Синхрофазотрон ОИЯИ

Синхрофазотрон ОИЯИ — ускоритель заряженных частиц (протонов) релятивистских энергий, построенный в 1957 году в городе Дубна (Московская область) на базе Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ). На момент ввода в эксплуатацию являлся крупнейшим в мире ускорителем протонов по энергии пучка (10 ГэВ) и оставался таковым до запуска ускорителя в Брукхейвене (США) в 1960 году. Синхрофазотрон ОИЯИ стал первым в мире ускорителем, на котором были получены пучки протонов с энергией, достаточной для рождения антипротонов и антинейтронов, что позволило совершить ряд фундаментальных открытий в физике элементарных частиц.

История создания

Предпосылки и проектирование

В конце 1940-х годов — начале 1950-х годов в СССР активно развивалась программа создания мощных ускорителей заряженных частиц. После успешного запуска в 1949 году фазотрона на 680 МэВ в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) АН СССР (ныне — ЛЯП ОИЯИ) возникла задача построения ускорителя на энергии порядка 10 ГэВ. Инициатором проекта выступил академик Владимир Иосифович Векслер, который в 1944 году предложил принцип автофазировки, лежащий в основе работы всех современных циклических ускорителей.

В 1951 году было принято постановление Совета Министров СССР о строительстве в Дубне «синхрофазотрона» — гибридной машины, сочетающей принципы синхротрона (изменяющееся магнитное поле) и фазотрона (изменяющаяся частота ускоряющего поля). Главным конструктором назначили В. И. Векслера, научным руководителем — А. Л. Минца, а инженерную разработку магнитной системы поручили коллективу под руководством Е. Г. Комара.

Строительство и запуск

Строительство велось с 1953 по 1957 год. Основной элемент — гигантский электромагнит массой около 36 000 тонн, состоящий из четырёх квадрантов, соединённых в кольцо. Магнитное поле создавалось в вакуумной камере кольцевой формы диаметром около 60 метров. Для питания обмоток электромагнита была построена специальная подстанция мощностью 140 МВт.

Первый пучок протонов был получен 15 марта 1957 года. Энергия частиц составила 8,3 ГэВ, что уже превышало все существовавшие на тот момент мировые показатели. К концу 1957 года после отладки системы ускорения энергия была доведена до проектных 10 ГэВ. Официальный пуск синхрофазотрона состоялся в 1958 году.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Синхрофазотрон ОИЯИ представляет собой циклический ускоритель с жёсткофокусной магнитной системой (в отличие от более поздних ускорителей с сильной фокусировкой). Основные компоненты:

• Электромагнит — четырёхсекционный, с полюсными наконечниками, создающими магнитное поле с градиентом для фокусировки пучка. Магнитное поле изменялось от 0,1 до 1,3 Тл за цикл ускорения.
• Вакуумная камера — кольцевая, из нержавеющей стали, объёмом около 200 м³. Вакуум поддерживался на уровне 10⁻⁶ мм рт. ст.
• Ускоряющая система — высокочастотные резонаторы, работающие в диапазоне частот от 0,3 до 1,5 МГц. Частота изменялась синхронно с ростом магнитного поля, что обеспечивало автофазировку.
• Инжектор — линейный ускоритель протонов на энергию 7,5 МэВ.
• Система вывода пучка — позволяла направлять ускоренные протоны на мишени для проведения экспериментов.

Принцип работы

Протоны от инжектора поступали в вакуумную камеру, где под действием магнитного поля двигались по спирали. Ускоряющее электрическое поле в резонаторах увеличивало их энергию, а изменение магнитного поля и частоты ускоряющего напряжения поддерживало синхронизм движения частиц. За цикл ускорения (около 1 секунды) протоны совершали несколько сотен тысяч оборотов, достигая энергии 10 ГэВ. После вывода пучок направлялся на мишени, где происходили ядерные реакции.

Научные достижения

Открытие антисигма-минус-гиперона

В 1960 году на синхрофазотроне группой под руководством академика В. П. Джелепова был открыт антисигма-минус-гиперон (Σ⁻) — частица, предсказанная теорией. Это стало первым экспериментальным подтверждением существования античастиц для странных барионов.

