К глубинным тайнам материи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

А.В. Шальнов

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рекомендовано к изданию УМО «Ядерные физика и технологии»

Москва 2007

УДК 539.14 ББК 22.383 Ш 18 Шальнов А.В. К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ. — М.: МИФИ, 2007. — 64 с. В популярной форме изложены краткая история развития ядерной физики и вопросы, связанные с методами получения и ускорения заряженных частиц в линейных и циклических ускорителях и накопителях. Предполагается, что читатель знаком с основами школьного курса физики. Научно-популярное издание предназначено для учащихся старших классов средней школы, лицеев с техническим уклоном, а также учащихся техникумов и ПТУ. Издание подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы. Рецензент В.А. Курнаев

ISBN 978-5-7262-0814-5 ©

Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ...............................................................................................................4 ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................5 1. НЕМНОГО ИСТОРИИ ..................................................................................................7 2. ПРОСТАЯ АНАЛОГИЯ ................................................................................................9 3. ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ УСКОРИТЕЛЬ?........................................................................10 4. ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ.......................................................................................13 Высоковольтные ................................................................................................13 Высокочастотные...............................................................................................21 5. ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ.................................................................................28 Ускорители со сплошным магнитом .................................................................31 Микротрон....................................................................................................31 Циклотрон....................................................................................................33 Фазотрон (синхроциклотрон) ......................................................................36 Бетатрон ......................................................................................................37 Циклические ускорители с кольцевым магнитом.............................................41 6. СИЛЬНАЯ ФОКУСИРОВКА ......................................................................................47 7. ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ.................................................................................................52 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ........................................................57 НЕКОТОРЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ, УПОТРЕБЛЯЕМЫЕ В УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ..................................................60 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................61

ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящая книга посвящена ускорителям заряженных частиц — сооружениям, получившим сильное развитие в XX столетии и позволившим заглянуть в природу материи и существенно продвинуться вперед в этом направлении. Первые ускорители начинались с реализации очень простых физических идей и существенно усложнялись по мере достижения определенных результатов. Поскольку предполагается, что круг читателей будет состоять из молодых людей школьного возраста, то многие вопросы будут изложены очень популярно. Небольшой объем книги также способствует использованию простых, иногда даже наивных представлений об этих сложных установках. Книга состоит из разделов, посвященных линейным ускорителям, циклическим ускорителям, будут затронуты вопросы создания ускорительных комплексов. Очень кратко будут обсуждены полученные в настоящее время физические результаты и пути дальнейшего развития ускорителей. Рассмотрены вопросы международного сотрудничества. Примерами такого сотрудничества являются такие крупные организации, как ЦЕРН (Женева) и ОИЯИ (Дубна). В книге с учетом предполагаемого контингента читателей, количество ссылок на литературу сильно ограничено — примерно по одной ссылке на раздел. Литература эта достаточно популярна, но в самих цитируемых изданиях любопытствующий читатель может найти ссылки на литературу, в которой будут более подробно изложены многие вопросы. Там же можно найти более углубленную проработку тем со сложным математическим и физическим материалом.

4

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

ВВЕДЕНИЕ Прошедшее столетие ознаменовано большими успехами в области физики, изучающей строение атома и его центральной части — атомного ядра. К сожалению, первым результатом было создание атомной, а затем и водородной бомбы. Как хорошо всем известно, атомные бомбы, кроме испытаний на полигонах, были применены Соединенными Штатами Америки при бомбардировках японских городов Хиросима и Нагасаки. Это привело к огромным жертвам среди мирного населения. Правда, всякое военное применение достижений науки и раньше приводило к стремлению создать инструмент для уничтожения противников, врагов, т.е. себе подобных созданий — людей. Так было с механикой, химией, биологией и другими отраслями человеческих знаний. Но мы остановимся на позитивных процессах, сопровождающих научные достижения. Результатом мирного применения атомной энергии было создание атомной энергетики, которая уже сейчас производит заметную часть электроэнергии, потребляемой человечеством. Это несомненно большой практический выход для поддержки населения Земли и экономии ресурсов, традиционно расходуемых на энергоснабжение. В настоящее время интенсивно продолжается изучение строения материи. Наши знания об устройстве атома и его центральной части — атомного ядра — постоянно углубляются. Получено много позитивных результатов, которые с успехом используются в разных областях человеческой деятельности: медицине, технологии, металлургии и т.д. Процесс изучения продолжается, хотя до результата, приносящего реальную пользу экономике, повышение жизненного уровня населения, по-видимому, еще далеко. Однако мы должны быть уверены, что понимание особенностей строения материи, исследование взаимодействия тех или иных процессов в природе на уровне атомного ядра должно привести и к практическому применению научных результатов, как это имело место в атомной энергетике. Итак, нарисуем простейшую картину проблемы, о которой будет далее идти речь в этой книге. Есть объект исследования — атомное ядро. 5

А.В. Шальнов

В природе уже есть источники, которые могут его разрушить, взаимодействуя с ним. Это — космические лучи и излучение радиоактивных изотопов. Разве этого недостаточно? Нет — потому что эти источники неуправляемы по основным параметрам взаимодействия с атомным ядром. Мы не можем точно предсказать энергию получаемых в этом случае снарядов и по величине, и по интенсивности, и по пространственному распределению. Поэтому анализировать полученные результаты взаимодействия излучений от этих источников затруднительно, но возможно. Более того, удалось получить чрезвычайно важные и нужные сведения. Создаются и уже созданы специальные установки, в которых генерируются «снаряды» для разрушения атомного ядра. Этими снарядами можно управлять: их интенсивностью, видом, распределением во времени и пространстве. Отсюда: значительно проще расшифровать результаты воздействия на атомное ядро и создать реальную картину — для дальнейшего использования этих результатов. В настоящей работе главным объектом изучения будут специальные экспериментальные установки — ускорители заряженных частиц. Их история начиналась с создания довольно скромных по размерам, сравнительно недорогих устройств, позволяющих «бомбардировать» атомное ядро, разрушить его и затем изучить результаты этого разрушительного процесса, для того чтобы попытаться построить картину конструкции этого очень мелкого по размерам объекта, определить силы взаимодействия между отдельными его составляющими. Впоследствии оказалось, что для дальнейшего изучения необходимо увеличить энергию ускоренных частиц. Требование увеличить их энергию возникало каждый раз после получения очередных результатов, так как нужны были новые детали процесса. Естественно, что чем больше энергия пучка, тем сложнее становится и сам ускоритель. Усложнение это сопровождалось увеличением стоимости, размеров и энергопотребления ускорителей. Конечно, усложнялась и становилась дороже и регистрирующая аппаратура. Таким образом, стремление ученых-физиков к пониманию картины микромира привело к дальнейшему продвижению в области все бóльших и бóльших энергий. По экономическим соображениям оказалась необходимой кооперация ученых разных стран, т.е. меж6

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

дународное сотрудничество, с паритетным вложением капиталов для создания, обеспечения непрерывной работы ускорителей и интерпретации полученных результатов. Естественно, что как и во многих научных направлениях, здесь широко используются достижения науки и техники, полученные в других областях. Наиболее яркий пример — применение современной вычислительной техники с целью обеспечения эффективной работы ускорителей и обработки получаемых экспериментальных результатов. Вряд ли можно было достичь столь больших успехов без применения вычислительной техники. Для понимания многих эффектов в области получения высокоэнергетичных заряженных частиц в изложении будут использоваться наглядные механические и другие аналогии. Они, конечно, не полностью отражают процессы, происходящие в реальных структурах атомного ядра. Но и цель популярного изложения несколько иная. Предполагается, что эту книгу будут читать не специалисты в области физики атомного ядра, а читатели, далекие от этой области, но обладающие изрядным запасом любознательности. И, наконец, показывая историю развития ускорителей заряженных частиц, от устройств, скромных по своим размерам вначале (десятки и сотни квадратных метров), до современных колоссов (километрового и более размера), мы постарались иллюстрировать и физические принципы их реализации. Уже сейчас более или менее ясно, что потребности в энергии ускоряемых частиц для глубинного исследования атомного ядра настолько велики, что размеры ускорителей, если их делать на базе современной техники, превысят размеры нашей планеты. Это просто означает, что надо искать новые способы исследований. Но это уже совсем другая задача. Для интересующихся ускорителями рекомендуется [1]. 1. НЕМНОГО ИСТОРИИ Уже в Древней Греции предполагали, что существует некая часть вещества, которая определяет свойства химического элемента. Она имеет очень малые размеры и является неделимой (a’tomos — неделимый по-гречески). Как выяснилось впоследствии, в этом свойстве (неделимости) древние греки ошибались. Так же, как и многие последующие исследователи. 7

А.В. Шальнов

Интенсивно изучение атома началось в XX в. В самом начале века (1903 г.) Томсоном была предложена модель атома, с помощью которой автор пытался объяснить линейчатый спектр излучения атомов. Эта модель представляла собой равномерно заряженную положительным электричеством среду, внутри которой находится электрон. Выведенный из равновесного положения электрон совершает колебания относительно центра сферы и излучает электромагнитную энергию. Модель оказалась неправильной, но она подтолкнула к более глубокому экспериментальному и теоретическому изучению строения атома. Это было сделано Резерфордом с сотрудниками. Однако ядерная модель атома — положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся на определенных орбитах вокруг него, не стыковалась с классической механикой и электродинамикой. Датский физик Нильс Бор сделал существенно новые предложения, приведшие впоследствии к созданию квантовой механики. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул идею о необходимости учитывать как корпускулярные, так и волновые явления. Фундаментальные предложения, изменившие многие представления о физике микромира, были сделаны в новой квантовой или волновой механике Шредингером, Гейзенбергом, Дираком и другими. Так, согласно принципу Паули в атоме, состоящем из центральной части (ядра) и периферийной части (электронов) в одном и том же состоянии не могут находиться два электрона. Таким образом, моделью атома стало ядро, окруженное электронами, подчиняющимися правилам квантовой механики. Это позволило впоследствии понять строение молекул и кристаллов и объяснить спектры излучения атомов, молекул и кристаллов. Затем оказалось, что и ядра атомов также имеют дискретные уровни энергии и способны излучать и поглощать очень коротковолновое излучение (γ-лучи). Далее последовало изучение самого атомного ядра. Первоначально предполагалось, что ядра состоят из протонов и нейтронов, и они получили название элементарных (неделимых) частиц. В 1935 г. Х. Юкава высказал гипотезу о существовании частиц тяжелее электрона, занимающих среднее положение между электронами и нуклонами. Их назвали мезонами. Далее оказалось, что существует два вида мезонов. Чтобы их не путать, первый тип назвали µ-мезонами, а второй π-мезонами. И оба типа активно участвуют в строении атомного ядра. 8

