Главный инжектор

Главный инжектор — это основной ускорительный комплекс (бустер) в составе крупных протонных синхротронов, предназначенный для повышения энергии пучка частиц до уровня, необходимого для инжекции в основное накопительное кольцо или коллайдер. В более широком смысле термин может относиться к ключевому элементу системы питания двигателя внутреннего сгорания (топливному инжектору), однако в контексте физики высоких энергий и ускорительной техники это понятие имеет строго определённое значение.

История и происхождение

Концепция главного инжектора возникла в середине XX века в связи с необходимостью увеличения энергии и интенсивности пучков в циклических ускорителях. Первые протонные синхротроны, такие как Беватрон (США, 1954) и Протонный синхротрон в ЦЕРНе (Швейцария, 1959), использовали линейные ускорители в качестве начальных инжекторов, но для достижения рекордных энергий потребовались промежуточные бустерные кольца.

В 1970-х годах в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Fermilab, США) был построен первый специализированный главный инжектор. Он заменил старый бустер и позволил увеличить энергию протонов с 8 до 150 ГэВ перед подачей в основное кольцо Тэватрона. В 1999 году в Fermilab был введён в эксплуатацию новый Главный инжектор (Main Injector) — модернизированное кольцо длиной 3319 метров, которое стало основой для экспериментов по физике частиц.

В России аналогичная роль отводится бустерному синхротрону У-70 в Институте физики высоких энергий (Протвино) и бустеру Нуклотрона в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна). В 2020-х годах в рамках проекта NICA в ОИЯИ строится новый бустерный комплекс, который будет выполнять функции главного инжектора для коллайдера.

Устройство и принцип работы

Главный инжектор представляет собой кольцевой ускоритель (синхротрон) с магнитной системой, вакуумной камерой и радиочастотными ускоряющими станциями. Его основные компоненты:

• Магнитная система — дипольные магниты для удержания частиц на круговой траектории и квадрупольные магниты для фокусировки пучка.
• Вакуумная камера — обеспечивает давление порядка 10⁻¹⁰ — 10⁻¹¹ торр, чтобы избежать рассеяния частиц на молекулах газа.
• Радиочастотные (РЧ) резонаторы — ускоряют частицы, подавая высокочастотное электрическое поле синхронно с их движением.
• Системы инжекции и экстракции — устройства для ввода пучка из предварительного ускорителя и вывода его в основное кольцо или на мишени.

Принцип работы: пучок протонов (или ионов) с энергией порядка нескольких десятков МэВ поступает из линейного ускорителя или малого бустера в главный инжектор. За время цикла (обычно от 0,5 до 2 секунд) частицы совершают миллионы оборотов, каждый раз получая приращение энергии от РЧ-поля. Магнитное поле синхронно увеличивается, чтобы удерживать частицы на постоянном радиусе. На выходе пучок имеет энергию от нескольких ГэВ до сотен ГэВ и направляется в основное кольцо коллайдера или на экспериментальные станции.

Классификация и типы

Главные инжекторы различаются по типу ускоряемых частиц, энергии и назначению:

• Протонные главные инжекторы — наиболее распространённый тип, используется в коллайдерах (Тэватрон, LHC) и для получения вторичных пучков (нейтрино, мюоны).
• Ионные главные инжекторы — предназначены для ускорения тяжёлых ионов (например, свинца в LHC или золота в RHIC). Требуют специальных источников и систем охлаждения.
• Электронные главные инжекторы — встречаются реже, так как электроны теряют энергию на синхротронное излучение. Пример — бустер синхротрона ESRF (Гренобль, Франция).
• Бустеры для медицинских ускорителей — компактные главные инжекторы для протонной терапии (например, в центрах в Санкт-Петербурге и Димитровграде).

По конструкции различают кольцевые (синхротронные) и линейные (линейные ускорители) главные инжекторы. В больших коллайдерах обычно используются кольцевые, так как они позволяют достичь большей энергии при меньшей длине.

Применение и значение

Главный инжектор является критическим элементом любой крупной ускорительной установки. Его основные функции:

• Повышение энергии пучка до уровня, необходимого для физических экспериментов. Например, в Большом адронном коллайдере (LHC) протоны сначала ускоряются в линейном ускорителе LINAC 2 до 50 МэВ, затем в бустере PSB (Proton Synchrotron Booster) до 1,4 ГэВ, в протонном синхротроне PS до 25 ГэВ, в суперпротонном синхротроне SPS до 450 ГэВ — и только после этого поступают в LHC. SPS в этой цепочке выполняет роль главного инжектора.
• Формирование интенсивных пучков для экспериментов с фиксированной мишенью (например, в Институте физики высоких энергий в Протвино).
• Генерация вторичных частиц — нейтрино, мюонов, каонов, которые используются в нейтринной физике и исследованиях свойств материи.
• Медицинские приложения — протонные и ионные пучки из главных инжекторов применяются для лучевой терапии рака.

В России главный инжектор У-70 (Протвино) обеспечивает энергию до 70 ГэВ и используется для экспериментов по физике высоких энергий, а также для производства радиоизотопов. В ОИЯИ (Дубна) бустер Нуклотрона ускоряет ионы до 4,5 ГэВ/нуклон, а в перспективе новый бустер NICA должен достичь энергии 4,5 ГэВ/нуклон для ионов золота.

Примеры конкретных установок

• Main Injector (Fermilab, США) — кольцо длиной 3319 м, энергия протонов до 150 ГэВ. Использовался для питания Тэватрона (до 2011 г.) и в эксперименте NOvA по нейтринным осцилляциям.
• SPS (ЦЕРН, Швейцария) — суперпротонный синхротрон, длина 6,9 км, энергия до 450 ГэВ. С 2008 года является главным инжектором для LHC.
• У-70 (ИФВЭ, Протвино, Россия) — протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ, введён в эксплуатацию в 1967 году. Долгое время был крупнейшим ускорителем в СССР.
• Бустер NICA (ОИЯИ, Дубна, Россия) — строится с 2016 года, будет ускорять ионы золота до энергии 4,5 ГэВ/нуклон для инжекции в коллайдер NICA. Ожидаемый ввод в строй — 2025–2026 годы.

Интересные факты

• Главный инжектор Fermilab был построен на месте старого бустера и потребовал перемещения 1,5 млн кубометров земли.
• В SPS в 1980-х годах были открыты W- и Z-бозоны — частицы-переносчики слабого взаимодействия, за что была присуждена Нобелевская премия.
• У-70 в Протвино работает с 1967 года и до сих пор остаётся одним из самых мощных ускорителей в России, несмотря на моральное устаревание.
• В главном инжекторе LHC (SPS) пучки протонов движутся со скоростью, близкой к скорости света, и совершают около 11 000 оборотов в секунду.

Источники

• Бюллетень «Ускорители и коллайдеры», том 12, № 3, 2020.
• Доклад «Главный инжектор Fermilab: конструкция и эксплуатация», Fermilab Technical Report, 1999.
• Статья «Протонный синхротрон У-70: 50 лет работы», журнал «Ядерная физика», 2017.
• Материалы ОИЯИ по проекту NICA, 2021.
• Обзор «Ускорительные комплексы ЦЕРН», CERN Courier, 2018.