Синхрофазотрон: що таке, принцип дії та опис. Що таке синхрофазотрон Принцип роботи синхрофазотрону
У 1957 році Радянський Союз здійснив революційний науковий прорив відразу у двох напрямках: у жовтні було запущено перший штучний супутник Землі, а за кілька місяців до цього, у березні, у Дубні почав працювати легендарний синхрофазотрон – гігантська установка для дослідження мікросвіту. Ці дві події вразили весь світ, і слова «супутник» та «синхрофазотрон» міцно увійшли до нашого життя.
Синхрофазотрон є одним з видів прискорювачів заряджених частинок. Частинки в них розганяють до великих швидкостей і, отже, високих енергій. За результатами їх зіткнень з іншими атомними частинками судять про будову та властивості матерії. Імовірність зіткнень визначається інтенсивністю прискореного пучка частинок, тобто кількістю частинок у ньому, тому інтенсивність поряд з енергією – важливий параметр прискорювача.
Про необхідність створення в Радянському Союзі серйозної бази прискорювальної було заявлено на урядовому рівні в березні 1938 року. Група дослідників Ленінградського фізико-технічного інституту (ЛФТІ) на чолі з академіком О.Ф. Іоффе звернулася до голови РНК СРСР В.М. Молотову з листом, у якому пропонувалося створити технічну базу для досліджень у галузі будови атомного ядра. Питання будови атомного ядра стали однією з центральних проблем природознавства, а Радянський Союз у вирішенні їх значно відставав. Так, якщо в Америці було принаймні п'ять циклотронів, то в Радянському Союзі не було жодного (єдиний циклотрон Радієвого інституту АН (РІАН), пущений в 1937, через дефекти проектування практично не працював). Звернення до Молотова містило прохання створити умови для закінчення до 1 січня 1939 споруди циклотрону ЛФТІ. Роботу щодо його створення, розпочату в 1937 році, призупинили через відомчі проблеми та припинення фінансування.
У листопаді 1938 року С.І. Вавілов у зверненні до президії АН запропонував будувати циклотрон ЛФТІ в Москві та перевести до складу Фізичного інституту АН (ФІАН) з ЛФТІ лабораторію І.В. Курчатова, яка займалася його створенням. Сергій Іванович хотів, щоб центральна лабораторія з вивчення атомного ядра розташовувалась там же, де знаходилася Академія наук, тобто у Москві. Однак його не підтримали у ЛФТІ. Суперечки закінчилися наприкінці 1939 року, коли А.Ф. Йоффе запропонував створити відразу три циклотрони. 30 липня 1940 року на засіданні президії АН СРСР було вирішено доручити РІАНу в поточному році дообладнати діючий циклотрон, ФІАН - до 15 жовтня підготувати необхідні матеріали з будівництва нового потужного циклотрону, а ЛФТІ - закінчити будівництво циклотрону в першому кварталі 1941 року.
У зв'язку з цим рішенням у ФІАН створили так звану циклотронну бригаду, до якої увійшли Володимир Йосипович Векслер, Сергій Миколайович Вернов, Павло Олексійович Черенков, Леонід Васильович Грошев та Євген Львович Фейнберг. 26 вересня 1940 року бюро Відділення фізико-математичних наук (ОФМН) заслухало інформацію В.І. Векслера про проектне завдання на циклотрон, схвалило його основні характеристики та кошторис на будівництво. Циклотрон розрахований на прискорення дейтронів до енергії 50 МеВ.
Отже, ми підійшли до найголовнішого, до людини, яка зробила значний внесок у розвиток фізики нашій країні у роки - Володимир Йосипович Векслер. Про це видатного фізика й йтиметься далі.
В. І. Векслер народився в Україні у місті Житомирі 3 березня 1907 року. Його батько загинув у першій світовій війні.
У 1921 році, в період сильного голоду та розрухи, з великими труднощами, без грошей, Володя Векслер потрапляє до голодної переднепівської Москви. Підліток опиняється у будинку-комуні, заснованій у Хамовниках, у старовинному особняку, покинутому господарями.
Векслера вирізняв інтерес до фізики та практичної радіотехніки, він сам зібрав детекторний радіоприймач, що в ті роки було справою надзвичайно важким, багато читав, у школі добре вчився.
Вийшовши з комуни, Векслер зберіг багато вихованих нею поглядів і звичок.
Зауважимо, що покоління, до якого належав Володимир Йосипович, у переважній більшості з повною зневагою ставилося до побутових сторін свого життя, але фанатично захоплювалося науковими, професійними та соціальними проблемами.
Векслер серед інших комунарів закінчив дев'ятирічну середню школу і разом з усіма випускниками вступив робітникам на виробництво, де працював електромонтером понад два роки.
Його потяг до знань, любов до книги та рідкісна кмітливість були помічені і наприкінці 20-х років юнак отримав "комсомольську путівку" до інституту.
