Ибратжон Алиев - Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие

Крупнейшим из осуществляемых проектов, отражающим развитие ускорительной физики на ближайшее десятилетие, является советский проект ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Серпухове. В основе его лежит протонный сверхпроводящий синхротрон на 3 ТэВ (радиус около 3 км). В том же туннеле должен быть размещён предварительный ускоритель – бустер с электромагнитом обычного типа, инжектором для которого будет существующих в Серпуховский синхротрон. Предусматривается возможность создания без специального накопительного кольца встречных pp-пучков с энергией 1,5 ТэВ в системе центра инерции. Кроме того, бустер можно использовать для накопления электронов и ep-столкновений. Изучается также возможность осуществления в УНК протон-антипротонных соударений, а также сооружения дополнительного кольца с постоянным полем, равным 5 Тл, что позволит получить встречные протонные пучки с энергией 2—3 ТэВ.

Кажущийся естественным вопрос, какая же энергия нужна физикам-экспериментаторам, вообще лишён физического смысла. Ответ на него всегда один – нужна энергия в 5 раз больше, чем уже достигнутая. Причина этого проста: эксперимент на ново качественном уровне (в данном случае энергии) всегда ставит больше вопросов, чем даёт ответов. Поэтому сомневаться в дальнейшем росте энергии ускоренных частиц нет никаких оснований.

Данный короткий обзор призван дать лишь представление об общей логике развития ускорителей и ни в коей мере не претендует на полноту. Мы не могли даже перечислить все установки с рекордными параметрами или с интересными физическими и техническими особенностями.

И делая некоторое примечание, важно указать, что в некоторых случаях указываемые данные ссылались на момент 80-х годов и по прошествии не малого количества времени важно отметить возможность создания нового типа ускорителей – системы из циклотрона и линейного ускорителя – ускорителя типа ЛЦУ, высокоточного типа, с большими токами, в котором пучок вылетающий из самого циклотрона контролировался бы добавлением необходимой порции энергий уже на линейном ускорителе, либо наоборот.

Делая заключение к данному обзору, укажем, что важно изучать историю развития науки, в которой осуществляется работа, ибо всегда можно найти аспекты, способные дать своего рода наводку и помощь. В дальнейшем уже начнётся разбор самой физики ускорителей, с подробным их рассмотрением.

1. Укажите параметры ускорителя, созданного в 1967 году в Серпухове на энергию 76 ГэВ.

2. Какой порядок энергии ста революционным, благодаря созданному ускорителю в 1972 году в Национальной лаборатории имени Ферми в Батейвии?

3. Чему равна энергия пучка протон-протонного типа в БАК?

4. Кто работал над созданием ускорителя по электрон-позитронным соударения на энергию 600 МэВ?

5. Где был создан синхротрон на энергию 76 ГэВ в 1967 году?

6. Чему равна энергия синхротрона в Серпухове, созданный к 50-летию СССР?

7. Какое основное преимущество циклотрона?

8. Какова была расчётная интенсивность линейного ускорителя протонов Л. Розена н энергию 800 МэВ?

9. В каком году и где был создан ускоритель Л. Розена?

10. Чему была равна напряжённость поля в ускорителе В. П. Саранцева для тяжёлых ионов?

Поскольку изначальная логика исследования мельчайших частиц основана на принципе их разбиения, либо оказания какого-либо более сильного взаимодействия, возникает необходимость в ускорении определённой имеющей заряд частицы, откуда и появляется первая модель электростатического ускорителя, представляющий собой источник заряженных частиц напротив заземления, где создаётся разность потенциалов в вакуумном сосуде. При этом кинетическая энергия пучков испускаемых частиц, определяется по (1).

При расчёте (1), важно также учитывать фактор наличия количества заряда в одной частице, к примеру, если у электрона имеется всего один элементарный заряд, то у альфа-частицы или ядра гелия их 2, а у иона алюминия – 13, данное число умножается на общий заряд, откуда и получается общая кинетическая энергия.

Яркими примерами, подобных ускорителей являются ускорители Ван-де-Граафа, подробное их рассмотрение будет в последующих лекциях. Важно лишь указать, что кинетическая энергия не измеряется в Джоулях, а в специальных единицах – электронвольтах (эВ), которая равна 1,6*10 —19 Дж с производными в кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ. На электростатическом ускорителе максимальная энергия, которую можно получить для частиц равна 10 МэВ, при дальнейшем увеличении, наблюдается пробой между электродами, при котором невозможно проводить ускорение.

Рассматривая все виды ускорителей, можно разделить их на 3 большие группы, один из которых, ранее рассмотренные высоковольтные ускорители. Следующий вид ускорителей – резонансные.

В группу резонансных ускорителей заряженных частиц входят линейные и циклические ускорители. Если же останавливаться на линейных, то это ускорители, которые используют различные способы, наряду с увеличением числа электронов на пути ускоряющего пучка, с не критическим напряжением на них, что предотвращает факт пробоя, но позволяет ускорять частицу. Поскольку направление ускорения прямая, это и дало название этой разновидности ускорителей, благодаря чему можно догадываться о форме циклических ускорителей.

Циклические ускорители имеют много разновидностей, но с целью уменьшения масштабов самого устройства в одних разновидностях ускоряют пучки частиц при их движении по спирали из одной точки в двумерной плоскости, всё приближая к выходу из ускорителя. А при автофазировке или удержании на одной круговой траектории, не позволяя частице увеличивать её радиус и лишь в конце выводя из этого круга, выводящими электромагнитами.

Но циклические ускорители также должны увеличиваться свои размеры, поскольку удержать частицы с критическими энергиями и поворачивать их под нужным углом крайне сложный процесс, с которым справляются лишь редкие магниты. К примеру, самый мощный магнит на момент 1981 года имел вектор магнитной индукции в 10 Тл, а сегодня целый 32 Тл и даже при такой результате диаметр БАК почти 8,5 км, с общей длиной 26,7 км.

Конструкции же как этих циклических ускорителей, первый которых именуется циклотроном, а второй синхротроном также будут подробно рассмотрены в последующих лекциях, но важно одно, что ни линейный ускоритель, ни циклотрон и ни синхротрон, не могут функционировать без наличия вакуума. Ни в одном из них частицы не смогут ускоряться, поскольку будут слишком быстро поглощаться окружающей средой, или просто будут приводить к ионизации внешних газов.