Такое устройство можно превратить в ускоритель. Для этого в зазоры между дуантами надо подать переменное электрическое поле, частота которого совпадает с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности магнитного поля и массы частиц и не зависит от их скорости). При надлежащем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частицы при проходе зазоров между дуантами — точно так же, как и в линейном ускорителе Изинга–Альвареса. Те будут уходить на всё большие и большие радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стенкой камеры или не будут выведены на мишень. В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в журнале Science. Годом позже он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали сильно разреженный водород, который внутри нее ионизировался электрическим полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон построили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1,2 МэВ. Еще через год у них была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс поначалу называл свое изобретение протонной каруселью, но вскоре оно стало именоваться циклотроном.
Циклотрон кардинально изменил экспериментальную базу ядерной физики, и неудивительно, что в 1939 году труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А после войны выяснилось, что одновременно с Лоуренсом или даже чуть раньше к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он отправил рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в немецкий журнал Zeitschrift für Physic, но редакторы не поняли, о чем идет речь, и отказались ее напечатать.
Синхронные ускорители
Лоуренс хотел построить протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются столь сильно, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, естественно, снижается, и частица выходит из резонанса. Самые большие циклотроны, построенные в Окриджской национальной лаборатории в США и в Стокгольмском Нобелевском институте, могли разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия — до 24 МэВ. Для достижения больших энергий нужны циклические ускорители, которые могут обеспечить стабильное соответствие фазы ускоряющего поля движению частицы. Циклотрон на такое не способен. Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться в резонансном режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры обоих полей. Будем, например, действовать с помощью одного электрического поля. Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро выйдут из резонанса. И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях). После открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами. Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового диаметра запустили в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а после полной доводки — до 3,3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позже вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем впервые получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители — синхрофазотроны.
В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.
Фокусы фокусировки
Через несколько лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики осуществили новый прорыв на пути к более высоким энергиям. Во всех резонансных циклических ускорителях магнитное поле не только заворачивает частицы, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое постепенно спадает при увеличении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразую форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; иначе говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты. Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не идеальна. Она позволяет получать лишь довольно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки сильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства очень больших и потому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с существенно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы. Эта проблема была решена в середине прошлого века. В 1949 году греческий физик Николас Христофилос показал, что движением частиц можно управлять с помощью большого числа прилегающих друг к другу электромагнитов, чередующих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным его нарастанием. Однако он изложил свои результаты лишь в форме патентной заявки, так что его открытие тогда осталось незамеченным. Три года спустя к той же идее пришли американцы Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Этот метод получил название сильной фокусировки (фокусировка посредством радиально спадающего поля называется слабой). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электрического поля, но зато позволил лучше фокусировать пучки по радиусу и вертикали и замедлил рост размеров ускорителей.
Коллайдеры
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K.H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождениеновых частиц. В первом случае это примерно, а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
Схема расположения Большого адронного коллайдера
В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.
Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.
Страницы: 1, 2
