Протонный синхротрон

Протонный синхротрон — это тип циклического ускорителя заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов до релятивистских скоростей (близких к скорости света) с использованием комбинации постоянного магнитного поля и переменного электрического поля, при котором частота ускоряющего напряжения синхронизирована с частотой обращения частиц по орбите. Относится к классу резонансных ускорителей и является разновидностью синхротрона, специализированной для работы с протонами.

История создания

Идея синхротрона была предложена в 1944 году советским физиком Владимиром Иосифовичем Векслером, который ввёл понятие «автофазировки» — механизма, обеспечивающего устойчивость движения частиц в ускорителе с переменной частотой. Независимо от Векслера, в 1945 году аналогичный принцип сформулировал американский учёный Эдвин Макмиллан. Это открытие позволило преодолеть ограничения, присущие циклотронам, где релятивистское увеличение массы протона приводило к рассинхронизации с ускоряющим полем.

Первый протонный синхротрон, получивший название «Космотрон», был запущен в 1952 году в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Он разгонял протоны до энергии 3,3 ГэВ. В СССР первый протонный синхротрон — синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ — был введён в эксплуатацию в 1957 году в Дубне (Объединённый институт ядерных исследований, ОИЯИ). Это был крупнейший ускоритель в мире на тот момент. В 1967 году в Протвино (Институт физики высоких энергий, ИФВЭ) заработал У-70 — протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ, который долгое время оставался самым мощным в Европе.

Принцип работы

В отличие от циклотрона, где магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего напряжения меняется, в протонном синхротроне магнитное поле нарастает синхронно с увеличением энергии и массы частиц. Частота ускоряющего напряжения также изменяется, оставаясь кратной частоте обращения протонов по кольцу.

Основные элементы:

• Вакуумная камера — тороидальная труба, в которой поддерживается глубокий вакуум (до 10⁻⁹ — 10⁻¹⁰ мм рт. ст.) для минимизации столкновений с молекулами газа.
• Электромагниты — серия изгибающих (дипольных) магнитов, создающих постоянное по азимуту, но растущее во времени магнитное поле, удерживающее частицы на круговой орбите.
• Ускоряющие станции — резонаторы, создающие высокочастотное электрическое поле (обычно десятки-сотни мегагерц), которое увеличивает энергию протонов при каждом прохождении.
• Фокусирующие магниты — квадрупольные линзы, обеспечивающие поперечную устойчивость пучка (сильная фокусировка, разработанная в 1952 году Э. Курантом, М. Ливингстоном и Х. Снайдером).

Автофазировка

Ключевой механизм устойчивости — автофазировка. Если частица приходит в ускоряющий промежуток раньше равновесной фазы, она получает меньший прирост энергии, её масса увеличивается медленнее, и она начинает отставать, возвращаясь к равновесной фазе. И наоборот. Это обеспечивает продольную устойчивость сгустка частиц.

Классификация и характеристики

Протонные синхротроны классифицируются по энергии и конструкции:

Важные параметры:

• Радиус кольца — от десятков метров (У-70 — 236 м) до километров (БАК — 4,3 км).
• Интенсивность пучка — количество протонов в сгустке (до 10¹⁴ частиц).
• Частота ускоряющего напряжения — обычно 10–400 МГц.

Применение

Протонные синхротроны используются в нескольких ключевых областях:

Физика высоких энергий

Основное применение — исследование структуры материи. Протоны, разогнанные до высоких энергий, сталкиваются с неподвижными мишенями или встречными пучками (в коллайдерах). Это позволяет:

• Изучать свойства элементарных частиц (кварки, глюоны, бозоны).
• Открывать новые частицы (например, W- и Z-бозоны на SPS в ЦЕРНе, топ-кварк на Тэватроне).
• Проверять Стандартную модель и искать отклонения от неё.

Производство вторичных пучков

Протоны высокой энергии, попадая на мишень, порождают вторичные частицы:

• Пионы и каоны — для изучения сильного взаимодействия.
• Нейтрино — для нейтринной физики (например, эксперименты NOvA, T2K).
• Антипротоны — для экспериментов с антиматерией (например, на ускорителе AD в ЦЕРНе).