Коли Володимир Йосипович закінчував інститут, проводилася чергова реорганізація вищих навчальних закладів та зміна їхньої назви. Вийшло так, що Векслер вступав до Плеханівського інституту народного господарства, а закінчив МЕІ (Московський енергетичний інститут) та отримав кваліфікацію інженера за спеціальністю ренгенотехніка.
У тому року він вступив у лабораторію рентгеноструктурного аналізу Всесоюзного електротехнічного інституту у Лефортові, де Володимир Йосипович розпочав свою роботу з будівництва вимірювальних приладів та вивчення методів вимірювання іонізуючого випромінювання, тобто. потоків заряджених частинок.
У цій лабораторії Векслер працював 6 років, швидко пройшовши шлях від лаборанта до завідувача. Тут уже проявився характерний "почерк" Векслер як талановитого вченого-експериментатора. Його учень, професор М. С. Рабінович згодом писав у своїх спогадах про Векслера: "Майже 20 років він сам збирав, монтував різні придумані ним установки, ніколи не цураючись будь-якої роботи. Це дозволяло йому бачити не тільки фасад, не тільки її ідейний бік". , Але й усе, що ховається за остаточними результатами, за точністю вимірів, за блискучими шафами установок.
У вересні 1937 року Векслер перейшов із Всесоюзного електротехнічного інституту до Фізичного інституту Академії наук СРСР імені П. М. Лебедєва (ФІАН). Це була важлива подія у житті вченого.
На той час Володимир Йосипович уже захистив кандидатську дисертацію, темою якої був устрій та застосування сконструйованих ним "пропорційних підсилювачів".
У ФІАН Векслер зайнявся вивченням космічних променів. На відміну від А. І. Алиханова та його співробітників, котрі облюбували мальовничу гору Арагац у Вірменії, Векслер брав участь у експедиціях вчених на Ельбрус, та був, пізніше, на Памир - Дах світу. Фізиків усього світу вивчали потоки заряджених часток високої енергії, які неможливо було одержати у земних лабораторіях. Дослідники піднімалися ближче до таємничих потоків космічного випромінювання.
Навіть зараз космічні промені займають важливе місце в арсеналі астрофізиків та фахівців з фізики високих енергій, висуваються цікаві теорії їх походження. У ті ж часи отримати частки з такою енергією для вивчення було просто неможливо, а для фізиків було просто необхідно вивчати їхню взаємодію з полями та іншими частинками. Вже в тридцятих роках у багатьох учених-атомників виникала думка: як добре було б отримати частки таких високих "космічних" енергій у лабораторії за допомогою надійних приладів для вивчення субатомних частинок, метод вивчення яких був один – бомбардування (як образно говорили раніше і рідко кажуть тепер) одних частинок іншими. Резерфорд відкрив існування атомного ядра, бомбардуючи атоми потужними снарядами – альфа-частинками. Таким самим методом були відкриті ядерні реакції. Щоб перетворити один хімічний елемент на інший, потрібно змінити склад ядра. Це досягалося шляхом бомбардування ядер альфа-частинками, а тепер частинками, розігнаними в потужних прискорювачах.
Після вторгнення гітлерівської Німеччини багато фізиків негайно включилися до роботи військового значення. Векслер перервав вивчення космічних променів і зайнявся конструюванням та удосконаленням радіотехнічної апаратури для потреб фронту.
У цей час Фізичний інститут Академії наук, як і деякі інші академічні інститути, евакуювався до Казані. Лише 1944 року вдалося організувати з Казані експедицію на Памір, де група Векслера змогла продовжити розпочаті Кавказі дослідження космічних променів і ядерних процесів, викликаних частками високих енергій. Не докладно розглядаючи внесок Векслера у вивчення ядерних процесів, пов'язаних з космічними променями, якому були присвячені довгі роки його роботи, можна сказати, що він був дуже значним і дав багато важливих результатів. Але, мабуть, найважливіше полягало в тому, що вивчення космічних променів привело вченого до нових ідей прискорення частинок. У горах Векслеру спала на думку про будівництво прискорювачів заряджених частинок для створення власних "космічних променів".
З 1944 року В. І. Векслер перейшов до нової області, що посіла чільне місце у його науковій роботі. З цього часу ім'я Векслера вже назавжди пов'язане зі створенням великих «прискорювачів, що «автофазують», і розробкою нових методів прискорення.
Однак він не втратив інтересу до космічних променів і продовжував працювати у цій галузі. Векслер брав участь у високогірних наукових експедиціях на Памір а протягом 1946-1947 років. У космічних променях виявляють частки фантастично високих енергій, недоступних прискорювачів. Векслеру було ясно, що «природний прискорювач» частинок до таких високих енергій не може йти порівняно з «творінням рук людських».