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Не углубляясь пока в современные представления о строении атомного ядра, оставив этот материал для заключительной части книги, запомним только, что ускорители заряженных частиц внесли самый серьезный вклад в современное понимание структуры атомного ядра. Закончим этот раздел информацией об ученых, упомянутых в нем. Джозеф Джонс Томсон (1856 — 1940), английский физик, член Петербургской АН, член АН СССР; Эрнест Резерфорд (1871 — 1937), английский физик, член АН СССР; Нильс Бор (1885 — 1962), датский физик, член АН СССР; Луи де Бройль (1892 — 1987), французский физик, член АН СССР; Эрвин Шрéдингер (1887 — 1961), австрийский физик, член АН СССР; Вернер Гéйзенберг (1901 — 1976), немецкий физик; Поль Дирáк (1902 — 1984), английский физик, член АН СССР; Вольфганг Пáули (1900 — 1958), швейцарский физик; Хидэки Юкáва (1907 — 1981), японский физик, член АН СССР. 2. ПРОСТАЯ АНАЛОГИЯ Как уже упоминалось ранее, чтобы изучить, из чего состоит объект исследования, надо знать его составные части, т.е. попросту говоря — разрушить его. Такое действие требует определенной энергии, причем количество передаваемой объекту энергии зависит от разных причин. Рассмотрим простейший и хорошо известный всем бильярдный вариант. Если два шара сталкиваются, то результат соударения зависит от их массы и от того, как происходит процесс соударения. Для простоты будем считать, что массы шаров одинаковы, и сначала предположим, что удар абсолютно упругий. Если столкновение «лобовое», т.е. вектор скорости движущегося шара проходит через центр неподвижного, то движущийся шар останавливается, а неподвижный начинает двигаться в том же направлении и приобре-

9

А.В. Шальнов

тает его скорость. При таком соударении передается максимум * энергии от одного шара другому . Если же неподвижный шар недостаточно прочен, то он разрушится. Изучая осколки (их массу, направление движения, скорости и т.д.), можно установить, из каких отдельных частей состоит неподвижный шар. Картина будет особенно ясной, если он состоял из отдельных «склеенных» компонентов, тогда можно узнать из каких. Например, насколько сильно были привязаны «осколки» к разрушенному шару и т.д. Примерно так (а на самом деле значительно сложнее) обстоит дело и с исследованием атомного ядра. Из этого довольно примитивного описания процесса соударения двух шаров, можно сделать несколько выводов. Первый — для передачи максимальной энергии удар должен быть центральным. Второй — для той же цели желательно иметь одинаковые массы. Третий — удар должен быть разрушающим, а для этого надо, чтобы энергия движущегося шара была достаточно большой. Четвертый — надо иметь инструменты, которые бы измерили результат взаимодействия (массы осколков, их скорости, углы расходимости и т.д.). 3. ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ УСКОРИТЕЛЬ Итак, ускоритель заряженных частиц — это устройство, на выходе которого создается поток ускоренных частиц. Напомним, что он является альтернативой других источников — космических лучей и радиоактивного распада. Его главное преимущество — управляемость характеристиками ускоренных частиц. Идея о контролируемом потоке ускоренных частиц начала реализовываться в начале XX в. Естественно, что в создании таких потоков должен быть использован целый ряд устройств, взаимно связанных и согласованных с друг другом. * При не «лобовом» ударе два шара разойдутся. Если мы играем в бильярд и задача состоит, чтобы положить оба шара в лузу и это действительно случится, то для игры (при некоторых правилах) это будет хороший результат. Но при этом неподвижному шару передается меньшая энергия.

10

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Упомянем первую особенность ускорителя. В предыдущем разделе мы рассказывали о передаче энергии от ускоренной частицы атомному ядру. Первое обстоятельство, которое хотелось бы отметить, заключается в том, что частицы, выходящие из ускорителя, как правило, релятивистские, т.е. их масса зависит от скорости, а следовательно, ее можно изменять. Изменение массы ускоренной частицы происходит по закону:

m= где

m0 1 − β2

,

(1)

m 0 — масса покоя частиц, m — релятивистская масса,

v — отношение скорости частиц к скорости света. c Так как ускоряются заряженные частицы, то полученная в ускорителе кинетическая энергия определяется произведением заряда частиц q на пройденную разность потенциалов U β=

E кин = q ⋅ U .

(2)

Энергия в атомной физике измеряется в электрон-вольтах (эВ). В зависимости от типа ускорителя, величина U может формироваться просто как разность потенциалов между двумя электродами, и ее значение подставляется в этом случае непосредственно в формулу (2). Однако процесс ускорения различен для разных типов ускорителей. Так, частица может получить энергию, пройдя некоторое количество ускоряющих зазоров. Тогда величина U определяется как сумма напряжений на пути частицы от начала процесса ускорения до получения энергии q ⋅ U .

U=

N

¦Un ,

n =1

(2′)

где U n — напряжение, действующее на частицу при n-м прохождении ускоряющего зазора, N — общее число пройденных зазоров.

11

А.В. Шальнов

Если частица приобретает энергию в бегущей волне с напряженностью электрического поля ε z (обычно ось z располагается в направлении движения ускоряемого пучка), то L

U = ³ ε z ( z )dz ,

(2′′)

0

где L — общая длина пути, пройденного частицей в ускорителе. Перечислим основные элементы ускорителя и поясним выполняемые ими функции в общих чертах, так как несколько более подробно эти вопросы будут рассмотрены при описании конкретных ускорителей. 1. Инжектор — источник электронов или ионов. Принцип действия электронного инжектора легко понять, если вспомнить устройство вакуумной электронной лампы. Там накаленный катод испускает электроны и они двигаются к аноду под действием электрического поля. Здесь же поток электронов нужно направить в ускоряющее устройство. В инжекторе ионов создается газовый разряд, в атмосфере которого содержится интересующий нас ион. Из разряда ионы извлекаются электрическим полем. 2. Ускоряющее устройство — это область, где производится основной набор энергии под действием электрического поля. 3. Генератор — источник мощности для создания ускоряющего поля. 4. Вакуумные насосы — создают рабочий вакуум в области движения ускоряемых частиц. 5. Фокусирующие катушки — позволяют удерживать ускоряемые частицы в центре вакуумной камеры. 6. Магниты — применяются как для обеспечения фокусировки электронов и ионов в линейных ускорителях, так и для получения траекторий нужной формы в циклических ускорителях. 7. Устройство для вывода пучка — служит для направления ускоренного пучка либо на мишень, либо в следующий каскад ускорения.

12

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

4. ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ Высоковольтные Пусть у нас имеются два плоских металлических электрода бесконечных размеров, расположенные параллельно друг другу на расстоянии ℓ. Один из электродов заземлен, а другой находится под потенциалом U. Тогда ускоряемая частица (электрон или ион), разгоняясь от одного электрода к другому под действием напряженности поля ε, приобретает кинетическую энергию

E кин = Z ⋅ e ⋅ U = Z ⋅ e ⋅ ε ⋅ ℓ,

(3)

где е — заряд электрона, Z — целое число, равное заряду ядра в единицах заряда электронов (для электрона Z = 1). Сразу отметим, что величина Е сверху ограничена пробивным напряжением. Если посмотреть на распределение напряжения и напряженности поля между двумя металлическими электродами небольшого размера, то картина изменится существенно. Такое распределение показано на рис.1. Видно, что на самом деле напряженность поля зависит от координаты Z и максимальна у металлических электродов.

Рис.1. Распределение напряжения U и напряженности поля ε между двумя металлическими электродами от расстояния z. Заземлен левый электрод

13

А.В. Шальнов

Тогда средняя часть ускорительной трубки не работает (находится под действием малой напряженности поля), и вероятность пробоя определяется величиной напряженности поля у электродов. Исправить положение можно с помощью расположенного вдоль линии, соединяющей электроды, делителя напряжения из последовательных одинаковых сопротивлений (рис.2).

Рис.2. Распределение напряжения U и напряженности поля ε между двумя металлическими электродами от расстояния z при включении делителя напряжения. Заземлен левый электрод

Видно, что напряженность поля между электродами будет практически постоянна, и все расстояние между электродами будет использоваться эффективно. Так практически и поступают в ускорителях с постоянно приложенным напряжением. Конечно, здесь не учитываются элементы конструкции ускорителя. Однако получить высокое напряжение порядка 1 мегавольта (МB) само по себе сложно. Для этого используют два способа: каскадные генераторы с умножением напряжения, электростатический ускоритель, в котором заряд на высоковольтный электрод подается с помощью ленты. 14

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рассмотрим первый способ. Для каскадных генераторов в источниках напряжения, прикладываемого к электродам ускоряющей трубки, используются схемы выпрямления напряжения питания сети. На рис.3 изображена однополупериодная схема выпрямления напряжения. При положительном напряжении на верхнем выводе трансформатора диод открывается и начинает проводить ток. Напряжение, появляющееся на емкости, ниже, чем напряжение вторичной обмотки трансформатора, так как часть его падает на активном сопротивлении обмотки. На рисунке видно, что напряжение на емкости появляется только при проводящем состоянии диода. Нагрузкой, изображенной на рисунке сопротивлением, является ускоряющее устройство, в котором протекает ток электронов или ионов. Напряжение на сопротивлении при отрицательном полупериоде на трансформаторе начинает падать (со скоростью, определяемой величиной емкости (а следовательно, уменьшается и энергия ускоряемых частиц). Падение его продолжается до следующего положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

а

б

Рис.3. Однополупериодная схема выпрямления (а) и зависимость напряжения на выходе от времени (б)

Чем больше величина сглаживающей емкости, тем меньше колебания выпрямленного напряжения, и соответственно меньше энергетический разброс ускоренных частиц. Вторая схема, показанная на рис.4, двухполупериодная, т.е. при одном полупериоде работает одна обмотка, при другом — другая. 15

А.В. Шальнов

Если нагрузка током такая же, как на предыдущей схеме, то это означает, что колебания выпрямленного напряжения меньше, и разброс в энергии ускоренного пучка будет меньше. Кроме того, и энергия ускоренного пучка будет больше во второй схеме.

