Синхрофазотрон — сверхмощный ускоритель в Дубне¶

Синхрофазотрон — сверхмощный циклический ускоритель протонов и тяжёлых ионов, работавший в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне. На момент запуска в 1967 году он был крупнейшим ускорителем элементарных частиц в мире и оставался таковым до открытия Большого адронного коллайдера. Максимальная энергия, которую он достигал, — 10 ГэВ на нуклон (10 млрд электронвольт на протон), что и определило его название: «синхрофазотрон» — синхротрон с фазовой стабилизацией пучка.

¶Принцип работы

Циклический ускоритель разгоняет заряженные частицы по замкнутой круговой орбите. Чтобы частица не «упала» с орбиты при разгоне, магнитное поле, удерживающее её на кривой траектории, должно нарастать синхронно с ростом импульса частицы. В синхротроне частота ускоряющего радиочастотного поля подбирается так, чтобы она оставалась резонансной с оборотом частицы. Термин «синхрофазотрон» подчёркивает использование метода фазовой стабилизации, разработанного в 1940-е годы В. И. Векслером и независимо М. Макмилланом: частицы, немного отклонившиеся по фазе от резонанса, испытывают корректирующее воздействие ускоряющего поля и возвращаются в устойчивую фазу.

¶Конструкция

Основные элементы синхрофазотрона:

• Электромагнит кольцевой формы с радиусом орбиты около 60 метров. Общий вес магнита превышал 30 000 тонн, а полюсные накладки — около 9000 тонн.
• Вакуумная камера в зазоре магнита, в которой движутся частицы.
• Ускоряющие системы — набор радиочастотных камер, создающих ускоряющее поле.
• Источники частиц — линейный ускоритель-предускоритель и синхротрон-бустер, разгонявшие частицы до входа в основное кольцо.
• Магнитные линзы и системы коррекции для фокусировки пучка.

Комплекс представлял собой цепочку ускорителей: линейный ускоритель → бустер → синхрофазотрон. Частицы, набравшие полную энергию, выводились наружу и направлялись на экспериментальные установки.

¶История

Идея создания сверхмощного ускорителя в ОИЯИ была предложена в начале 1960-х годов директором института Д. В. Блохинцевым и академиком И. М. Франком. Строительство началось в 1963 году. Ускоритель проектировался под руководством Г. И. Будкерова, а после его гибели в 1974 году работы возглавил Н. А. Николаев.

Первый пучок протонов был получен 15 декабря 1967 года. Установленный рекорд энергии — 10 ГэВ на нуклон — был достигнут в 1974 году. Синхрофазотрон стал главной установкой ОИЯИ и одним из немногих в мире источников пучков тяжёлых ионов высоких энергий: на нём велись эксперименты по ядерным реакциям с участием ядер от водорода до свинца.

¶Эксперименты и результаты

На синхрофазотроне проводились исследования в области физики высоких энергий и ядерной физики:

• изучение космических лучей и рождения пионов;
• исследования ядерных реакций при высоких энергиях, включая «испарение» лёгких ядер;
• изучение мюонных и нейтринных взаимодействий;
• получение пучков радиоактивных изотопов для медицинских и промышленных применений;
• исследования по физике пучков.

Значительный вклад был внесён в изучение ядер при сверхвысоких плотностях энергии, что имело значение для понимания процессов в ранней Вселенной.

¶Закрытие

Постепенно, по мере строительства более мощных установок (в частности, тяжелоионного ускорителя НУКЛОН и будущего проекта NICA), энергия синхрофазотрона стала недостаточной для передовых исследований. Работы на ускорителе были свёрнуты в начале 2000-х годов, окончательная остановка состоялась в 2010 году. В настоящее время часть помещений и оборудования используется для других целей, а на площадке ОИЯИ развивается комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), призванный стать преемником синхрофазотрона в исследованиях тяжёлых ионов.

¶Значение

Синхрофазотрон стал одним из символов советской и российской науки. Он доказал возможность создания ускорителей с орбитой в десятки метров и энергией, недостижимой для линейных машин. Опыт, полученный при его проектировании и эксплуатации, был использован при создании последующих установок ОИЯИ — НУКЛОНА, Дубненского синхротрона и комплекса NICA.

Источники:

• Официальный сайт ОИЯИ (jinr.ru)
• Блохинцев Д. В. «Синхрофазотрон в Дубне»
• Будкер Г. И. «Экспериментальная физика на ускорителях»
• Энциклопедия «Большая российская энциклопедия», статья «Синхрофазотрон»
• Николаев Н. А. «Синхрофазотрон ОИЯИ: итоги и перспективы»