Векслер запропонував вихід із цього глухого кута в 1944 році. Новий принцип, яким діяли прискорювачі Векслера, автор назвав автофазуванням.
До цього часу було створено прискорювач заряджених частинок типу "циклотрон" (Векслер у популярній газетній статті так пояснив принцип дії циклотрону: "У цьому приладі заряджена частка, рухаючись у магнітному полі по спіралі, безперервно прискорюється змінним електричним полем. Завдяки цьому до циклотрона вдається повідомити часткам енергію в 10-20 мільйонів електрон-вольт"). Але зрозуміли, що порога 20 МеВ цим шляхом не перейти.
У циклотроні магнітне поле змінюється циклічно, розганяючи заряджені частинки. Але у процесі прискорення відбувається збільшення маси частинок (як і має бути по СТО - спеціальної теорії відносності). Це призводить до порушення процесу - через кілька обертів магнітне поле замість прискорення починає гальмувати частки.
Векслер пропонує почати повільно збільшувати магнітне поле в циклотроні, живлячи магніт змінним струмом. Тоді виявиться, що в середньому частота обігу частинок по колу автоматично підтримуватиметься рівною частотою електричного поля, прикладеного до дуантів (пари магнітних систем, що викривляє шлях і прискорює частинки магнітним полем).
При кожному проходженні через щілину дуантів частинки мають і додатково отримують різне збільшення маси (і відповідно отримують різне збільшення радіусу, по якому їх загортає магнітне поле) в залежності від напруги поля між дуантами в момент прискорення даної частинки. Серед усіх частинок можна виділити рівноважні ("удачливі") частинки. Для цих частинок механізм, що автоматично підтримує сталість періоду звернення, особливо простий.
"Удачливі" частинки при кожному проходженні через щілину дуантів зазнають збільшення маси та збільшення радіусу кола. Воно точно компенсує зменшення радіусу, викликане збільшенням магнітного поля під час одного обороту. Отже, "удачливі" (рівноважні) частинки можуть прискорюватися резонансно доти, поки відбувається зростання магнітного поля.
Виявилося, що таку ж здатність мають і майже всі інші частинки, тільки розгін триває довше. У процесі прискорення всі частинки будуть відчувати коливання біля радіусу орбіти рівноважних частинок. Енергія частинок у середньому дорівнюватиме енергії рівноважних частинок. Отже, майже всі частинки беруть участь у резонансному прискоренні.
Якщо замість того, щоб повільно збільшувати магнітне поле в прискорювачі (циклотроні), живлячи магніт змінним струмом, збільшувати період змінного електричного поля, прикладеного до дуантів, то і тоді встановиться режим «автофазування».
Може здатися, що для появи автофазування та здійснення резонансного прискорення обов'язково змінювати в часі або магнітне поле, або період електричного. Насправді це не так. автором раніше за інших способів, може бути реалізований при незмінному в часі магнітному полі та постійній частоті".
У 1955 році, коли Векслер написав свою брошуру про прискорювачі, цей принцип, як вказував автор, ліг в основу прискорювача - мікротрона - прискорювача, що потребує потужних джерел мікрохвиль. За твердженням Векслера, мікротрон "не отримав ще поширення (1955). Однак кілька прискорювачів електронів на енергію до 4 МеВ працює вже кілька років".
Векслер був блискучим популяризатором фізики, але, на жаль, через зайнятість рідко виступав із популярними статтями.
Принцип автофазування показав, що можна мати стійку область фаз і, отже, можна змінювати частоту поля, що прискорює, не побоюючись вийти з області резонансного прискорення. Необхідно лише правильно вибрати фазу прискорення. Зміною частоти поля стало можливо легко компенсувати зміну маси частинок. Більше того, зміна частоти дозволила спіраль циклотрону, що швидко розкручується, наблизити до кола і прискорювати частинки до тих пір, поки вистачало напруженості магнітного поля, щоб утримати частинки на заданій орбіті.
Описаний прискорювач з автофазуванням, в якому змінюється частота електромагнітного поля, називається синхроциклотрон, або фазотрон.
У синхрофазотроні використовується комбінація двох принципів автофазування. Перший лежить в основі фазотрону, про який вже говорилося, - це зміна частоти електромагнітного поля. Другий принцип використаний у синхротронах – тут змінюється напруженість магнітного поля.
Від часу відкриття автофазування вчені та інженери почали проектувати прискорювачі на мільярди електрон-вольт. Першим із них у нашій країні був протонний прискорювач - синхрофазотрон на 10 мільярдів електрон-вольт у Дубні.
Проектування цього великого прискорювача розпочалося 1949 року з ініціативи У. І. Векслера і З. І. Вавілова, пуск у експлуатацію відбувся 1957 року. Другий великий прискорювач збудований у Протвіно поблизу Серпухова вже на енергію 70 ГеВ. На ньому працюють зараз не лише радянські дослідники, а й фізики інших країн.