Рис.4. Двухполупериодная схема выпрямления

А как в принципе можно увеличить энергию ускоренного пучка? Нужно увеличить число каскадов, как это изображено на двух следующих рисунках. На рис.5 показан несимметричный каскадный генератор, на рис.6 — симметричный. Каждая емкость в каскаде заряжается последовательно, и в результате энергия на выходе таких схем будет равна напряжению вторичной обмотки трансформатора, умноженному на число каскадов. Кроме того, интуитивно понятно, что симметричный каскадный выпрямитель будет менее зависим от падения напряжения, чем несимметричный, подобно тому как двухполупериодная схема выпрямления менее зависит от тока нагрузки, чем однополупериодная. Детальные объяснения этому можно найти, просмотрев соответствующую литературу [1]. С помощью каскадных генераторов были получены максимальные напряжения 5 МВ, а следовательно, энергии в 5 МэВ, но это цифры рекордные. Большинство же ускорителей такого типа имели энергию 1,5 МэВ. Следующим линейным ускорителем высоковольтного типа был ускоритель, использующий другой принцип получения высокого потенциала, а именно, перенос заряда к высоковольтному электроду с помощью транспортировки его на ленте. По традиции тех времен он получил название по имени создателя — это генератор Ван-деГраафа. 16

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рис.5. Каскадный выпрямитель несимметричный

Рис.6. Каскадный выпрямитель симметричный

На рис.7 показана схема генератора Ван-де-Граафа или, как его называют по-современному, — электростатического ускорителя. Заряд от зарядного устройства 1 подается на ленту из изолирующего материала. Лента 2 приводится в движение электромотором 11 и транспортирует заряд к высоковольтному электроду 4. Заряд снимается специальным устройством 3 и распределяется на высоковольтном электроде. Высоковольтный электрод соединен с источником заряженных частиц 7, который инжектирует электроны или ионы в вакуумированную ускорительную трубку 8. Ускоренные частицы 10 выводятся из трубки. Генератор Ван-де-Гаафа обладает уникальной стабильностью энергии ускоренных частиц — до 0,01 %. Особенностью ускорителя является то, что одна часть ускорителя вакуумируется, а другая заполняется изолирующим газом под давлением для повышения электрической прочности. Как видно инжектор частиц находится под высоким напряжением. Для замены источника приходится весь ускоритель разбирать. 17

А.В. Шальнов

Рис.7. Электростатический ускоритель: 1 — зарядное устройство; 2 — зарядная лента; 3 — устройство для снятия заряда с ленты; 4 — высоковольтный электрод; 5 — изолятор, поддерживающий высоковольтный электрод с делителем напряжения для равномерного распределения напряжения; 6 — наружный кожух; 7 — источник заряженных частиц; 8 — ускорительная вакуумированная трубка; 9 — область под давлением; 10 — вывод частиц; 11 — электрометр

Высокая стабильность энергии привела к изобретению высоковольтного ускорителя с перезарядкой, хотя при этом существенно уменьшается интенсивность ускоренного пучка. Схема ускорителя с перезарядкой показана на рис.8. Из источника, расположенного при потенциале земли, инжектируются отрицательные ионы водорода, которые ускоряются по направлению к высоковольтному электроду, имеющему положительную поляр18

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

ность. Проходя через канал в вакууме, ионы попадают в камеру перезарядки, где в результате столкновений с атомами разряженной мишени (обычно газовой) отдают два электрона и далее ускоряются вновь, двигаясь к заземленному электроду, получая в результате удвоенную энергию. В принципе, ускоряя таким способом многозарядные ионы и производя перезарядку многократно, можно было бы существенно увеличить энергию. Такие схемы не применялись, по-видимому, из-за очень сильного уменьшения интенсивности при перезарядке.

Рис.8. Электростатический ускоритель с перезарядкой: 1 — источник отрицательных ионов; 2 — ускорительная трубка; 3 — крепление высоковольтного электрода; 4 — высоковольтный электрод; 5 — камера перезарядки; 6 — мишень

Завершая раздел о высоковольтных ускорителях, остановимся на используемых в них двух элементах. Оба эти элемента представляют собой источники заряженных частиц. Надо отметить, что они для высоковольтных (и вообще для линейных ускорителей) являются достаточно несложными элементами, поскольку размещаются свободно, в начале движения ускоряемых частиц. На рис.9 изображена простейшая электронная пушка. Она состоит из катода, фокусирующего электрода и анода. К катоду прикладывается отрицательное напряжение. Фокусирующий электрод присоединяют к катоду и придают ему форму, которая способствует сжатию пучка. На аноде потенциал земли, поскольку дальнейшая часть ускорителя также находится под этим потенциалом. 19

А.В. Шальнов

Рис.9. Простейшая электронная пушка: 1 — катод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — анод — извлекающий электрод

Источники ионов очень многообразны по типу получаемых ионов, по знаку и величине заряда, по способу получения ионов. На рис.10 приведем в качестве примера источник с осциллирующими электронами (типа Пеннинга). Ионизация рабочего газа производится электронами, испускаемыми подогревным катодом. В разрядной камере создается продольное магнитное поле, которое заставляет электроны, стремящиеся к аноду, двигаться по спиральным траекториям, что увеличивает количество производимых ими актов ионизации. Извлечение образовавшихся ионов осуществляется через отверстие в одном из катодных электродов. От источника можно получить токи ионов в несколько десятков микроампер. В источниках с осциллирующими электронами можно также производить прямое испарение в разрядную камеру твердого вещества при температурах 600-1200 °С либо галогенизацию нагретых окислов или атомарных материалов. Типичное значение извлекаемого тока в результате использования таких процедур – до нескольких сотен микроампер (см. табл.1). 20

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рис.10. Источник типа Пеннинга: 1 — катоды — полюсные наконечники; 2 — анод; 3 — постоянный магнит; 4 — изолятор; 5 — извлекающий электрод; 6 — отверстие для выхода ионов; 7 — подача газа; 8 — магнитопровод Таблица 1 Основные параметры высоковольтных линейных ускорителей Тип ускорителя (частицы) Каскадный (электроны, протоны) Электростатический (протоны) Перезарядный электростатический (протоны)

Энергия, МэВ 0,5-4

Средний ток, мА ~1

Энергетический разброс, % ~1

0,1-10

10-з-10

до 0,01

8-30

10-з-0,1

до 0,01

Высокочастотные Значительно позднее высоковольтных линейных ускорителей появились высокочастотные. 21

А.В. Шальнов

Их появление связано с развитием мощных высокочастотных генераторов, применяемых в радиолокации — магнетронов и клистронов больших мощностей. Эти приборы работают в импульсном режиме, т.е. вслед за импульсом высокочастотной мощности следует интервал времени, когда мощность отсутствует. Поэтому и ускоренный пучок имеет импульсный характер, причем структура пучка выглядит, как показано на рис.11. Изображена она условно, так как число периодов высокочастотного поля в импульсе значительно больше, так же, как и интервалы между импульсами. Ускоряемые частицы изображены в виде последовательности сгустков. Показанные на рис.11 сгустки частиц все время находятся в ускоряющем поле, поэтому все более и более ускоряются. На самом деле, такие сгустки группируются полем в процессе ускорения. Этот процесс мы рассмотрим несколько позднее.

Рис.11. Продольная составляющая Ez высокочастотного поля в зависимости от времени и соответствующие сгустки заряда q пучка

Ускорение происходит под действием электрического поля высокой частоты, которое либо распространяется в волноводе (бегущая волна), либо приложено к системе электродов (стоячая волна). Это позволяет получить высокую энергию ускоряемых частиц в установках, где нет столь высоких потенциалов, как в линейных высоковольтных ускорителях, рассмотренных ранее. 22

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

В линейных ускорителях электронов используются волноводы — главным образом, диафрагмированный волновод. Он выполнен в виде трубы круглого сечения, по длине которой располагаются диафрагмы с круглыми отверстиями на оси для пролета электронов. В волноводе создается бегущая электромагнитная волна, которая имеет максимум электрического поля на оси, т.е. в центре волновода. Для изменения скорости волны изменяется частота расстановки диафрагм и размер отверстия в диафрагме. Схематически начальный участок диафрагмированного волновода изображен на рис.12.

