Ускоритель заряженных частиц¶

Ускоритель заряженных частиц — устройство, предназначенное для получения пучков заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) с высокой энергией за счёт их разгона электрическим полем и удержания магнитным полем. Ускорители применяются в фундаментальной физике для изучения структуры материи, в прикладных областях — медицине, материаловедении, промышленности, а также служат источником синхротронного излучения.

¶Принцип действия

Работа ускорителя основана на том, что заряженная частица в электрическом поле приобретает энергию, пропорциональную пройденной разности потенциалов. Для многократного увеличения энергии частицу либо пропускают через одну и ту же ускоряющую секцию много раз (циклические ускорители), либо выстраивают длинную цепочку ускоряющих промежутков (линейные ускорители). Магнитные поля используются для поворота и фокусировки пучка, а также для удержания частиц на замкнутой орбите.

Основные характеристики ускорителя — максимальная энергия частиц (измеряется в электронвольтах и кратных единицах), интенсивность пучка, тип ускоряемых частиц и светимость (для коллайдеров).

¶История

Первые ускорители появились в 1930-е годы. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон расщепили ядро лития протонами, ускоренными электростатическим генератором. В том же году Эрнест Лоуренс построил первый циклотрон — циклический ускоритель, в котором частицы двигались по спирали в постоянном магнитном поле.

В 1940–1950-е годы были разработаны синхротрон и синхрофазотрон, позволившие достичь энергий в гигаэлектронвольты. В СССР крупнейшим стал синхрофазотрон в Дубне (1957), а затем ускорительно-накопительный комплекс в Протвино. В 1960-е годы началось строительство линейных ускорителей на бегущей волне, что дало толчок развитию электронных коллайдеров.

¶Классификация

По траектории движения частиц ускорители делят на две большие группы.

¶Линейные ускорители

Частицы движутся по прямой, проходя последовательность ускоряющих секций. Применяются для электронов и ионов. Пример — Стэнфордский линейный ускоритель длиной около 3 км.

¶Циклические ускорители

Частицы движутся по замкнутой орбите многократно. К ним относятся:

• Циклотрон — постоянное магнитное поле, частота ускоряющего напряжения постоянна;
• Синхроциклотрон (фазотрон) — частота ускоряющего поля меняется;
• Синхротрон — магнитное поле и частота меняются синхронно, частицы удерживаются на орбите постоянного радиуса;
• Коллайдер — встречные пучки, обеспечивающие максимальную энергию взаимодействия.

По типу частиц различают электронные, протонные, ионные ускорители и ускорители на встречных пучках.

¶Устройство

Типовой ускоритель включает:

• инжектор — источник частиц;
• ускоряющие структуры — резонаторы, волноводы;
• магнитную систему — диполи для поворота, квадруполи для фокусировки;
• вакуумную систему — поддержание глубокого вакуума в камере;
• системы диагностики и управления — датчики положения и тока пучка;
• системы охлаждения и питания.

В коллайдерах дополнительно предусмотрены системы столкновения и детекторы для регистрации продуктов реакций.

¶Применение

¶Фундаментальная наука

Ускорители — основной инструмент физики элементарных частиц. На них были открыты многие частицы, включая W- и Z-бозоны, кварки, бозон Хиггса. Крупнейший действующий ускоритель — Большой адронный коллайдер в ЦЕРН (Швейцария/Франция), длина основного кольца около 27 км.

¶Медицина

Протонные и ионные ускорители применяются в лучевой терапии опухолей. Электронные ускорители используются для стерилизации медицинского оборудования и производства радиофармпрепаратов.

¶Промышленность и материаловедение

Ионная имплантация, радиационная обработка материалов, дефектоскопия, стерилизация продукции. Синхротронное излучение применяется для рентгеноструктурного анализа и микроскопии.

¶Энергетика

Ведутся исследования по использованию ускорителей в системах, связанных с ядерной энергетикой (например, электроядерные установки), однако промышленного применения они пока не получили.

¶Ускорители в России

В России действуют несколько крупных ускорительных центров. Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) эксплуатирует электрон-позитронные коллайдеры ВЭПП. В Дубне работает нуклотрон Объединённого института ядерных исследований. В Протвино расположен ускоритель У-70 Института физики высоких энергий. В Курчатовском институте и ряде вузов действуют ускорители для прикладных задач. Россия участвует в международных проектах, включая ЦЕРН.

¶Критика и ограничения

Строительство и эксплуатация крупных ускорителей требуют значительных финансовых и энергетических затрат. Стоимость Большого адронного коллайдера превысила несколько миллиардов долларов. Существуют экологические и радиационные риски, требующие строгого контроля. Кроме того, рост энергии ускорителей ограничен техническими и экономическими факторами, что стимулирует поиск альтернативных методов ускорения (лазерные и плазменные ускорители).

¶Интересные факты

• Первый циклотрон Лоуренса имел диаметр около 10 см.
• В синхрофазотроне Дубны в 1957 году была достигнута рекордная для того времени энергия 10 ГэВ.
• Синхротронное излучение, изначально считавшееся побочным эффектом, стало самостоятельным инструментом исследований.
• В ускорителях частицы разгоняются до скоростей, составляющих 99,999999 % скорости света.

Источники: учебники по физике элементарных частиц и ускорительной технике, материалы ЦЕРН, ИЯФ СО РАН, ОИЯИ, публикации по истории физики.