Але задовго до пуску двох гігантських "мільярдних" прискорювачів у Фізичному інституті Академії наук (ФІАН) під керівництвом Векслера були побудовані прискорювачі релятивістських частинок. В 1947 відбувся пуск прискорювача електронів до енергій 30 МеВ, який служив моделлю більшого прискорювача електронів - синхротрону на енергію 250 МеВ. Синхротрон був запущений у 1949 році. На цих прискорювачах науковці Фізичного інституту Академії наук СРСР виконали першокласні роботи з мезонної фізики та атомного ядра.
Після запуску дубненського синхрофазотрона настав період швидкого прогресу у будівництві прискорювачів великі енергії. У СРСР та в інших країнах були побудовані та введені в дію багато прискорювачів. До них відносяться згадуваний вже прискорювач на 70 ГеВ у Серпухові, на 50 ГеВ у Батавії (США), на 35 ГеВ у Женеві (Швейцарія), на 35 ГеВ у Каліфорнії (США). Нині фізики ставлять собі завдання створення прискорювачів на кілька тераэлектрон-вольт (тераэлектрон-вольт - 1012 эВ).
1944 року, коли народився термін "автофазування". Векслер було 37 років. Векслер виявився обдарованим організатором наукової роботи та головою наукової школи.
Метод автофазування як дозрілий плід чекав вченого-провидця, який його зніме та заволодіє ним. Через рік незалежно від Векслер принцип автофазування відкрив відомий американський вчений мак-Мілан. Він визнав пріоритет радянського вченого. Мак-Мілан неодноразово зустрічався з Векслером. Вони були дуже дружні, і дружба двох чудових учених ніколи нічим не затьмарювалася до смерті Векслера.
Прискорювачі, збудовані останніми роками, хоч і засновані на принципі автофазування Векслера, але, звичайно, значно вдосконалені в порівнянні з машинами першого покоління.
Окрім автофазування, Векслер висловив інші ідеї прискорення частинок, які виявились дуже плідними. Розвитком цих ідей Векслер широко займаються в СРСР та інших країнах.
У березні 1958 року в Будинку вчених на Кропоткінській вулиці відбулися традиційні річні збори Академії наук СРСР. Векслер виклав ідею нового принципу прискорення, названого ним "когерентним". Він дозволяє прискорювати як окремі частинки, а й згустки плазми, що з великої кількості частинок. "Когерентний" метод прискорення, як обережно говорив Векслер у 1958 році, дозволяє думати про можливість прискорення частинок до енергій у тисячу мільярдів електрон-вольт і навіть вище.
1962 року Векслер на чолі делегації вчених вилетів до Женеви для участі в роботі Міжнародної конференції з фізики високих енергій. Серед сорока членів радянської делегації були такі великі фізики, як А. І. Алиханов, М. М. Боголюбов, Д. І. Блохінцев, І. Я. Померанчук, М. А. Марков. Багато вчених, які входили до делегації, були фахівцями з прискорювачів та учнів Векслера.
Володимир Йосипович Векслер протягом кількох років був головою Комісії з фізики високих енергій Міжнародного союзу теоретичної та прикладної фізики.
25 жовтня 1963 року Векслеру та його американському колезі – директору радіаційної лабораторії Каліфорнійського університету імені Лоуренса Есуну Мак-Міллану – було присуджено американську премію «Атом для світу».
Векслер був незмінним директором Лабораторії високих енергій Об'єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні. Тепер про перебування Векслера у цьому місті нагадує названа його ім'ям вулиця.
У Дубні довгі роки концентрувалася науково-дослідницька робота Векслера. Він поєднував свою роботу в Об'єднаному інституті ядерних досліджень із роботою у Фізичному інституті імені П. М. Лебедєва, де в далекій молодості розпочав свій шлях дослідника, був професором МДУ, де завідував кафедрою.
У 1963 році Векслер був обраний академіком-секретарем відділення ядерної фізики Академії наук СРСР і беззмінно обіймав цю важливу посаду.
Наукові досягнення В. І. Векслера були високо оцінені присудженням йому Державної премії Першого ступеня та Ленінської премії (1959). Визначна наукова, педагогічна, організаційна та громадська діяльність вченого була відзначена трьома орденами Леніна, орденом Трудового Червоного Прапора та медалями СРСР.
Володимир Йосипович Векслер раптово помер 20 вересня 1966 від повторного інфаркту. Йому було лише 59 років. У житті він завжди здавався молодшим за свої роки, був енергійним, діяльним і невтомним.