Рис.12. Начальный участок линейного ускорителя электронов с бегущей волной: 1 — инжектор электронов; 2 — ввод высокочастотной мощности; 3 — диафрагмированный волновод; 4 — фокусирующая катушка; 5 — продольный компонент электрического поля

23

А.В. Шальнов

Волна имеет специфическую структуру, и напряженность электрического поля по оси z изменяется с расстоянием. Волна, бегущая вдоль оси z, также изображена на рис.12. Так как она ускоряется, то расстояние между максимумами поля возрастает. При движении волны ускоряться будут лишь те электроны, которые имеют скорость, равную скорости волны. Так как значение напряженности поля зависит от координат z, то разные электроны, в зависимости от их расположения на волне будут получать разную энергию. Геометрия диафрагмированного волновода (расстояние между диафрагмами и диаметр отверстия в диафрагмах) подбирается таким образом, что скорость волны в точности равна скорости одного ускоряемого электрона, называемого равновесным. На рис.12 он обозначен буквой b. Электрон а, отстающий от равновесного, попадает в большое электрическое поле и, получая большую энергию, начинает догонять, а затем и обгонять равновесную частицу. Частица с, расположенная на рисунке справа от равновесной, находится под действием меньшего поля и начинает отставать от волны. Происходят так называемые фазовые колебания, т.е. колебания вокруг равновесной частицы, так как она жестко зафиксирована в некоторой равновесной фазе, в то время как частицы с индексами а и с будут, меняя расположение относительно волны, получать то большую, то меньшую энергию. Естественно, что колебания будут стабильными не для всех частиц, а будет существовать фазовая область, в которой группа частиц будет двигаться в среднем синхронно с бегущей волной. Для этой группы частиц энергия на выходе будет примерно одинакова:

E кин = eε cos ϕL ,

(4)

где ε — напряженность поля, е — заряд электрона, ϕ — фаза частицы относительно волны, L — длина ускоряющего волновода. Таким образом, энергия определяется напряженностью поля ε, которое ограничивается пробивной напряженностью поля и пропорционально пройденной длине L ускорителя. Конечно, для получения очень больших энергий, длина ускорителя будет большой. Выходящим из источника электронам стремятся обеспечить лишь небольшую скорость в радиальном направлении vr путем фо24

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

кусировки при формировании пучка. Однако этой меры может оказаться недостаточно. Чтобы этого избежать, в начальной части ускорителя на диафрагмированном волноводе располагают катушку, создающую продольное магнитное поле Н. Оно превращает траекторию электронов в спираль c радиусом r = mvzc/eH, причем шаг спирали увеличивается с ростом энергии электронов. Таким образом, после прохождения расстояния порядка 1 м вдоль ускоряющего волновода продольная скорость vz электронов увеличивается настолько, что угол расходимости пучка (~ vr/vz) становится очень малым и фокусировку можно прекратить. Расходимость пучка по мере ускорения электронов все меньшую роль играет. В заключение следует отметить, что кроме диафрагмированных волноводов для линейных ускорителей электронов были предложены и другие ускоряющие структуры. Но, несмотря на несколько большую их эффективность, из-за сложности их конструкции и большей стоимости практического применения они не нашли. Диафрагмированные волноводы, оказавшиеся достаточно эффективными и экономически выгодными для электронов, стали вне конкуренции. Этому способствовало также то обстоятельство, что электрон — частица легкая и быстро достигает скорости, близкой к скорости света, при которой ускорение является наиболее эффективным. Для ускорителей ионов величина скорости при инжекции значительно меньше, поэтому диафрагмированный волновод неприменим. Для наиболее легких ионов — протонов, инжектируемых при достижимой энергии порядка 1 МэВ, относительная скорость равна v β = ≅ 0,04 . Значительно более эффективными при таких и более c высоких скоростях являются ускорители с трубками дрейфа. В таких ускорителях после достижения указанной выше энергии ионы направляются в основной резонатор с трубками дрейфа, показанный на рис.13 в упрощенном виде. Принцип работы этого ускорителя следующий. В отличие от предыдущего волноводного ускорителя, здесь создается поле стоячей волны типа Е010 с максимумом электрической составляющей поля на оси резонатора. Индексы у типа волны здесь означают следующее — первый характеризует число вариаций по длине ре25

А.В. Шальнов

зонатора, второй — по радиусу и третий — по угловой координате. Таким образом, электрическое поле максимально на оси резонатора, где ускоряются ионы, и не изменяется по радиусу резонатора. Ионы получают энергию, двигаясь между трубками дрейфа, когда поле в резонаторе направлено по движению ионов. Когда же через половину периода, соответствующему частоте генератора, поле изменяет знак на обратный, ионы «прячутся» от его замедляющего воздействия в металлических трубках дрейфа. Под дрейфом понимается движение в отсутствие электрического поля. Как только высокочастотное поле изменяет свою полярность, ионы вновь появляются в следующем промежутке между трубками дрейфа. Так как скорость ионов увеличивается, возрастают и длины трубок дрейфа, как это видно на рис.13. Кроме экранирования трубки дрейфа используются и для фокусировки ионов. Для этого трубки дрейфа изготавливают не из сплошного металла, а с полостью, где можно разместить фокусирующее устройство — обмотку из провода, создающую магнитное поле, подобно тому, как это было сделано для линейных ускорителей электронов.

Рис.13. Резонансный ускоритель ионов с трубками дрейфа: 1 — инжектор ионов; 2 — резонатор; 3 — ввод высокочастотной мощности; 4 — трубки дрейфа; 5 — ускоряющее поле

Длина резонатора, в зависимости от энергии, составляет несколько метров, а радиус порядка метра. Это связано с тем, что 26

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

длина волны питающего генератора находится в диапазоне метровых волн в отличие от десятисантиметровых для электронных ускорителей. Такие ускорители используются как самостоятельные установки, либо в качестве инжекторов в большие циклические ускорители, либо как составные части коллайдеров (см. раздел, посвященный этим установкам). Энергии ускоряемых ионов в зависимости от назначения составляют от нескольких десятков до нескольких сотен МэВ. В первом случае их длина достигает десятков метров, а в других случаях до сотен метров. При очень больших энергиях изменяются и ускоряющие системы, так как скорость ионов достигает больших величин, и структуры на волне Е010 перестают быть эффективными. Линейные ускорители получили широкое применение для промышленных целей, медицины, биологии и других областей науки и техники. Этому способствует простота ускорителя, обеспечивающая большой захват в режиме ускорения от источника, а также простой вывод без серьезных потерь. Кроме того, имеет место высокий коэффициент преобразования высокочастотной мощности в мощность пучка. Именно эти свойства привели к созданию линейных ускорителей длиной в десятки и даже сотни метров. Типичные параметры линейных ускорителей приведены в табл.2, 3 и 4. Таблица 2 Параметры линейных ускорителей для промышленных и других применений на малые энергии Ускоритель, страна ЛЭУ 8-5В, Россия ML — 15R, Япония «Сакле» Франция

Энергия, МэВ

Импульсный ток, мA 1000

Длина волновода, м 2,5

Импульсная ВЧ-мощность, число источников х мощность, МВт 1х9

8 12

100

3

1х5

10

50

1,22

2

Примечание: во всех случаях волна бегущая, частота ~ 3000 МГц.

27

А.В. Шальнов Таблица 3 Линейные ускорители на большие энергии Место установки Харьков Украина Стенфорд США Орсэ Франция

Энергия, ГэВ

Ток в импульсе, мА

Число секций 50

Общая длина, м 250

Число источников х мощность каждого, МВт 50 х 20

2

24

20

76

96

3050

240 х 21

2,3

60

38

360

22 х 20 + + 16 х 25

Частота питания 3000 МГц. Таблица 4 Параметры ускорителей протонов с дрейфовыми трубками Ускоритель, место установки

Энергия МэВ

Импульсный ток, мА

Частота, МГц

Длина, м

Длительность импульса, мкс

Частота повторения импуль -1 сов, с

ИФВЭ, Серпухов Россия Лаборатория Ферми, Батавия, США

100

100

148,5

~ 80

10-40

0,1-1

200

90-300

201,25

~ 145

100

15

5. ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ

Начнем этот раздел с двух комментариев. Ранее мы познакомились с линейными ускорителями. Вдруг появляется раздел о циклических. Попробуем разобраться в этом. Во-первых, какие из них лучше? Лучше те, которые удовлетворяют каким-то специфическим требованиям к стоимости, размерам, типу ускоряемых частиц, их энергии, интенсивности пучка на выхо28

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

де, возможности регулировки этих параметров, удобству использования при решении поставленных задач. Надо заметить, что оба типа ускорителей применяются довольно давно, хотя линейные были созданы несколько раньше. Потребности в повышении энергии были постоянно велики, и идеи о том, как построить установки с большей энергией, возникли почти одновременно. Так, принцип реализации линейного ускорителя был выдвинут Ван-де-Граафом (электростатический ускоритель), Кокрофтом и Уолтоном (каскадный генератор) практически одновременно в 1931 г. С предложением о том, как сделать циклический резонансный ускоритель (циклотрон), выступил Лоуренс в том же году, а чуть позже, в 1940 г. Керст предложил нерезонансный индукционный ускоритель (бетатрон). Во-вторых, уже в настоящее время оказалось, что оптимальным решением может быть использование сочетания линейного и циклического ускорителей. Поэтому современные гигантские установки на высокие и сверхвысокие энергии состоят из ускорителей обоих типов. Конечно, в таком «смешанном» типе установки используются положительные характеристики каждого из них. Как правило, линейный ускоритель служит инжектором для большого циклического. Вернемся на некоторое время к линейному ускорителю простейшего типа — высоковольтному. В нем частицы приобретают энергию, проходя некоторую разность потенциалов. Эта энергия равна произведению заряда на пройденную разность потенциалов на пути от инжектора до выхода. А нельзя ли как-то изловчиться и использовать эту разность потенциалов не один, а несколько раз. Тогда общая энергия будет пропорциональна пройденной в ускоряющем зазоре разности потенциалов и умноженной на число таких прохождений (см. формулу (2′)). А если число таких прохождений будет велико, то велика будет и конечная энергия, а ускоритель будет компактным. Поворот в движении ускоряемой частицы можно обеспечить воздействием на нее магнитным полем. Такая простенькая схема изображена на рис.14. Частицы проходят через ускоряющий зазор, образованный двумя пластинами конденсатора. Естественно, что в пластинах этого конденсатора имеются отверстия для пролета частиц. Энергия, полученная при одном прохождении, будет равна заряду частицы, умноженному на разность потенциалов между пла29

А.В. Шальнов

стинами конденсатора. Далее частица движется в однородном магнитном поле, на нее действует сила Лоренца. Она движется по окружности, радиус которой определяется равенством центробежной и центростремительной сил,

mv 2 = evB , R

(5)

откуда получаем

ω=

v eB eBc 2 = = R m E

R=

mv P βE = = , eB eB eBc

и

где m — масса частицы, е — заряд частицы, v — скорость частицы, v Е — энергия частицы, β = — относительная скорость частицы, c с — скорость света, ω — циклическая частота обращения частицы, R — радиус окружности, Р — импульс.

