Ускоритель UNILAC

Ускоритель UNILAC — это линейный ускоритель тяжёлых ионов, расположенный в Центре исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) в Дармштадте, Германия. UNILAC является ключевым элементом ускорительного комплекса GSI, предназначенным для ускорения ионов от водорода до урана до энергий, достаточных для проведения экспериментов по ядерной физике, физике тяжёлых ионов, материаловедению и медицине. Название UNILAC является аббревиатурой от «UNIversal Linear ACcelerator» (универсальный линейный ускоритель).

История

Проект создания универсального линейного ускорителя для GSI был разработан в конце 1960-х годов. Строительство началось в 1969 году, а первый пучок ионов был получен в 1975 году. UNILAC был спроектирован как многоцелевой ускоритель, способный ускорять широкий спектр ионов, включая самые тяжёлые, такие как уран. Ввод в эксплуатацию UNILAC позволил GSI стать одним из ведущих мировых центров по исследованию тяжёлых ионов.

В 1990-х годах UNILAC был модернизирован для работы в качестве инжектора в синхротрон SIS18 (Schwerionen Synchrotron). Это потребовало увеличения энергии и интенсивности пучка на выходе из ускорителя. В 2000-х годах была проведена ещё одна модернизация, позволившая увеличить энергию ионов до 11,4 МэВ/нуклон для самых тяжёлых ионов и до 20 МэВ/нуклон для лёгких. В 2010-х годах UNILAC был адаптирован для работы в составе нового ускорительного комплекса FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), который строится на базе GSI.

Устройство и принцип работы

UNILAC представляет собой линейный ускоритель, состоящий из нескольких секций, каждая из которых выполняет свою функцию. Основные компоненты ускорителя:

Источник ионов

Ускоритель использует различные типы источников ионов, включая электронно-циклотронные резонансные (ECR) источники и источники с дуговым разрядом. Источники позволяют получать ионы различных элементов с требуемой степенью ионизации. Для получения ионов урана, например, используется ECR-источник, который создаёт многозарядные ионы.

Низкоэнергетическая часть

После источника ионы проходят через систему предварительного ускорения, включающую в себя радиочастотный квадруполь (RFQ) и дрейфовую трубку (IH-структура). В этой части ионы ускоряются до энергии около 1,4 МэВ/нуклон.

Высокоэнергетическая часть

Основное ускорение происходит в высокоэнергетической секции, состоящей из нескольких ускоряющих модулей, работающих на частоте 108 МГц. В этой части ионы ускоряются до конечной энергии. Для тяжёлых ионов, таких как уран, максимальная энергия составляет около 11,4 МэВ/нуклон, для лёгких ионов — до 20 МэВ/нуклон.

Система транспортировки пучка

После ускорения пучок ионов направляется в систему транспортировки, которая включает в себя магниты, линзы и диагностическое оборудование. Система позволяет направлять пучок в различные экспериментальные установки или в синхротрон SIS18.

Характеристики

UNILAC обладает следующими ключевыми характеристиками:

• Тип ускорителя: линейный (линейный ускоритель).
• Диапазон ускоряемых ионов: от водорода (H) до урана (U).
• Максимальная энергия: до 11,4 МэВ/нуклон для тяжёлых ионов, до 20 МэВ/нуклон для лёгких.
• Интенсивность пучка: до 10¹² ионов в секунду для некоторых типов ионов.
• Частота ускоряющего поля: 108 МГц.
• Длина ускорителя: около 120 метров.
• Год ввода в эксплуатацию: 1975.

Применение

UNILAC используется в широком спектре научных исследований и прикладных задач:

Ядерная физика

Ускоритель позволяет проводить эксперименты по синтезу сверхтяжёлых элементов. В GSI с помощью UNILAC были впервые синтезированы элементы с атомными номерами 107 (борий), 108 (хассий), 109 (мейтнерий), 110 (дармштадтий), 111 (рентгений), 112 (коперниций) и 113 (нихоний). Для этого пучки ионов, ускоренных на UNILAC, направлялись на мишени из соответствующих элементов.

Физика тяжёлых ионов

UNILAC используется для изучения свойств ядерной материи, ядерных реакций и структуры ядер. Эксперименты на ускорителе позволяют исследовать такие явления, как деление ядер, ядерная фрагментация и образование экзотических ядер.

Материаловедение

Пучки ионов, ускоренных на UNILAC, используются для модификации свойств материалов. Ионная имплантация позволяет изменять электрические, оптические и механические свойства материалов. Также проводятся исследования по созданию наночастиц и наноструктур.

Медицина

UNILAC используется для проведения экспериментов по лучевой терапии с использованием ионов углерода. Ионная терапия позволяет эффективно уничтожать раковые клетки, минимизируя повреждение здоровых тканей. В GSI были разработаны методы сканирования пучка ионов для точного облучения опухолей.

Модернизация и будущее

В рамках проекта FAIR, который строится на базе GSI, UNILAC будет модернизирован для работы в качестве инжектора в новый ускорительный комплекс. Планируется увеличение интенсивности пучка и энергии ионов. После завершения строительства FAIR, UNILAC будет использоваться для предварительного ускорения ионов перед их инжекцией в синхротрон SIS100.

Интересные факты

• UNILAC является одним из немногих линейных ускорителей в мире, способных ускорять ионы урана до энергий, достаточных для синтеза сверхтяжёлых элементов.
• С помощью UNILAC были впервые получены ионы урана с энергией, достаточной для проведения экспериментов по ядерной физике.
• Ускоритель работает круглосуточно, обеспечивая пучки ионов для различных экспериментов.

Источники

• GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. «UNILAC — Universal Linear Accelerator». Официальный сайт GSI.
• Hofmann, S. (2002). «On the discovery of the heaviest elements». The European Physical Journal A.
• Münzenberg, G. (1998). «The GSI UNILAC — a universal linear accelerator for heavy ions». Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.
• «FAIR — Facility for Antiproton and Ion Research». Официальный сайт проекта FAIR.