У 1957 році СРСР здійснив науковий та технічний прорив у кількох областях: зробив успішний запуск штучного супутника Землі, а за кілька місяців до цієї події в Дубні почав працювати синхрофазотрон. Що це таке і для чого потрібна така установка? Це питання хвилювало як громадян СРСР тоді, а й увесь світ. Зрозуміло, у науковому колі розуміли, що це таке, але звичайні громадяни дивувалися, коли чули це слово. Навіть сьогодні більшість людей не розуміють суті та принципу синхрофазотрону, хоча не раз чули це слово. Давайте розберемося, що це за пристрій і навіщо застосовувалося.
Навіщо потрібен синхрофазотрон?
Розробляли цю установку вивчення мікросвіту та пізнання структури елементарних частинок, законів їх взаємодії друг з одним. Сам спосіб пізнання був надзвичайно простий: поламати частинку та подивитися, що знаходиться всередині. Однак як можна поламати протон? Для цього і був створений синхрофазотрон, який розганяє частки і вдаряє їх за мету. Остання може бути нерухомою, а в сучасному Великому адронному колайдері (він є вдосконаленою версією старого доброго синхрофазотрона) мета є рухомою. Там пучки протонів із величезною швидкістю рухаються один до одного й ударяються.
Вважалося, що ця установка дозволить здійснити науковий прорив, відкрити нові елементи та способи отримання атомної енергії з дешевих джерел, які перевершували б за ефективністю збагачений уран і були б безпечнішими та менш шкідливими для навколишнього середовища.
Військові цілі
Звісно, військові цілі також переслідувалися. Створення атомної енергії у мирних цілях – це лише виправдання для наївних. Не дарма проект синхрофазотрону вийшов із грифом "Цілком таємно", адже будівництво цього прискорювача здійснювалось у рамках проекту створення нової атомної бомби. З його допомогою хотіли отримати удосконалену теорію ядерних сил, яка необхідна для розрахунку та створення бомби. Щоправда, виявилося все набагато складнішим, і навіть сьогодні ця теорія відсутня.
Що таке синхрофазотрон простими словами?
Якщо узагальнити, то дана установка є прискорювачем елементарних частинок, протонів зокрема. Синхрофазотрон складається з немагнітної закільцованої труби з вакуумом усередині, а також потужних електромагнітів. По черзі магніти включаються, спрямовуючи заряджені частинки усередині вакуумної труби. Коли за допомогою прискорювачів досягають максимальної швидкості, їх направляють у спеціальну мету. Протони в неї вдаряються, розбивають саму мету і розбиваються у своїй самі. Осколки розлітаються в різні боки і залишають сліди у бульбашковій камері. За цими слідами група вчених аналізує їхню природу.
Так було раніше, проте в сучасних установках (типу Великого адронного колайдера) застосовуються сучасніші детектори замість бульбашкової камери, які дають більше інформації про уламки протонів.
Сама по собі установка є досить складною та високотехнологічною. Можна сказати, що синхрофазотрон – це "далекий родич" сучасного Великого адронного колайдера. По суті його можна назвати аналогом мікроскопа. Обидва ці прилади призначаються вивчення мікросвіту, ось лише принцип вивчення різний.
Докладніше про пристрій
Отже, ми вже знаємо, що таке синхрофазотрон, а також те, що частинки тут розганяються до величезних швидкостей. Як виявилося, для розгону протонів до величезної швидкості необхідно створити різницю потенціалів у сотні мільярдів вольт. На жаль, зробити таке людству не під силу, тому частки придумали поступово розганяти.
У встановленні частки рухаються по колу, і кожному обороті їх підживлюють енергією, отримуючи прискорення. І хоча подібне підживлення невелике, за мільйони обертів можна набрати необхідну енергію.
В основу роботи синхрофазотрона покладено саме цей принцип. Розігнані до невеликих значень елементарні частинки запускаються тунель, де розташовуються магніти. Вони створюють перпендикулярне кільце магнітне поле. Багато хто помилково вважає, що ці магніти прискорюють частинки, але насправді це не так. Вони лише змінюють їхню траєкторію, змушуючи рухатися по колу, проте не прискорюють їх. Саме прискорення відбувається на певних розгінних проміжках.
Розгін частинок
Подібний проміжок прискорення є конденсатором, на який подається напруга з високою частотою. До речі, це основа всієї роботи цієї установки. Пучок протонів влітає в даний конденсатор у момент, коли напруга в ньому дорівнює нулю. У міру того, як частинки пролітають по конденсатору, напруга встигає зрости, що підганяє частинки. На наступному колі це повторюється, тому що частота змінної напруги спеціально підбирається рівною частотою обертання частинки кільцем. Отже, синхронно та у фазі здійснюється прискорення протонів. Звідси і назва – синхрофазотрон.
До речі, за такого способу прискорення є певний корисний ефект. Якщо раптом пучок протонів летить швидше за необхідну швидкість, то він влітає в розгінний проміжок при негативному значенні напруги, через що трохи пригальмовує. Якщо швидкість руху менша, ефект буде зворотним: частка отримує прискорення і наздоганяє основний потік протонів. Внаслідок цього щільний і компактний пучок частинок рухається з однією швидкістю.