Рис.14. Движение заряженной частицы в магнитном поле: 1 — конденсатор, 2 — индукция магнитного поля, 3 — вектор скорости частицы, 4 — сила Лоренца

30

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Формулу (5) часто используют в виде β E = 300BR ,

(6)

где Е выражена в мегаэлектрон-вольтах, В — в теслах, R — в метрах. Завершив движение по окружности, частица вновь попадает в ускоряющее поле конденсатора, пролетает через отверстия в нем и опять ускоряется. Однако это описание не верно. Вспомним, что движение происходит в потенциальном поле. Поэтому при вторичном подходе к конденсатору частица затормозится до своей первоначальной энергии. Как усовершенствовать эту схему, чтобы все-таки получился эффект увеличения энергии при каждом прохождении? Что нужно сделать? Нужно вместо конденсатора применить резонатор, т.е. закрыть окружающее пространство от действия электрического поля. А в сам резонатор, внутри которого, естественно, не может существовать статическое электрическое поле, подать высокочастотную энергию. Частота ее должна быть такой, чтобы во время следующего прохождения частицей зазора поле было бы вновь ускоряющим. В простейшем случае период поля должен быть равен периоду обращения частицы или кратен этой величине. На таком принципе построена работа микротрона, предложенного академиком В.И. Векслером. Ускорители со сплошным магнитом

Микротрон

Условием нормальной работы микротрона является возвращение электрона в зазор резонатора при ускоряющем напряжении. При этом частица, находящаяся в равновесной фазе ϕс (рис.15), будет называться равновесной, так же, как это было в линейном ускорителе, а частицы в некоторой окрестности будут совершать фазовые колебания относительно нее. Так как магнитное поле в магните микротрона однородно, то при увеличении энергии радиус, по которому двигаются частицы, будет возрастать (см. [1]) и время возвращения частиц к резонатору увеличивается на один период, как это следует из рис.15. Обозначим кратность на k-м обороте че31

А.В. Шальнов

рез qk, а на следующем qk+1. Тогда при частоте обращения ω0 имеем

eBc 2 ω0 = для k-го оборота; Er qk ω0 eBc 2 = для k + 1 оборота, (Ek + eU cos ϕc ) qk + 1 здесь U — ускоряющее напряжение; Еk — энергия при k-м обороте; ω0 — частота обращения; В — магнитная индукция; е — заряд электрона; с — скорость света.

cosϕс

ϕс

Рис.15. Устройство и принцип работы микротрона: 1 — полюс магнита, 2 — ускоряющий резонатор, 3 — траектории электронов, 4 — последовательное изменение фазы равновесной частицы в микротроне при прохождении через ускоряющий зазор резонатора

32

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Отсюда получаем

cos ϕc =

eBc 2 ω0eU

или, вводя длину волны ускоряющего напряжения λ0, получим

cos ϕc =

Bλ 0c . 2πU

Для существования равновесной фазы cos ϕc < 1 очевидно, что даже при напряжении 1 МВ нужно применять высокочастотное поле с длиной волны λ0 < 10 см, а магнитное поле должно быть небольшим: В = 0,1 – 0,2 Тл, т.е. размеры магнита для достижения максимальной энергии должны быть достаточно велики. Отсюда же следуют ограничения на достижимую энергию в несколько десятков МэВ при радиусе последней орбиты порядка метра. В конце ускорения электроны последней орбиты попадают в магнитный канал и выводятся из микротрона на мишень. Циклотрон

Циклотрон — это ускоритель ионов (от протонов до более тяжелых ионов) с постоянным во времени магнитным полем и постоянным ускоряющим напряжением. Главная особенность циклотрона – это высокая интенсивность ускоренного пучка ионов, что связано с упомянутыми постоянными параметрами ускорителя. Ускоритель (рис.16) состоит из электромагнита с обмотками, расположенными на полюсах наконечников, вакуумной камеры, ускоряющей дуантной системы и источника ионов. Ускоренный пучок выводится с последней орбиты с помощью напряжения, приложенного к выводящим пластинам. Дуантная система состоит из двух дуантов и их держателей. Дуанты представляют собой, как образно выразился один из физиков, пустую коробочку из-под гуталина, разрезанную пополам и раздвинутую для получения зазора. Один из дуантов для наглядности показан на рис.17 под номером 2. 33

А.В. Шальнов

Рис.16. Схема циклотрона: 1 — магнит (в нижней проекции разрезан); 2 — обмотка магнита; 3 — вакуумная камера; 4 — держатели дуантов; 5 — дуанты; 6 — источник ионов

34

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рис.17. Комментарии к циклотрону: 1 —траектории ионов в циклотроне (а — система вывода ускоренных ионов); 2 — изображение дуанта; 3 — скольжение ускоренного иона по фазе ускоряющего поля

Дуанты представляют собой емкостную часть контура колебательной системы, а их держатели — индуктивную. Высокочастотный генератор возбуждает дуантную систему. Ионы ускоряются электрическим полем, между дуантами. Источник ионов помещается в центре вакуумной камеры. Ионы двигаются по спиральным траекториям, получая энергию от электрического поля в зазоре 35

А.В. Шальнов

между дуантами. Далее они экранизируются дуантами, изготовленными из меди. При этом магнитное поле заворачивает ионы вновь к зазору, где они снова получают энергию, но уже двигаясь в противоположном направлении. Для осуществления этого половина оборота должна происходить за полупериод ускоряющего поля. С конечного радиуса ионы выводятся из вакуумной камеры с помощью канала, экранизирующего их от магнитного поля (см. рис.17, номер 1). Частота высокочастотного поля постоянна и определяется формулой

ω=

eBc 2 . E

(7)

Радиус траектории частиц в магнитном поле определяется соотношением

#=

2 −  02  ŤţŠŢ , 0.

(8)

где  ŤţŠŢ — полная энергия; E 0 — энергия покоя иона. Кинетическая энергия, приобретаемая при каждом прохождении, E кин = 2ZeU , где U — напряжение, Ze — заряд ускоряемого иона. Полная кинетическая энергия определяется числом оборотов иона за все время ускорения. В соответствии с изменением энергии изменяется и частота обращения иона, но так как частота ускоряющего поля постоянна, то это приводит к скольжению иона по фазе ускоряющего поля. Это скольжение не должно приводить к тому, чтобы частицы оказались в замедляющем полупериоде ускоряющего поля. Поэтому в циклотроне движение иона — скользящее по фазе, и максимальную энергию ион получит, если будет смещаться по ускоряющему полю, как показано на рис.17. В связи с этим предельная энергия в циклотроне ограничена сверху. Кроме того, требуется достаточно высокое напряжение на дуантах. Фазотрон (синхроциклотрон)

Схема фазотрона подобна схеме циклотрона, но отличается лишь тем, что частота ускоряющего напряжения изменяется с час36

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

тотой обращения частиц. Приведем еще раз формулу (7) для частоты обращения частиц

eBc 2 ω= E

. Поскольку величина В прак-

тически постоянна, то изменение Е в циклотроне приводило к скольжению ускоряемых ионов по фазе относительно ускоряющего напряжения и к ограничению полученной энергии. Так как энергия частиц возрастает, то нужно уменьшать величину  ω, т.е. частоту генератора, питающего ускоряющую систему. Обеспечение синхронизма движения ионов с частотой ускоряющего поля позволяет получить большую энергию. Естественно, что при этом платой за увеличение энергии является уменьшение интенсивности (тока) ускоряющих частиц по сравнению с циклотроном. Причина этому — во время цикла ускорения может быть ускорена только группа частиц, совершающих фазовые колебания относительно равновесной частицы. Первая часть названия «Фазотрон» содержит утверждение о том, что сохраняется фаза равновесной частицы, вторая — «синхроциклотрон» означает, что в отличие от циклотрона частота изменяется синхронно с частотой обращения равновесной частицы. Для того, чтобы изменять резонансную частоту дуантного контура, параллельно емкостной его части присоединяется дополнительный конденсатор, емкость которого изменяется во времени и обеспечивает равенство частоты генератора и частоты обращения ускоряемых частиц. Бетатрон

Выше мы рассмотрели схемы циклических ускорителей, особенностью которых был сплошной магнит с постоянным во времени магнитным полем, т.е. микротрон, циклотрон и фазотрон. Есть, однако, еще один ускоритель, в котором магнитное поле создается на большой площади (внутри некоторого круга, конечный радиус которого равен радиусу орбиты частиц при максимальной энергии) — это бетатрон. В микротроне, циклотроне и фазотроне есть высокочастотные генераторы и выдерживаются определенные условия для генераторов, создающих ускоряющее поле. Для бетатрона таких требова37

А.В. Шальнов

ний нет, так как высокочастотные генераторы здесь просто не применяются. Таким образом, бетатрон это ускоритель со сплошным магнитом, но ускоритель нерезонансного типа. Бетатронный принцип ускорения состоит в том, что если магнитный поток, пронизывающий замкнутую орбиту — например кольцевую, изменяется во времени, то на самой орбите возникает ускоряющее электрическое поле. Бетатрон можно сравнить с трансформатором. В обычном трансформаторе магнитный изменяющийся поток наводит электродвижущую силу во вторичной обмотке. Здесь же вторичной обмоткой является поток электронов, движущихся в вакуумной камере. Разница эта существенна, так как в обычном трансформаторе и в первичной, и во вторичной обмотках электроны двигаются в металле. Поэтому использовать для бетатрона давно разработанную теорию трансформаторов не представляется возможным.