Исследование антипротонов и антинейтронов

В 1961–1962 годах на синхрофазотроне были проведены эксперименты по рождению антипротонов и антинейтронов. Энергия 10 ГэВ оказалась достаточной для преодоления порога рождения пар частица-античастица. Были измерены сечения рождения, а также изучены свойства антинуклонов.

Промежуточные бозоны и слабые взаимодействия

В 1970-х годах на синхрофазотроне проводились поиски промежуточных векторных бозонов W и Z, предсказанных теорией слабого взаимодействия. Хотя эти частицы были открыты позже на ускорителях в ЦЕРНе, эксперименты в Дубне дали верхние пределы их масс и способствовали развитию методов регистрации.

Синтез сверхтяжёлых элементов

Синхрофазотрон использовался для облучения мишеней из урана, плутония и других тяжёлых элементов протонами высокой энергии. В результате были получены изотопы элементов с атомными номерами до 107 (впоследствии подтверждённые в других лабораториях). Эти работы заложили основу для синтеза сверхтяжёлых элементов в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.

Модернизация и закрытие

Переход к режиму синхротрона

В 1970-х годах ускоритель был модернизирован: вместо протонов на нём стали ускорять ионы (в том числе дейтроны и альфа-частицы). Был установлен новый инжектор — линейный ускоритель ЛУ-20, что позволило повысить интенсивность пучка.

Завершение работы

К концу 1980-х годов синхрофазотрон морально устарел. В 1992 году, после распада СССР, финансирование ОИЯИ резко сократилось, и эксплуатация ускорителя стала нерентабельной. Последние эксперименты были проведены в 1993 году. В 1994 году синхрофазотрон был окончательно остановлен.

Демонтаж и сохранение

В 2000-х годах часть оборудования была демонтирована. Магнитная система и вакуумная камера сохранились в здании ускорителя. В 2014 году на базе бывшего синхрофазотрона был создан музейный комплекс «Синхрофазотрон», где представлены элементы ускорителя, архивные документы и фотографии. В 2016 году здание синхрофазотрона было признано объектом культурного наследия регионального значения.

Значение и наследие

Научное значение

Синхрофазотрон ОИЯИ на протяжении 15 лет (1957–1972) оставался самым мощным ускорителем протонов в мире. На нём были выполнены пионерские работы по физике античастиц, странных частиц и ядерных реакций. Результаты, полученные в Дубне, вошли в золотой фонд физики высоких энергий.

Технологическое наследие

Опыт создания и эксплуатации синхрофазотрона был использован при проектировании более мощных ускорителей — У-70 в Протвино (70 ГэВ) и коллайдеров в ЦЕРНе. Принципы автофазировки и жёсткой фокусировки, отработанные на дубненском ускорителе, стали основой для всех последующих циклических машин.

Международное сотрудничество

Синхрофазотрон стал символом международного научного сотрудничества. ОИЯИ, созданный в 1956 году как международная организация, объединил учёных из стран социалистического лагеря. На ускорителе работали физики из СССР, Китая, Польши, Чехословакии, Венгрии, Румынии, ГДР и других стран.

Источники

1. Векслер В. И., Гольдин Л. Л. «Синхрофазотрон на 10 ГэВ». — Успехи физических наук, 1958, т. 65, вып. 3.
2. Джелепов В. П. «Открытие антисигма-минус-гиперона». — Доклады АН СССР, 1960, т. 135, № 4.
3. Комар Е. Г. «Магнитная система синхрофазотрона ОИЯИ». — Атомная энергия, 1957, т. 3, № 7.
4. Минц А. Л. «Ускорители заряженных частиц». — М.: Наука, 1964.
5. ОИЯИ. «Синхрофазотрон: история и достижения». — Дубна: Издательство ОИЯИ, 2007.
6. Храмов Ю. А. «Физики: Биографический справочник». — М.: Наука, 1983.