Синхрофазотрон — сверхмощный ускоритель частиц¶

Синхрофазотрон — разновидность циклического ускорителя заряженных частиц, в котором ускорение протонов и других тяжёлых ионов осуществляется синхронным способом при одновременном повышении магнитного поля вращающихся магнитов (диполей) и частоты ускоряющего радиочастотного поля. Термин образован от слов «синхрофазотрон» — сокращения от «синхронный фазотрон». Ключевое отличие от обычного фазотрона (циклотрона) состоит в том, что частота ускоряющего поля синхронно изменяется по мере роста энергии частиц, что позволяет преодолеть релятивистский предел энергии.

¶Принцип действия

В классическом циклотроне (фазотроне) частота вращения частицы в магнитном поле не зависит от её энергии лишь до релятивистских скоростей. По мере разгона протона до энергий свыше нескольких десятков МэВ его релятивистская масса растёт, циклотронная частота падает, и частица «расстраивается» из резонанса с ускоряющим полем. Синхрофазотрон решает эту проблему: частота RF-генератора убывает синхронно с ростом импульса частиц, а радиус орбиты поддерживается постоянным за счёт пропорционального увеличения индукции магнитного поля.

Релятивистская масса частицы растёт по закону $m = m_0 \gamma$, где $\gamma$ — релятивистский фактор. Условие синхронизма для протона в синхрофазотроне записывается как $f = f_{цикл} \cdot \gamma$, где $f_{цикл}$ — циклотронная частота, определяемая магнитным полем на фиксированном радиусе орбиты. При увеличении $\gamma$ частота ускоряющего поля уменьшается, а магнитное поле диполей пропорционально возрастает, удерживая частицу на постоянной орбите.

¶История

Идея синхрофазотрона была предложена в конце 1940-х годов независимо несколькими физиками. В СССР ключевые работы по созданию синхрофазотронов выполнили Владимир Иванович Векслер и Евгений Михайлович Константинов, разработавшие в 1944—1945 годах принцип автосинхронизации (принцип Векслера — Макмиллана), за который Векслер в 1956 году получил Ленинскую премию, а в 1959 году — Государственную премию СССР.

Первый в мире синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ был пущен в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне в декабре 1957 года. Его диаметр магнита составлял около 60 метров, масса — примерно 36 000 тонн. Этот ускоритель стал крупнейшим в мире на момент запуска и оставался одним из ведущих исследовательских центров десятилетиями. В 1967 году в ОИЯИ был также запущен 70-ГэВный синхрофазотрон (У-70), ставший крупнейшим ускорителем частиц в мире до открытия коллайдеров.

¶Синхрофазотрон У-70 в ОИЯИ

У-70 — сверхмощный протонный синхрофазотрон, расположенный в Дубне. Основные характеристики:

Пучок протонов, разогнанный до 76 ГэВ, используется для исследования сильных взаимодействий, изучения строения нуклонов, производства мюонов и пионов, а также для медицинских и прикладных целей. На базе У-70 работают десятки экспериментальных установок, включая комплексы для исследования физики высоких энергий, нейтронные источники и медицинские линии.

¶Устройство

Основные элементы синхрофазотрона:

• Ионный источник — генерирует заряженные частицы (протоны, ионы водорода, тяжёлые ионы).
• Линейный ускоритель (линак) — предварительный разгон частиц до энергий порядка десятков МэВ.
• Бустер — кольцевой ускоритель, доводящий энергию до входа в основной синхрофазотрон.
• Магнитная система — секторные дипольные магниты, создающие удерживающее поле; поле синхронно наращивается в течение цикла разгона.
• RF-система — ускоряющие кавитны с изменяемой частотой, поддерживающие синхронизм с частицами.
• Вакуумная система — поддерживает высокий вакуум в канале движения частиц.

Цикл работы синхрофазотрона включает фазы инжекции, разгона, поддержания энергии (для накопления пучка) и извлечения. После извлечения пучка магнитное поле сбрасывается, и цикл повторяется.

¶Применение

Синхрофазотроны применяются в физике элементарных частиц, ядерной физике, радиобиологии, медицине (производство радиоизотопов, протонная терапия) и материаловедении. В России крупнейшие ускорительные комплексы работают в ОИЯИ (Дубна), Институте физики высоких энергий (Протвино) и НИИ ядерной физики МГУ. На базе синхрофазотронов получены важнейшие результаты по изучению строения протонов, открыты новые резонансы и эффекты в сильных взаимодействиях.

¶См. также

• Фазотрон
• Циклотрон
• Синхротрон
• Коллайдер
• У-70

¶Исторические ускорители

Крупнейшие синхрофазотроны, работавшие в мире:

Синхрофазотроны как класс ускорителей были постепенно вытеснены более мощными синхротронными коллайдерами, где сталкиваются два встречных пучка, что позволяет исследовать бо́льшие центро-массовые энергии при меньшем размере кольца. Тем не менее У-70 в Дубне продолжает эксплуатироваться и модернизируется, оставаясь действующим научным объектом мирового значения.