Медицина

Протонные синхротроны используются в протонной терапии для лечения рака. Протоны с энергией 70–250 МэВ (более низкой, чем в исследовательских машинах) обладают пиком Брэгга — резким выделением энергии в конце пробега, что позволяет уничтожать опухоли с минимальным повреждением здоровых тканей. Первый медицинский протонный синхротрон был установлен в 1990 году в Лаборатории Ломы-Линда (Калифорния, США). В России центры протонной терапии действуют в Димитровграде (НИИАР) и Санкт-Петербурге (Центр протонной терапии).

Материаловедение и нейтронные источники

Протоны, бомбардирующие мишени из тяжёлых металлов (вольфрам, ртуть), порождают нейтроны. Такие «спаллационные» источники нейтронов (например, ISIS в Великобритании, SNS в США) используются для изучения структуры материалов, биомолекул и нанообъектов.

Крупнейшие протонные синхротроны

• Большой адронный коллайдер (БАК, ЦЕРН, Швейцария/Франция) — самый мощный протонный синхротрон-коллайдер, запущен в 2008 году. Энергия протонов до 6,5 ТэВ (в режиме столкновений — 13 ТэВ в системе центра масс). Длина кольца — 27 км. Использует сверхпроводящие магниты.
• Тэватрон (Фермилаб, США) — работал с 1983 по 2011 год, энергия 1 ТэВ. Открыл топ-кварк (1995).
• У-70 (ИФВЭ, Протвино, Россия) — функционирует с 1967 года, энергия 70 ГэВ. Используется для экспериментов по физике частиц и производства вторичных пучков.
• SPS (ЦЕРН, Швейцария) — суперпротонный синхротрон, энергия 450 ГэВ, длина кольца 6,9 км. Служит инжектором для БАК и самостоятельным экспериментальным комплексом.
• PS (ЦЕРН, Швейцария) — протонный синхротрон, запущен в 1959 году, энергия 28 ГэВ. Первый ускоритель с сильной фокусировкой. Используется как инжектор.

Критика и ограничения

Основные технические сложности протонных синхротронов:

• Рост размера и стоимости — энергия частиц пропорциональна радиусу кольца и величине магнитного поля. Сверхпроводящие магниты (как в БАК) дороги и сложны в производстве.
• Энергопотребление — крупные ускорители потребляют десятки мегаватт электроэнергии.
• Радиационная безопасность — при работе возникают мощные потоки вторичного излучения, требующие многотонной биологической защиты.
• Ограничения по интенсивности — при высокой плотности пучка возникают коллективные эффекты (пространственный заряд, когерентные неустойчивости), разрушающие пучок.

Перспективы развития

Ведутся проекты по созданию протонных синхротронов нового поколения:

• Future Circular Collider (FCC, ЦЕРН) — проект кольца длиной 100 км для столкновений протонов с энергией до 100 ТэВ. Рассматривается как преемник БАК после 2040 года.
• NICA (ОИЯИ, Дубна, Россия) — коллайдер для столкновений протонов и тяжёлых ионов, запуск ожидается в середине 2020-х годов. Энергия протонов до 4,5 ГэВ на пучок.
• Протонные синхротроны для адронной терапии — компактные машины с энергией 250 МэВ, размещаемые в больницах (например, система ProteusOne компании IBA).

Источники

• Векслер В. И. «Новый метод ускорения релятивистских частиц» // Доклады АН СССР, 1944.
• Livingston M. S. «High-Energy Accelerators» // Interscience Publishers, 1954.
• Wilson E. J. N. «An Introduction to Particle Accelerators» // Oxford University Press, 2001.
• Chao A. W., Tigner M. (eds.) «Handbook of Accelerator Physics and Engineering» // World Scientific, 2013.
• Официальный сайт Института физики высоких энергий (ИФВЭ, Протвино) — описание У-70.
• CERN Accelerator School — учебные материалы по синхротронам.