Акселератор — ускоритель частиц¶

Акселератор — это устройство (или установка), предназначенное для ускорения заряженных частиц, ионов или электромагнитных волн до высоких энергий с помощью электрических и магнитных полей. Термин происходит от латинского accelerare — «ускорять». Акселераторы применяются в физике элементарных частиц, ядерной физике, медицине, промышленности и наукоёмких технологиях.

¶Основные типы

Акселераторы классифицируют по нескольким признакам.

По типу ускоряемых частиц различают:

• электронные — ускоряют электроны и позитроны;
• протонные — ускоряют протоны и ионы;
• ионные — ускоряют тяжёлые ионы (например, ионы углерода);
• фотонные — ускоряют фотоны (лазерные ускорители).

По типу поля, ускоряющего частицы:

• электростатические — используют постоянное электрическое поле;
• электромагнитные — используют переменное электрическое поле (СВЧ-резонаторы) и магнитные поля для фокусировки и синхронизации.

По характеру траектории:

• линейные — частица движется по прямой;
• циклотронные — частица движется по спирали;
• кольцевые (синхротроны) — частица движется по замкнутому кольцу.

По принципу ускорения:

• линейные ускорители (линейчики) — ускоряют частицу за один проход через серию электродов с переменным напряжением;
• циклоны — ускоряют частицу многократно, используя постоянное магнитное поле и переменное электрическое поле между электродами-«дефлекторами»;
• синхротроны — ускоряют частицу в кольцевой орбите, постепенно повышая энергию и магнитное поле;
• бетатроны — ускоряют электроны в магнитном поле, индукция которого растёт во времени;
• микротроны — ускоряют электроны в резонаторе с постоянным магнитным полем;
• кольцевые ускорители с накопительными кольцами — используются для накопления и столкновения пучков частиц.

¶Устройство и принцип работы

Простейший линейный ускоритель состоит из последовательности полых цилиндрических электродов («бункеров»), к которым подаётся переменное напряжение высокой частоты. Частица, пролетая через зазор между электродами, попадает в электрическое поле, направленное вдоль движения, и получает энергию. Длина каждого следующего электрода подобрана так, чтобы время полёта частицы через него совпадало с половиной периода напряжения — это обеспечивает ускорение на каждом зазоре.

В циклотроне частица движется по спирали в постоянном магнитном поле, а между двумя полыми электродами-«дефлекторами» подаётся переменное напряжение. Магнитное поле заставляет частицу двигаться по окружности, а электрическое поле ускоряет её при каждом проходе через зазор. С ростом энергии радиус орбиты увеличивается, и частица выходит наружу.

В синхротроне частица движется по замкнутому кольцу постоянного радиуса. Магнитное поле всех ускоряющих магнитов увеличивается синхронно с ростом энергии частицы, а ускоряющее поле подаётся в резонаторы в такт с оборотом частицы. Такая схема позволяет достигать очень высоких энергий — до нескольких тераэлектронвольт.

¶Ключевые характеристики

Основные параметры акселератора:

• энергия частиц — максимальная энергия, которую может достичь частица;
• интенсивность пучка — количество частиц в единицу времени;
• яркость пучка — плотность частиц в фазовом объёме;
• длина ускоряемой орбиты — определяет частоту обращения частиц.

¶Применение

¶Физика элементарных частиц

Крупнейшие акселераторы используются для изучения фундаментальных взаимодействий и поиска новых частиц. Кольцевой ускоритель БАК (Большой адронный коллайдер) в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям, Швейцария) имеет длину окружности 27 км и позволяет сталкивать протоны с энергией до 13,6 ТэВ. В 2012 году на БАК была открыта бозон Хиггса. В России действует Нуклонный синхротрон в Дубне (ОИЯИ) и ВЭПП-4М в Новосибирске (Будкерский институт), а также строится Национальный центр физики частиц и ядер с кольцевым ускорителем НЦК (Нуклонный кольцевой коллайдер) в Дубне.

¶Медицина

Линейные ускорители электронов (линейчики) применяются в лучевой терапии онкологических заболеваний. Протонные и ионные ускорители используются для протонной терапии — облучения опухолей с высокой точностью и минимальным повреждением окружающих тканей. В России протонные терапевтические центры работают в Дубне и в Москве (Медицинский радиологический научный центр).

¶Промышленность

Электронные ускорители применяются для стерилизации медицинских изделий, полимеризации материалов, модификации свойств полимеров, обработки пищевых продуктов и очистки сточных вод. Ионные имплантаторы используются в полупроводниковой промышленности для внедрения примесей в кремний.

¶Рентгеновские источники

Синхротронное излучение, возникающее при движении заряженных частиц по криволинейной траектории, используется в синхротронах как мощный источник рентгеновского излучения для исследования структуры вещества. В России действуют синхротроны в Новосибирске (ВЭПП-3), Дубне и Санкт-Петербурге (Кольцевой синхротрон «Сириус»).

¶История

Первый линейный ускоритель был предложен Г. Видероэ в 1928 году. В 1930-е годы Э. Лоуренс в Калифорнийском университете в Беркли создал первый циклотрон, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1939 году. В 1944 году В. И. Векслер и Д. В. Иваненко независимо друг от друга предложили принцип синхрофазотронного ускорения, что позволило создать синхротроны. В СССР крупнейшим ускорителем стал Синхрофазотрон в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне (запущен в 1957 году, энергия протонов 10 ГэВ), а затем У-70 в Протвино (Институт физики высоких энергий, 1967 год, энергия протонов 70 ГэВ) — на момент запуска самый мощный ускоритель в мире.

Источники:

• «Физика ускорителей заряженных частиц» — А. А. Коломенский, А. Н. Лебедев
• «Ускорители заряженных частиц» — А. А. Коломенский, А. Н. Лебедев
• Большая российская энциклопедия — статья «Акселератор»
• ЦЕРН (CERN) — материалы о Большом адронном коллайдере
• Объединённый институт ядерных исследований — материалы о синхрофазотроне и НЦК