Рис.18. Схематическое изображение бетатрона (разрезанного поперек): 1 — магнитопровод, 2 — обмотки электромагнита, 3 — кольцевая вакуумная камера, 4 — цилиндрический полюсный наконечник, 5 — замкнутая орбита электронного пучка (аналог вторичной обмотки трансформатора)

Величина ускоряющего поля, действующего на орбите в бетатроне (рис.18), невелика. Поэтому для достижения полной энергии электрон делает много оборотов. И еще одно замечание. Для того, чтобы электроны двигались по окружности одинакового радиуса при ускорении вихревым полем, необходимо выполнение определенного соотношения между индукцией, создающей ускоряющее 38

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

поле и расположенной внутри орбиты, и магнитной индукцией на самой орбите. Оно так и называется — бетатронное условие, или условие 2:1 и записывается в виде

B = 2Bорб . Средняя магнитная индукция внутри орбиты должна быть вдвое больше, чем на орбите. Пучок из бетатрона вывести достаточно сложно, поэтому в конце ускорения он направляется на мишень (нарушается бетатронное условие) и создается тормозное излучение – оно и используется. Завершая раздел о циклических ускорителях со сплошными магнитами, отметим их основной недостаток — сильно увеличивающийся вес с ростом энергии. Поэтому интерес к ним проявлялся в то время, когда не было альтернативы по величине получаемой энергии. Однако они свое дело на пути изучения строения атома сделали и сейчас работают на медицину, промышленность и т.д. [1]. Таблица 5 Параметры микротронов Место расположения

Энергия, МэВ

Число орбит

15

Диаметр полюса, см 75

ИФП Москва ОИЯИ Дубна ФИАН Москва

17

Ток в импульсе, мА 35

Вес магнита, т 0,9

32

110

30

50

5

7

60

10

110

2 Таблица 6

Параметры мощного циклотрона Место расположения Окридж США

Энергия протонов, МэВ 22

Диаметр полюса, м 2,18

Ускоренный ток, мА 1

39

Магнитное поле, Гс 8700

Напряжение на дуантах, кВ 400

Частота, МГц 13,4

А.В. Шальнов Таблица 7 Фазотроны Место расположения ОИЯИ Дубна Калифорнийский университет США Чикагский университет США

Диаметр полюса магнита, м 6

Энергия протонов, МэВ 680

Магнитное поле, Гс 17.000

Средний ток, мкА 0,3

Вес магнита, т

4,66

350

15.000

0,75

4.300

4,32

450

18.600

0,1

2200

7000

Таблица 8 Бетатроны Место расположения

Энергия, МэВ 7-25

Мощность дозы излучения электронов, Р/мин 300

Мощность дозы рентгеновского излучения, Р/мин 40

Мощность питания, кВт 20

Б 525 М Россия Сименс Германия

6-42

500

100

200

Место расположения Чикагский университет США

Энергия, МэВ 315

Диаметр орбиты

Импульсный ток, А 1-3

Вес магнита, т 275

2,44

Примечание. Поскольку бетатроны используются в основном для медицинских целей и просвечивания материалов с целью нахождения дефектов, то у серийных ускорителей не указывается значение тока, а дается мощность дозы в рентгенах в минуту — более важная характеристика для упомянутых применений.

40

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Циклические ускорители с кольцевым магнитом

Уже в разделе о линейных ускорителях мы упоминали о том, что для фокусировки частиц в них используется продольное магнитное поле. Ну там все было ясно — апертура у них небольшая и даже малое отклонение от оси могло вызвать потерю частиц. Далее перешли к циклическим ускорителям, и здесь особого беспокойства проблема не вызывала. В самом деле, в микротроне электрон быстро становится тяжелым из-за относительно большого прироста энергии за оборот, поэтому небольшая расходимость пучка при инжекции почти моментально становится незаметной. Два других ускорителя (циклотроны и фазотроны), имели настолько большие размеры вакуумных камер, что интуитивно казалось, никаких проблем в таких больших пространствах и возникнуть не может. И, наконец, бетатрон. Вот у этого ускорителя появилась кольцевая камера, в которой ускоряются электроны. Мало того, упоминалось, что прирост энергии за оборот оказывается не очень большим. А как же электроны удерживаются в радиальном и вертикальном направлениях от взаимодействия со стенками вакуумной камеры? А очень просто! Оказывается, спадающее по радиусу магнитное поле удерживает частицы и в вертикальном, и горизонтальном направлениях. На рис.19 показано сечение части магнита бетатрона и силовые линии магнитного поля в межполюсном пространстве. Равновесный радиус, соответствующий центру вакуумной камеры, обозначен R0, показаны координаты r и z, компоненты магнитного поля В r и Bz и направление скорости движения электронов v. На равновесном радиусе R0, расположенном в средней плоскости, выполняется условие (5) — равенство центробежной силы и силы Лоренца. Если сместиться выше или ниже средней плоскости по оси z, то на электрон действует возвращающая сила магнитного поля vB r . То же самое происходит при отклонении по оси r, но несколько сложнее, так как нужно учесть еще и центробежную силу. Именно эти две поперечные силы и обеспечивают устойчивость движения по осям r и z. Для математического расчета движения используется показатель спада магнитного поля, определяемый как

n=−

r dB . B dr 41

(9)

А.В. Шальнов

Рис.19. Изображение полюсных наконечников и силовых линий магнитного поля бетатрона

Если n > 0,5, то радиальное колебание больше по амплитуде, чем вертикальное, поэтому область движения частиц имеет форму эллипса. Именно так и делают камеру, чтобы уменьшить сопротивление воздушного зазора магнитному полю и мощность, потребляемую магнитом. Теперь вернемся к кольцевому магниту. Если теперь использовать кольцевую камеру и создать каким-то способом ускоряющее поле, то можно будет создавать магнитное поле кольцеобразного вида. Такие ускорители и будут называться кольцевыми. Они сооружаются на высокие энергии главным образом для ускорения ионов. Они называются синхрофазотронами. В последнее время их стали называть синхротронами. 42

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Первоначально название «синхротрон» использовалось для ускорителей электронов, в которых частота ускоряющего напряжения не изменялась, так как использовались высоковольтные инжекторы и скорость электронов с самого начала близка к скорости света.

Рис.20. Схема кольцевого ускорителя: 1 — инжектор (линейный ускоритель); 2 — инфлектор; 3 — ускоряющий резонатор; 4 — кольцевой магнит с вакуумной камерой; 5 — устройство для вывода пучка

Схематическое изображение кольцевого циклического ускорителя показано на рис.20. Для обеспечения нужной энергии в качестве инжектора используют либо линейный, либо циклический ускоритель. Далее следует устройство для ввода частиц на орбиту — инфлектор. Обычно это две пластины, к которым на время инжекции — заполнения кольца вводимыми частицами для дальнейшего ускорения — подается импульсное напряжение. Далее — ускоряющий высокочастотный резонатор для увеличения энергии частиц. Условно вместе изображены кольцевой магнит с вакуумной камерой. И, наконец, дефлектор — устройство, выводящее уско43

А.В. Шальнов

ренные частицы, — осуществляет операцию обратную той, которую производил инфлектор. Далее на рис.21 изображены схематически две магнитные системы — полое кольцо и кольцо с прямолинейными промежутками, свободными от магнитного поля. Второй тип кольцевых ускорителей применяется чаще, так как в промежутках можно разместить все те устройства, о которых говорилось выше, при описании предыдущего рисунка. Это значительно удобнее, так как очень облегчает все процессы.

Рис.21. Полый кольцевой магнит (1) и кольцевой магнит с прямолинейными промежутками (2)

На рис.22 показаны сечения электромагнитов: одно С-образного типа, другое Н-образного типа с размещением камеры, обмоток электромагнита.

Рис.22. Сечение С-образного магнита (I) и сечение Н-образного магнита (II): 1 — вакуумная камера, 2 — магнит, 3 — обмотка магнита

44

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Во всех упомянутых кольцевых ускорителях, естественно, изменяется магнитное поле во времени, но радиус, по которому движутся частицы, постоянный. Оно изменяется в соответствии с известным законом (6)

B=

βE . 300R

При β → 1, индукция меняется пропорционально энергии, т.е. линейно. Второй параметр, который изменяется — частота ускоряющего поля. Хорошо бы, чтобы ускорение происходило с самого начала при релятивистской инжекции. Однако это не совсем так, хотя в каскадных усилителях, когда имеется инжектор (как правило, линейный ускоритель), затем один или несколько кольцевых для увеличения энергии, — все равно, β ≠ 1! Так как эффективность ускоряющего резонатора зависит от его добротности, то необходимо учитывать, что резонансную частоту приходится изменять. Это достигается помещением внутрь резонатора феррита, который изменяет свои свойства при подмагничивании. Таким образом, из двух величин, определяющих резонансную частоту, изменяется индуктивность. Это нормально, так как в этом случае остается постоянной емкость, в которой и ускоряются частицы. Впоследствии оказалось, что по мере увеличения энергии даже кольцевые ускорители оказываются слишком дорогими. Но, как всегда, находится новая идея, которая все-таки позволяет увеличить энергию. Об этом мы будем рассуждать в следующем разделе.

45

А.В. Шальнов Таблица 9 Сравнительные данные синхрофазотронов Место расположения

Энергия, ГэВ

Начальная энергия протонов, МэВ 9

Вес магнита, т

Время ускорения, с

10

Средний радиус орбиты, м 28

36⋅10з

3,3

Прямолинейные промежутки 4×8 м

ОИЯИ Россия Калифорнийский университет США Брукхейвенская национальная лаборатория США Бирмингемский университет Англия

6,2

15,2

9,8

10⋅10з

2

4×6,1 м

3,0

9,2

3,7

1,65⋅10з

1

4×3 м

1,0

4,5

0,46

0,81⋅10з

1

нет

Примечание. Обратите внимание на вес железа магнита — это тысячи тонн, несмотря на то, что кольцевые магниты при том же радиусе траектории намного меньше сплошных. Таблица 10 Сравнительные данные электронных синхротронов Место расположения

Энергия, МэВ

Начальная энергия, кэВ

Радиус орбиты, см

Число импульсов, с

ФИАН им. Лебедева Москва Калифорнийский университет США Массачусетсский технологический институт США

265

80

82,5

50

Средняя интенсивность ускоренного пучка, Р/мин 1/м 10000

322

100

100

6

1000

330

80

100

2-6

180

46

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

6. СИЛЬНАЯ ФОКУСИРОВКА

Дальнейшее движение в сторону больших энергий ускоренных частиц, казалось, было заблокировано огромными расходами на сооружение и эксплуатацию магнитов кольцевых ускорителей. Однако в 1952 г. из этого безвыходного положения Курантом, Снайдером и Ливинстоном был найден выход. Он заключался в следующем. Пусть магниты, определяющие размах колебаний в кольцевом ускорителе, будут выполнены не с одинаковым градиентом магнитного поля, а очень специфическим образом. Они должны быть разбиты на отдельные сектора с одинаковым угловым раствором. Но магнитное поле в них должно отличаться. В половине секторов магнитное поле будет уменьшаться с ростом радиуса, как это было раньше описано, для устойчивости движения. В другой половине магнитное поле будет возрастать с ростом радиуса. Проводя рассуждения относительно сил, возвращающих частицы к равновесной орбите, можно утверждать, что там, где поле спадает, движение будет устойчивым по вертикали, т.е. по оси z, и неустойчивым по горизонтали, т.е. по оси r. Если же в другой половине секторов магнитное поле будет возрастать с ростом радиуса, то это обеспечит устойчивость по оси r. Но одновременно оно будет неустойчивым по оси z. Вроде бы никакой выгоды не должно быть, так как устойчивое движение и неустойчивое движение при одинаковых по азимуту размерах секторов не будет приводить к уменьшению размаха (амплитуды) колебаний в целом. На самом деле, оказывается, работает следующий механизм. Частицы находятся в фокусирующих секторах на большом расстоянии от равновесной орбиты, так как в предыдущем секторе — расфокусирующем — они отклонились от равновесия в большую сторону. Таким образом, сила фокусировки в целом преобладает по сравнению с силой дефокусировки. Естественно, что такая картина будет наблюдаться как в радиальном, так и вертикальном направлениях. На рис.23 приведена качественная иллюстрация физических процессов в ускорителе при движении в знакопеременной магнитной системе, состоящей из последовательно расположенных фокусирующих и дефокусирующих линз.

