Синхротрон

Синхротрон — это циклический ускоритель заряженных частиц (электронов, позитронов, протонов, ионов), в котором частицы ускоряются до высоких энергий, двигаясь по замкнутой траектории в вакуумной камере под действием управляющего магнитного поля. В отличие от синхроциклотрона, в синхротроне частота ускоряющего электрического поля и напряжённость магнитного поля изменяются синхронно с ростом энергии частиц, что позволяет удерживать их на орбите постоянного радиуса. Современные синхротроны являются крупными научными установками, используемыми как для фундаментальных исследований в физике высоких энергий, так и в качестве источников синхротронного излучения (СИ) — мощного электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн, от инфракрасного до рентгеновского.

История

Ранние разработки

Идея синхротрона была предложена в 1945 году независимо друг от друга советским физиком Владимиром Векслером и американским физиком Эдвином Макмилланом. Векслер в 1944 году открыл принцип автофазировки, который лёг в основу работы всех современных циклических ускорителей. Первый действующий протонный синхротрон — «Космотрон» (Cosmotron) — был запущен в 1952 году в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) и достиг энергии 3,3 ГэВ. В 1957 году в СССР в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна) был введён в строй синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ — на тот момент крупнейший в мире.

Развитие в СССР и России

В Советском Союзе синхротроны активно строились в рамках программы исследований по физике элементарных частиц и ядерной физике. В 1967 году в Институте физики высоких энергий (Протвино) заработал ускоритель У-70 на энергию 70 ГэВ — самый мощный в мире на тот момент. В 1970-х годах в Институте ядерной физики СО РАН (Новосибирск) был создан первый в мире специализированный источник синхротронного излучения — накопитель ВЭПП-3, который используется до сих пор. В 1990-х годах в России началось строительство специализированных источников СИ нового поколения, таких как «Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения» (СКИФ) в Новосибирской области, запуск которого запланирован на 2025 год.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Синхротрон состоит из нескольких ключевых систем:

• Вакуумная камера — герметичный тороидальный объём, в котором создаётся глубокий вакуум (давление до 10⁻¹⁰ мм рт. ст.) для предотвращения рассеяния частиц на молекулах газа.
• Магнитная система — включает дипольные магниты (поворотные), которые искривляют траекторию частиц, и квадрупольные линзы, фокусирующие пучок. Магниты обычно являются электромагнитами, создающими поле напряжённостью до нескольких тесла.
• Ускоряющая система — высокочастотные резонаторы, которые передают частицам энергию за счёт переменного электрического поля. Частота поля синхронизируется с частотой обращения частиц (автофазировка).
• Инжектор — предварительный ускоритель (линейный ускоритель или небольшой циклический ускоритель), который разгоняет частицы до энергии, необходимой для ввода в основное кольцо.
• Система управления — компьютеры и датчики, контролирующие параметры пучка, магнитные поля и вакуум.

Принцип автофазировки

Ключевой принцип, открытый Векслером, заключается в том, что при увеличении энергии частицы её частота обращения в магнитном поле изменяется. Если частота ускоряющего поля подстраивается под эту частоту, то частицы, отставшие по фазе, получают больше энергии и догоняют синхронную частицу, а опережающие — меньше. Это обеспечивает устойчивость пучка и позволяет накапливать частицы без потерь.

Типы частиц

Синхротроны различаются по типу ускоряемых частиц:

• Электронные синхротроны — ускоряют электроны до энергий от нескольких ГэВ до десятков ГэВ. Используются в основном как источники синхротронного излучения.
• Протонные синхротроны — ускоряют протоны до энергий до нескольких ТэВ. Применяются в физике высоких энергий для столкновения пучков.
• Ионные синхротроны — ускоряют тяжёлые ионы (например, ядра свинца или золота) для изучения кварк-глюонной плазмы.