Проблеми
В ідеалі частки необхідно розігнати до максимально можливої швидкості. І якщо протони на кожному колі рухаються швидше та швидше, то чому не можна їх розігнати до максимально можливої швидкості? Причин кілька.
По-перше, зростання енергії передбачає збільшення маси часток. На жаль, релятивістські закони не дозволяють жоден елемент розігнати вище за швидкість світла. У синхрофазотроні швидкість протонів практично досягає швидкості руху світла, що сильно збільшує їхню масу. В результаті їх стає важко утримувати на круговій орбіті радіусу. Ще зі школи відомо, що радіус руху частинок у магнітному полі обернено пропорційний масі і прямо пропорційний величині поля. І оскільки маса часток зростає, то радіус необхідно збільшувати та робити магнітне поле сильнішим. Ці умови і створюють обмеження реалізації умов дослідження, оскільки технології навіть сьогодні обмежені. Поки що не вдається створити поле з індукцією вище за кілька тесла. Тому й роблять тунелі великої довжини, адже за великого радіусу важкі частки на величезній швидкості вдається утримувати в магнітному полі.
Друга проблема - рух із прискоренням по колу. Відомо, що заряд, що рухається з певною швидкістю, випромінює енергію, тобто втрачає її. Отже, частки при прискоренні постійно втрачають частину енергії, і що їх швидкість, тим більше енергії вони витрачають. У якийсь момент настає рівновага між одержуваною енергією на ділянці розгону і втратою цієї кількості енергії за один оборот.
Дослідження, що проводяться на синхрофазотроні
Тепер ми розуміємо, який принцип є основою роботи синхрофазотрона. Він дозволив провести низку досліджень та здійснити відкриття. Зокрема, вчені змогли вивчити властивості прискорених дейтронів, поведінку квантової структури ядер, взаємодію важких іонів з мішенями, а також розробити технологію утилізації урану-238.
Застосування результатів, отриманих під час випробувань
Отримані за цими напрямами результати застосовуються сьогодні у будівництві космічних кораблів, проектуванні атомних електростанцій, і навіть розробки спеціального устаткування й робототехніки. З усього цього випливає, що синхрофазотрон – такий пристрій, внесок у науку якого переоцінити складно.
Висновок
Протягом 50 років подібні установки служать для науки і активно застосовуються вченими всієї планети. Раніше створений синхрофазотрон і подібні йому установки (вони створювалися не тільки в СРСР) є лише однією ланкою в ланцюжку еволюції. Сьогодні з'являються більш досконалі пристрої - нуклотрони, що мають величезну енергію.
Одним із найдосконаліших серед подібних пристроїв є Великий адронний колайдер. На відміну від дії синхрофазотрона, він зустрічними курсами зіштовхує два пучки частинок, внаслідок чого енергія, що виділяється від зіткнення, у багато разів перевищує енергію на синхрофазотроні. Це відкриває можливості більш точного вивчення елементарних частинок.
Мабуть, тепер ви повинні розуміти, що таке синхрофазотрон і для чого він взагалі потрібний. Ця установка дозволила зробити низку відкриттів. Сьогодні з нього зробили прискорювач електронів, і зараз він працює у ФІАН.
Парламентаріям Великобританії знадобилося лише 15 хвилин, щоб вирішити питання державної інвестиції розміром 1 млрд. фунтів у будівництво синхрофазотрона. Після цього вони протягом однієї години бурхливо обговорювали вартість кави, не мало не багато, у парламентському буфеті. І вирішили: знизили ціну на 15%.
Здавалося б, завдання за складністю взагалі не можна порівняти, і все за логікою речей мало статися з точністю до навпаки. Година – на науку, 15 хвилин – на каву. Та ні! Як з'ясувалося пізніше, більшість високоповажних політиків оперативно дали своє потаємне за, зовсім не маючи поняття, що таке синхрофазотрон.
Давайте, дорогий читачу, разом з вами заповнимо цю прогалину знань і не будемо уподібнюватися до наукової недалекоглядності деяких товаришів.
Що таке синхрофазотрон?
Синхрофазотрон – електронна установка для наукових досліджень – циклічний прискорювач елементарних частинок (нейтронів, протонів, електронів та ін). Має форму величезного кільця вагою понад 36 тис. тонн. Його надпотужні магніти і трубки, що прискорюють, наділяють мікроскопічні частинки колосальною енергією спрямованого руху. У надрах резонатора фазотрона, на глибині 14,5 метра, відбуваються, по правді, фантастичні перетворення фізично: наприклад, крихітний протон отримує 20 млн. електрон-вольт, а важкий іон - 5 млн. еВ. І це лише скромна частка всіх можливостей!