47

А.В. Шальнов

Рис.23. Простейшая система знакопеременной фокусировки и её оптический аналог с тонкими линзами. Взаимная замена фокусирующих и дефокусирующих линз не изменяя физических свойств транспортировки

Открытие принципа сильной (иногда ее называют жесткой) фокусировки немедленно дало возможность еще более увеличить энергию крупных ускорителей ионов и электронов кольцевого типа. Естественно, что ускорители стали сложнее, поэтому любая попытка привести рисунок такого ускорителя, обречена на неудачу. Основные характеристики синхротронов с сильной фокусировкой приведены в табл.11. Видно (сравни с табл.10), что открытие сильной фокусировки увеличило энергию в десятки раз. Поскольку дальнейшее продвижение по шкале энергий оказывается практически невозможным, то ищутся новые пути разрушения атомного ядра для получения более глубоких знаний о его строении.

48

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ Таблица 11 Характеристики крупнейших синхротронов Местонахождение (название)

Энергия, ГэВ

Средний радиус, м

Энергия инжекции, ГэВ

1/12

1000

150

-1

0,17

1100

14

-1

1/8

236

1,5

60

120

0,3

50

50,4

00,4

50

34,5

0,075

Интенсивность

Частота повторения импульса, -1 с

Протонные синхротроны Национальная лаборатория Э. Ферми Батавия США CЕRN, Женева, Швейцария (SPS) ИФВЭ, Серпухов Россия

13

800

2⋅10

450

3,3⋅10

76

-1

имп

13

имп

13

1,7⋅10

имп

Электронные синхротроны Корнельский университет США Гамбург, ФРГ, (DESY)* Ереван, Армения (АРУС)

11

12

10

7,5

2,5⋅10

6,1

1/с

13

12

5⋅10

1/с

1/с

∗ Используется в качестве инжектора в накопительные кольца для синхронного излучения.

Прощаясь с ускорителями как с установками, дающими экспериментаторам потоки частиц для разрушения атомного ядра непосредственно, приведем два рисунка, иллюстрирующие достижения ускорительной техники, позаимствованные из работы А.И. Сисакяна [3]. На рис.24 приведены значения рекордных энергий, достигнутых на ускорителях в течение нескольких десятилетий. Следует подчеркнуть, что за прошедшие полвека на глазах одного поколения достигнут гигантский прогресс. Мы исключили из графика, приведенного в оригинале, данные, относящиеся к нереализованным пока еще проектам. Но, все равно, энергия частиц за пятьдесят лет 5 возросла в 10 раз. 49

А.В. Шальнов

Рис.24. Увеличение энергии со временем с наименованиями ускорителей и лабораторий: 1 — циклотрон, 2 — синхроциклотрон ОИЯИ, 3 — протонный синхротрон ФИАН (далее ПС), 4 — ПС Брукхейвен, 5 — ПС Беркли, 6 — ПС ОИЯИ, 7 — ПС ИТЭФ, 8 — ПС ЦЕРН, 9 — ПС Брукхейвен, 10 — ПС ИФВЭ, 11 — ПС ЦЕРН, 12 — ПС ТЕВАТРОН

На рис.25 видно, как со временем поднималась энергия каждого типа ускорителя, от каскадного генератора до протонного синхротрона с сильной фокусировкой. Можно видеть, как различные типы ускорителей сменяли друг друга. Как уже неоднократно отмечалось, многие типы производятся до сих пор для различных применений, где их энергия оказалась достаточной [4]. О накопительных кольцах (12) речь пойдет в следующем разделе. 50

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рис.25. Достижения ускорительной техники во времени: 1 — каскадные генераторы, 2 — электростатические ускорители, 3 — циклотрон, 4 — бетатрон, 5 — циклотрон секторный, 6 — протонный линейный ускоритель, 7 — синхроциклотрон, 8 — слабофокусирующий синхротрон, 9 — сильнофокусирующий синхротрон, 10 — электронный линейный ускоритель, 11 — сильнофокусирующий протонный синхротрон, 12 — накопительные кольца

51

А.В. Шальнов

7. ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ

Строительство еще больших кольцевых циклических ускорителей стало слишком дорогим даже для международных организаций, в которых сотрудничают представители многих стран. Следующим этапом развития ускорительной техники в направлении увеличения энергии стали накопительные кольца, в которых реализуется так называемый метод встречных пучков. Метод этот начал развиваться с 1956 г. В том случае, когда происходит столкновение релятивистских частиц, двигающихся навстречу друг другу, то энергия в лабораторной системе координат совпадает с энергией в системе центра масс. Выигрыш в энергии взаимодействия для релятивистских час′ = 2E , где Е — энергия тиц очень велик, и здесь энергия E встреч каждой частицы. Для обычного ускорителя при достижении того же эффекта необходимо иметь эквивалентную энергию, равную E экв ≈ 2E 2 / E 0 E , где 0 — энергия покоя частицы. Для протонов с энергией 100 ГэВ, величина  Ŭşŝ = 2 ⋅ 10 эВ, а для электронов с энергией 5 ГэВ аналогичное значение E экв ≈ 1014 эВ. Недостаток метода заключается в очень малой вероятности взаимодействия встречных частиц, так как «мишень» практически прозрачна и лобовые соударения очень маловероятны. Поэтому очень мала и скорость счета полезных событий. Отсюда и возникает идея многократного соударения двух пучков. Для характеристики установки со встречными пучками используется новое понятие, называющееся светимостью L. Она определяется как коэффициент пропорциональности исследуемого процесса σ числу полезных событий в единицу времени N: N = L σ, при светимости L = 10 30 см −2 ⋅ с −1 реакции с сечением 1 мкбарн = = 10 30 см 2 будут соответствовать одному отсчету в секунду. Имеется несколько вариантов схем со встречными пучками, они изображены на рис.26, где показаны схемы с пучками одноименно и разноименно заряженных частиц. Расчеты показывают, что при приведенном значении светимости и реальных размерах пучка (по52

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ 2

перечное сечение ~ 1 см ) надо иметь величину тока 0,5 А. Даже очень приблизительные оценки приводят к возникновению трудностей и проблем в реализации соударений во встречных пучках. Основная из них — следующая. На самом деле, величина тока в пучках, измеряемая в амперах, недостижима ни в одном из действующих ускорителей. Поэтому частицы должны накапливаться на орбитах в течение длительного времени. Отсюда и необходимость многократного повторения инжекции, т.е. накопления частиц на орбитах. Отсюда и название этих колец — накопительные кольца.

Рис.26. Варианты схем со встречными одноименно (а, б) и разноименно (в) заряженными пучками: 1 — ускоритель-инжектор, 2 — коммутатор пучков, 3 — электронно-позитронный конвертор, 4 — место встречи и регистрирующая аппаратура

53

А.В. Шальнов

Надо также обеспечить длительное время жизни пучка в накопительных кольцах. Препятствуют этому два явления. Одно – это рассеяние на остаточном газе и другое — отклонение из-за взаимодействия с уже существующими на орбите частицами. Это приводит к повышенным требованиям к вакууму. Однако эти процессы преодолимы и время жизни пучка измеряется часами и даже сутками. И, наконец, большое число частиц на орбите и длительное время их циркуляции приводит к сильному взаимодействию частиц с одинаковым знаком заряда и появлению так называемых коллективных неустойчивостей. Сам процесс накопления происходит несколько по-разному в зависимости от типа накапливаемых частиц. Это связано с разными физическими явлениями, зависящими от характеристик накапливаемого пучка. Накопление легких частиц сопровождается радиационными эффектами, выражающимися в радиационном затухании, т.е. изменении траектории частиц (электронов и позитронов) из-за изменения энергии. Это излучение называется синхротронным, при этом изменяется радиус движения частиц, и последующие инжекции производятся на «опустевшие» орбиты. Электрон-электронные пучки дают возможность изучать процессы рассеяния электронов на электронах. Более оригинальны возможности электронно-позитронных ко* лец . Их интересная особенность заключается в том, что пучки двигаются по примерно одинаковым каналам навстречу друг другу. Инжекторами пучков являются синхротроны. Позитроны генерируются в некоторой мишени электронным пучком того же инжектора. При такой схеме получения позитронов их интенсивность значительно меньше электронного пучка и время накопления их значительно больше. Параметры действующих накопительных колец легких частиц приведены табл.12. Накопители легких частиц имеют меньшие размеры, чем накопители тяжелых. Так, при энергии в десятки гигаэлектрон-вольт радиусы накопительных колец достигают нескольких сотен метров. Поэтому при*

Напомним, что позитрон это частица с массой электрона, но положительным зарядом.

