для отримання заряджених
частинок (електронів, протонів, ядер, іонів) великих енергій.
Прискорення проводиться за допомогою електричного поля, здатного
змінювати енергію частинок, що володіють електричним зарядом. Поле може
лише змінити напрям руху заряджених частинок, не міняючи величини їх
швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом
частинок (формою траєкторії). Зазвичай прискорююче електричне поле
створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливе
прискорення за допомогою полів, створюваних іншими зарядженими
частинками; такий метод прискорення називається колективним.
На мою думку, прискорювачі заряджених частинок – один із основних
інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами як пучків
первинних прискорених заряджених частинок, так і пучків вторинних
частинок (мезонів, нейтронів, фотонів і ін.), що отримуються при
взаємодії первинних прискорених частинок з речовиною. Пучки частинок
великих енергій використовуються для вивчення природи і властивостей
елементарних частинок, у ядерній фізиці, у фізиці твердого тіла. Все
більше застосування вони знаходять і при дослідженнях в інших областях:
у хімії, біофізиці, геофізиці. Розширюється значення Прискорювачі
заряджених частинок різних діапазонів енергій в металургії – для
виявлення дефектів деталей і конструкцій (дефектоскопія), в
деревооброблюючій промисловості – для швидкої високоякісної обробки
виробів, в харчовій промисловості – для стерилізації продуктів, в
медицині – для променевої терапії, для “безкровної хірургії” і у ряді
інших галузей.
5. Список літератури
Ратнер Б.С. Ускорители заряженных частиц. – М. «Мир», 1960.
Дж.Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. – М.: Изд-во
иностр. лит., 1963.
Г.Брук. Циклические ускорители заряженных частиц. – М.: Атомиздат, 1970.
Бабат Г.У Ускорители . – М. «Молодая гвардия» , 1957.
А.Н.Лебедев, А.В.Шальнов. Основы физики и техники ускорителей (Учеб.
пособие для физ.спец.вузов). – М.: Энергоиздат, 1981-83.
А.А.Коломенский. Физические основы методов ускорения заряженных частиц
(Учеб. пособие для физ.спец.вузов). – М.: Изд-во МГУ, 1980.
Е.Г.Комар. Ускорители заряженных частиц. – М.: Атомиздат, 1964.
Ускорители. Сб. статей под ред. Б.Н.Яблокова. – М.:Госатомиздат, 1962.
А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев. Теория циклических ускорителей. – М.:
Физматгиз, 1962.
Дж.Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. – М.: “Мир”, 1980.
И.М.Тернов, В.В.Михайлин, В.Р.Халилов. Синхротронное излучение и его
применение. – М.: Изд-во МГУ, 1980.
К.Штеффен. Оптика пучков высоких энергий. – М.: “Мир”, 1969.
PAGE
PAGE – 28 –
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