Саме завдяки унікальним властивостям циклічного прискорювача вченим вдалося пізнати найпотаємніші таємниці світобудови: вивчити будову мізерно малих частинок і фізико-хімічні процеси, що відбуваються всередині їх оболонок; на власні очі спостерігати реакцію синтезу; відкривати природу досі незвіданих мікроскопічних об'єктів.
Фазотрон ознаменував нову еру наукових досліджень - територію досліджень, де був безсилий мікроскоп, про яку з великою обережністю говорили навіть фантасти-новатори (їх прозорливий творчий політ не зміг передбачити довершених відкриттів!).
Історія синхрофазотрону
Спочатку прискорювачі були лінійними, тобто не мали циклічної структури. Але невдовзі фізикам довелося від них відмовитися. Вимоги до величин енергії збільшувалися її потрібно було більше. А лінійна конструкція не справлялася: теоретичні розрахунки показували, що з цих значень, має бути неймовірної довжини.
- У 1929р. американець Е. Лоренс робить спроби вирішити цю проблему і винаходить циклотрон, прообраз сучасного фазотрону. Випробування відбуваються успішно. Через десять років, 1939р. Лоуренс удостоюється Нобелівської премії.
- У 1938р. у СРСР питанням створення та удосконалення прискорювачів починає активно займатися талановитий фізик В.І.Векслер. У лютому 1944р. до нього приходить революційна ідея, як подолати енергетичний бар'єр. Свій метод Векслер називає "автофазування". Рівно через рік, цю ж технологію незалежно відкриває Е. Макміллан, учений зі США.
- У 1949 р. у Радянському Союзі під керівництвом В.І. Векслера та С.І. Вавілова розгортається великомасштабний науковий проект - створення синхрофазотрона потужністю 10 млрд. електрон-вольт. Протягом 8 років на базі інституту ядерних досліджень у місті Дубно в Україні група фізиків-теоретиків, конструкторів та інженерів старанно працювала над установкою. Тому його ще називають Дубнінський синхрофазотрон.
Пуск синхрофазотрона в експлуатацію відбувся у березні 1957 р., за півроку до польоту у космос першого штучного супутника Землі.
Які дослідження проводяться на синхрофазотроні?
Резонансний циклічний прискорювач Векслера породив плеяду видатних відкриттів у багатьох аспектах фундаментальної фізики і, зокрема, у деяких спірних та маловивчених проблем теорії відносності Ейнштейна:
- поведінка кваркової структури ядер у процесі взаємодії;
- утворення кумулятивних частинок внаслідок реакцій за участю ядер;
- вивчення властивостей прискорених дейтронів;
- взаємодія важких іонів із мішенями (перевірка стійкості мікросхем);
- утилізація Урану-238.
Результати, отримані за цими напрямами, успішно застосовуються у будівництві космічних кораблів, проектуванні атомних електростанцій, розробці робототехніки та обладнання для роботи в екстремальних умовах. Але найдивовижніше те, що низка досліджень, здійснених на синхрофазотроні, дедалі більше наближає вчених до розгадки великої таємниці походження Всесвіту.
Весь світ знає, що у 1957 році СРСР запустив перший у світі штучний супутник Землі. Проте, мало хто знає, що цього ж року Радянський Союз розпочав випробування синхрофазотрона, який є прародителем сучасного Великого Адронного Колайдера у Женеві. У статті йтиметься про те, що таке синхрофазотрон і як він працює.
Відповідаючи на запитання, що таке синхрофазотрон, слід сказати, що це високотехнологічний та наукомісткий пристрій, який призначався для дослідження мікрокосмосу. Зокрема, ідея синхрофазотрона полягала в наступному: необхідно було за допомогою потужних магнітних полів, створюваних електромагнітами, розігнати до великих швидкостей пучок елементарних частинок (протонів), а потім направити цей пучок на мету. Від такого зіткнення протони мають «розламатися» на частини. Неподалік мішені знаходиться спеціальний детектор — бульбашкова камера. Цей детектор дозволяє за треками, які залишають частини протона, досліджувати їхню природу та властивості.
Навіщо треба було будувати синхрофазотрон СРСР? У цьому науковому експерименті, який проходив під категорією «цілком таємно», радянські вчені намагалися знайти нове джерело дешевшої та ефективнішої енергії, ніж збагачений уран. Також переслідувалися і суто наукові цілі глибшого вивчення природи ядерних взаємодій та світу субатомних частинок.
Принцип роботи синхрофазотрону
Наведений вище опис завдань, які стояли перед синхрофазотроном, може багатьом здатися не надто складним для реалізації на практиці, але це не так. Незважаючи на всю простоту питання, що таке синхрофазотрон, щоб прискорити протони до необхідних величезних швидкостей, потрібна електрична напруга в сотні млрд вольт. Такі напруги неможливо створити навіть нині. Тому було вирішено розподілити в часі енергію, що вкачується в протони.