54

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

ходится прибегать к пересекающимся накопительным кольцам, располагающимся в одном тоннеле, так как это обходится значительно дешевле, рис.26, а. Таблица 12 Ускорительно-накопительные комплексы легких частиц е е+

Место расположения TRISTAN Япония LEP ЦЕРН ADONE Италия BEPC Китай DORIS ФРГ PEP США

-2 -1

Энергия, ГэВ 2×30

Светимость, см ⋅с

2×93,5

5,6⋅10

2×1,5

Длина орбиты, м

31

3018

31

26658

1,4⋅10

—

104,9 31

240,4

31

288

2×2,8

1,7⋅10

2×7

2,5⋅10

2×16

5⋅10

31

2200

Инженерные сооружения для реализации встречного взаимодействия ускоренных частиц занимают площади в сотни квадратных километров, потребляют электрическую мощность в сотни мегаватт, требуют большой штат обслуживающего персонала, используют десятки современных быстродействующих ЭВМ для управления и обработки результатов эксперимента. Стоят они сотни миллионов долларов при сооружении и требуют суммы того же порядка при эксплуатации. Такие установки называются ускорительно-накопительными комплексами (УНК). Проект одного из таких комплексов для протонов разработан в ИФВЭ (Протвино). Крупнейшим из создаваемых комплексов станет Большой адронный коллайдер (LHC), сооружаемый в ЦЕРН в тоннеле, который занимала установка LEP. Создание ускорителя ведется при участии многих государств, в том числе, России. Строительство более мощного комплекса SSC в США было остановлено по экономическим соображениям. В табл.13 приводятся параметры ряда ускорительно-накопительных комплексов. 55

А.В. Шальнов Таблица 13 Ускорительно-накопительные комплексы тяжелых частиц Место расположения

ISR ЦЕРН ISR, ЦЕРН SPS, ЦЕРН ВЭПП, Новосибирск TEVANRON Батавия УНК Протвино ISABELLE Брукхейвен SSC LHC ЦЕРН RHIC Брукхейвен

Соударяющиеся частицы РР


!! РР

Энергия, ГэВ

Светимость, -2 -1 см ⋅с 31

2×31

4⋅10

2×31

10

2×315

2,8⋅10

29 30

2×23

—




2×900

2⋅10




2×3 000

10

2×400

10

РР

!! !! РР РР

РР Ри ионы до Аи

Длина орбиты, м

Примечание

942

Пересекающиеся кольца То же

942 6911 —

30

6280

32

20770

30

2640

33

86760 26658

31

3833

2×20 000 2×7 000

10 34 3,8⋅10

100/ атомная масса

1,4⋅10 (Р) 27 1⋅10 (Аи)

Одиночные кольца Пересекающиеся кольца Одиночное кольцо Пересекающиеся кольца То же — Пересекающиеся кольца Кольцо

Интересный проект создания сверхпроводящего электронпозитронного коллайдера предложен в Гамбурге в лаборатории DESY. Здесь в отличие от накопительных колец электроны будут сталкиваться лоб в лоб с позитронами. Оба пучка будут ускорены в сверхпроводящих линейных ускорителях. Планируемая светимость коллайдера 3,4 ⋅ 10 34 см −2 ⋅ с −1 . Общая длина тоннеля, в котором располагаются два ускорителя, составляет 33 км. Оба ускорителя имеют одинаковую длину и состоят из 1000 сверхпроводящих резонаторов длиной 1 м каждая. Частота питания 1,3 ГГц. Источники мощности 2×292 клистрона, каждый из которых генерирует мощность 10 МВт. Ускоряющее поле не менее 25 МВ/м. Температура 56

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

2 К. Предполагается, что энергия сталкивающихся частиц будет 500 ГэВ с возможным увеличением до 800 ГэВ. Созданный проект явился основой проекта Международного линейного коллайдера (ILC), который готовится к реализации в рамках международного соглашения ряда государств. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Следует отметить, что материалами для этой книги были источники [3] и [4], а также труды конференций по ускорителям. Только, разобравшись с составляющими атомное ядро частицами и увеличивая далее энергию ускорителей, чтобы сделать это знакомство подетальнее, ученые натолкнулись на то, что эти частицы, не являются элементарными. Ну, и на самом деле, элементарными (или фундаментальными) называют частицы, которые на современном уровне знания не состоят из более элементарных частиц. Таким образом, электрон, протон, нейтрон лишились своего королевского звания. На смену им пришли кварки и лептоны. Но процесс углубления знаний об атомном ядре продолжается, и ускорители с большими энергиями, составляющие ускорительнонакопительные кольца и коллайдеры, остаются необходимыми элементами прогресса. Однако это очень дорогое удовольствие. Чем же оно мотивируется? Ну, во-первых, желанием разобраться детально в устройстве микромира и продвинуть вперед фундаментальную физику, используя новые экспериментальные результаты. Чистая теория без этого вряд ли может достичь новых высот. Во-вторых, развитие фундаментальной физики сопровождается появлением принципиально новой физической аппаратуры, новой техники и методик. Некоторая, далеко не полная информация об этом содержится в работе [2], изданной довольно давно. В-третьих, как уже кратко упоминалось ранее, сейчас новые установки — накопительные кольца и коллайдеры — создаются в помещениях, где уже располагались отработавшие свою программу ускорители. При этом экономятся колоссальные средства, так как для новых установок уже готовы помещения, энергоснабжение, другие технические системы, научный и обслуживающий персонал. 57

А.В. Шальнов

В-четвертых, в космологии существует мнение о том, что в «первое мгновения своего существования Вселенная была настолько горячей, что состояла только из элементарных частиц, связанных фундаментальными силами» [3, 5, 6]. Вернемся теперь к результатам, полученным фундаментальной физикой с использованием ускорителей заряженных частиц. Открытые частицы назвали фермионами, «склеивающие» их вещества — векторными бозонами. Ниже показаны 12 фермионов S = 1 / 2 (S — так называемый спин частицы). Фермионы

Поколение Кварки I II

верхние u c

нижние d S

III Z

t +2/3

b -1/3

нейтрино νе νµ νr 0

Лептоны заряженные e µ τ -1

Имеются и соответствующие античастицы. Мир вокруг нас построен из нуклонов и электронов, причем нуклоны (протон p и нейтрон n) состоят из трех кварков p = uud и n = ddu. Для его функционирования нужны еще и нейтрино, которые обеспечивают горение водорода в Солнце и звездах, и этот процесс является источником энергии для нашей жизни. Таким образом, из трех поколений для объяснения окружающего нас материального мира достаточно поколения I. Однако, согласно теоретическим моделям, без двух следующих поколений II и III не существовало бы Вселенной. Кроме фермионов еще существуют четыре бозона (без учета 0

античастиц): фотон γ, глюон g, нейтральный слабый бозон Z и заряженные слабые бозоны W±, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. В заключение приведем упомянутые выше основные элементарные частицы с указанием энергии, необходимой для их рождения, времени жизни, а также года их открытия. Часть этих частиц 58

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

была открыта в космических лучах, но большинство из них (начиная с 50-х г.) — на ускорителях.

νе е

< 10 эВ 1953

0,51 МэВ 1897

νµ

νr

<170 кэВ 1962

µ

τ

107,5 МэВ -6 2⋅10 с 1937, 1947

< 24 МэВ > 1975

γ

g 0 1973

1777 МэВ -13 3⋅10 с 1975

u

5 МэВ 1964

с

1300 МэВ -12 10 с 1974

t

176 ГэВ Г = 2 ГэВ 1995

Z

d

10 МэВ 1964

S

150 МэВ 1964

b

W

4,3 ГэВ 1977

-15

< 10 эВ 1926

91,2 ГэВ Г= 2,5 ГэВ 1983

80,4 ГэВ Г = 2,5 ГэВ 1983

Примечание. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны g. Г — ширина уровня.

Заканчивая этот последний раздел, можно рекомендовать интересующимся этими вопросами хорошую литературу [5, 6], недавно опубликованную и подробно излагающую затронутые здесь вопросы. И, в заключение, еще раз отметим, что не исключена возможность потери звания элементарных и у вновь открытых новых частиц.

59

А.В. Шальнов

НЕКОТОРЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ, УПОТРЕБЛЯЕМЫЕ В УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ Энергия

эВ (eV) кэВ (keV) МэВ (MeV) ГэВ (GeV) ТэВ (TeV)

— — — — —

электрон-вольт 3 килоэлектрон-вольт 10 эВ 6 мегаэлектрон-вольт 10 эВ 9 гигаэлектрон-вольт 10 эВ 12 тераэлектрон-вольт 10 эВ

Мощность

Вт кВт МВт

— — —

ватт 3 киловатт 10 ватт 6 мегаватт 10 ватт

Напряжение

В кВ

— —

вольт 3 киловольт 10 вольт

Сила тока

А мА мкА

— — —

ампер -3 миллиампер 10 А -6 микроампер 10 А Частота

Гц МГц

— —

герц 6 мегагерц 10 Гц

Магнитная индукция 4

Тл. (Гс. — гаусс) — тесла (1 Тл = 10 Гс) Мощность дозы

Р

—

рентген 60

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. М.: Энергоатомиздат, 1991. 2. Рябухин Ю.С., Шальнов А.В. Ускоренные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1980. 3. Сисакян А.Н. Развитие физики высоких энергий и ускорителей // Международная школа молодых ученых «Проблемы ускорения заряженных частиц». Дубна, 1997. С.1 — 37. 4. Окунь Л.Б. Современное состояние физики элементарных частиц // Успехи физических наук. Июнь 1998. Т. 168. № 6. С. 625 — 629. 5. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории: Пер. с англ. М.: Едиториал УРСС, 2004. 6. Грин Б. Элегантная Вселенная: Пер. с англ. М.: Едиториал УРСС, 2007.

Александр Всеволодович Шальнов

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Научно-популярное издание

Редактор Т.В. Волвенкова Оригинал-макет изготовлен М.В. Макаровой

Подписано в печать 20.10.2007. Формат 60х84 1/16. Печ.л. 4,0. Уч.-изд.л. 4,0. Тираж 700 экз. Изд. № 2/4 Заказ № Московский инженерно-физический институт (государственный университет). 115409, Москва, Каширское ш., 31 Типография издательства "Тровант" г. Троицк Московской обл.