Классификация

По поколениям источников синхротронного излучения

Источники СИ на базе синхротронов делятся на три поколения:

• Первое поколение — ускорители, изначально построенные для физики высоких энергий, но приспособленные для вывода СИ (например, ВЭПП-3, DORIS в Германии).
• Второе поколение — специализированные накопители с оптимизированными магнитными структурами (например, BESSY в Германии, NSLS в США).
• Третье поколение — накопители с вставными устройствами (ондуляторами и вигглерами), которые создают яркое и когерентное излучение (например, ESRF во Франции, APS в США, SPring-8 в Японии). В России к третьему поколению относится строящийся СКИФ.
• Четвёртое поколение — лазеры на свободных электронах (LCLS в США, European XFEL в Германии), которые дают импульсы излучения фемтосекундной длительности и сверхвысокой яркости.

По назначению

• Коллайдеры — синхротроны, в которых два встречных пучка частиц сталкиваются для изучения элементарных взаимодействий. Примеры: Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе (Швейцария), Теватрон в США (закрыт в 2011 году).
• Источники синхротронного излучения — накопители, где пучок используется для генерации СИ, применяемого в материаловедении, биологии, химии, медицине.
• Бустеры — промежуточные ускорители, повышающие энергию частиц перед инжекцией в основное кольцо коллайдера.

Применение

Физика высоких энергий

Синхротроны-коллайдеры позволили открыть множество элементарных частиц и подтвердить Стандартную модель. На БАК в 2012 году был открыт бозон Хиггса. В СССР на синхрофазотроне в Дубне были открыты антисигма-гиперон и другие барионы. Протонные синхротроны используются для изучения сильных и слабых взаимодействий.

Синхротронное излучение

СИ — мощный инструмент для исследования структуры вещества на атомном и молекулярном уровне:

• Рентгеновская кристаллография — определение трёхмерной структуры белков, вирусов, кристаллов.
• Спектроскопия — анализ химического состава и электронной структуры материалов (например, катализаторов, полупроводников).
• Микроскопия — получение изображений с разрешением до нанометров (например, в медицине для диагностики опухолей).
• Медицина — синхротронное излучение используется для лучевой терапии (например, в онкологии) и визуализации (ангиография, КТ).

Промышленность и материаловедение

СИ применяется для контроля качества материалов, изучения коррозии, усталости металлов, разработки новых сплавов и полимеров. В России на базе Курчатовского источника синхротронного излучения (КИСИ) проводятся исследования для атомной энергетики и авиастроения.

Крупнейшие синхротроны мира

Критика и ограничения

Синхротроны — дорогостоящие установки. Строительство крупного источника СИ или коллайдера может стоить миллиарды долларов, а эксплуатация требует значительных затрат на электроэнергию (например, БАК потребляет около 200 МВт). Кроме того, существует проблема утилизации радиоактивных материалов, образующихся в результате активации компонентов ускорителя. В России в 1990-х годах из-за экономического кризиса было заморожено строительство ряда синхротронов, в частности, ускорительно-накопительного комплекса на базе У-70.

Интересные факты

• Первый синхротрон в СССР (синхрофазотрон в Дубне) был создан под руководством Владимира Векслера и Александра Балдина. Он работал до 2007 года.
• Синхротронное излучение было впервые зарегистрировано в 1947 году на синхротроне General Electric в США, но его практическое применение началось только в 1970-х годах.
• В 2023 году в России началось строительство источника СИ «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ), который станет одним из самых ярких в мире.

Источники

• Векслер В. И. «Новый принцип ускорения релятивистских частиц» // Доклады АН СССР, 1944.
• Макмиллан Э. «The Synchrotron — A Proposed High-Energy Particle Accelerator» // Physical Review, 1945.
• Брук Г. «Циклические ускорители заряженных частиц». — М.: Атомиздат, 1970.
• Корчагин П. А. «Синхротронное излучение: методы и применение». — М.: Наука, 1985.
• Официальный сайт Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН), раздел «Ускорители».
• Отчёт о проекте «СКИФ» (ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов»), 2022.