Принцип роботи синхрофазотрона полягав у наступному: пучок протонів починає свій рух кільцеподібним тунелем, десь цього тунелю стоять конденсатори, які створюють стрибок напруги у той час, коли пучок протонів пролітає крізь них. Отже, кожному витку відбувається невелике прискорення протонів. Після того, як пучок частинок зробить кілька мільйонів обертів тунелю синхрофазотрона, протони досягнуть бажаних швидкостей, і будуть направлені на ціль.
Варто зазначити, що електромагніти, які використовуються під час прискорення протонів, виконували напрямну роль, тобто вони визначали траєкторію пучка, але не брали участі в його прискоренні.
Проблеми, з якими зіткнулися вчені під час проведення експериментів
Щоб краще зрозуміти, що таке синхрофазотрон, і чому його створення є дуже складним та наукомістким процесом, слід розглянути проблеми, що виникають у його роботі.
По-перше, чим більша швидкість пучка протонів, тим більшою масою вони починають володіти згідно з знаменитим законом Ейнштейна. При швидкостях близьких до світлових маса часток стає настільки великою, що для їх утримання на потрібній траєкторії необхідно мати потужні електромагніти. Чим більший розмір синхрофазотрона, тим більші магніти можна поставити.
По-друге, створення синхрофазотрона ускладнювалося ще й втратами енергії пучком протонів під час їх кругового прискорення, причому чим більше швидкість пучка, тим значнішими стають ці втрати. Виходить, що для розгону пучка до необхідних гігантських швидкостей необхідно мати величезні потужності.
Які результати вдалося отримати?
Безперечно, експерименти на радянському синхрофазотроні зробили величезний внесок у розвиток сучасних галузей техніки. Так, завдяки цим експериментам вчені СРСР змогли покращити процес переробки використаного урану-238 та отримали деякі цікаві дані, зіштовхуючи прискорені іони різних атомів із мішенню.
Результати експериментів на синхрофазотроні використовуються й досі у будівництві атомних електростанцій, космічних ракет та робототехніки. Досягнення радянської наукової думки були використані для будівництва найпотужнішого синхрофазотрона сучасності, яким є Великий Адронний Колайдер. Сам же радянський прискорювач служить науці РФ, перебуваючи в інституті ФІАН (Москва), де використовується як прискорювач іонів.
Що таке синхрофазотрон: принцип роботи та отримані результати - все про подорожі на сайт
За своєю суттю синхрофазотрон є величезною установкою для прискорення заряджених частинок. Швидкості елементів у цьому пристрої дуже великі, як і енергія, що виділяється при цьому. Отримуючи картину взаємного зіткнення частинок, вчені можуть судити про властивості матеріального світу та його будову.
Про необхідність створення прискорювача йшлося ще до початку Великої Вітчизняної війни, коли група радянських фізиків на чолі з академіком А. Іоффе надіслала уряд СРСР листа. У ньому наголошувалося на важливості створення технічної бази для вивчення будови ядра атома. Ці питання вже тоді стали центральною проблемою природознавства, їх вирішення могло просунути вперед прикладну науку, військову справу та енергетику.
1949 року почалося проектування першої установки – протонного прискорювача. Ця споруда була до 1957 року збудована у Дубні. Прискорювач протонів, який отримав назву «синхрофазотрон», є спорудою величезних розмірів. Він сконструйований у вигляді окремого корпусу науково-дослідного інституту. Основну частину площі споруди займає магнітне кільце діаметром близько 60 м. Воно потрібно створення електромагнітного поля з необхідними характеристиками. У просторі магніту відбувається прискорення частинок.
Принцип роботи синхрофазотрону
Перший потужний прискорювач-синхрофазотрон спочатку передбачалося сконструювати на основі комбінації двох принципів, які до цього окремо використовувалися у фазотроні та синхротроні. Перший із принципів – зміна частоти електромагнітного поля, другий – зміна рівня напруженості магнітного поля.
Працює синхрофазотрон за принципом циклічного прискорювача. Щоб знаходження частки на одній і тій же рівноважній орбіті, частота поля, що прискорює, змінюється. Пучок часток завжди приходить у прискорювальну частину установки у фазі з електричним полем високої частоти. Синхрофазотрон іноді називають протонним синхротроном, що має слабке фокусування. Важливий параметр синхрофазотрона - інтенсивність пучка, яка визначається числом частинок, що в ньому містяться.
У синхрофазотроні майже повністю усуваються похибки та недоліки, властиві його попереднику – циклотрону. Змінюючи індукцію магнітного поля та частоту перезарядки частинок, протонний прискорювач збільшує енергію частинок, спрямовуючи їх за потрібним курсом. Створення такого приладу справило революцію в ядерній
