Чудеса техники

Ускорители заряженных частиц

У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра -

Обстрелять его частииами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для

Самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений,

Возникающих при естественном распаде радиоактивных элементов Но вскоре этой

Энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже "заглянуть" в ядро, физикам

Пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких

Энергий.

Известно, что, попав между электродами с разным зарядом, заряженная частица,

Например, электрон или протон, ускоряет движение под действием электрических сил

Это явление и породило в 1930-е годы идею создания так называемого линейного

Ускорителя.

По конструкции линейный ускоритель представляет собой длинную прямую трубку-

Камеру, внутри которой поддерживается вакуум По всей длине камеры расставлено

Большое количество металлических трубок-электродов. От специального генератора

Высокой частоты на электроды подают переменное электрическое напряжение - так,

Что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим положительно, второй

Электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова положительный электрод, за ним

- отрицательный

Пучок электронов выстреливается из электронной "пушки" в камеру и под действием

Потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, проскакивая

Сквозь него дальше. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и

Электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь

Уже он отталкивает от себя электроны, как бы подгоняя их сзади. А второй

Электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще

Более ускоряя их. Потом, когда электроны пролетят через него, он снова станет

Отрицательным и подтолкнет их к третьему электроду

Так по мере движения вперед электроны постепенно разгоняются, достигая к концу

Камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в сотни миллионов электрон-

Вольт. Через установленное в конце трубы окошко, непроницаемое для воздуха,

Порция ускоренных электронов обрушивается на изучаемые объекты микромира - атомы

И их ядра.

Нетрудно понять, что чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем

Длиннее должна быть труба линейного ускорителя - десятки, а то и сотни метров.

Но не всегда это возможно. Вот если бы свернуть трубу в компактную спираль!

Тогда такой ускоритель свободно мог бы разместиться в лаборатории

Воплотить эту идею в жизнь помогло еще одно физическое явление Заряженная

Частица, попав в магнитное поле, начинает двигаться не по прямой, а "завивается"

Вокруг магнитных силовых линий. Так появился еще

Один тип ускорителя - циклотрон. Первым циклотрон был построен еще в 1930 году

Э. Лоуренсом в США

Основная часть циклотрона - мощный электромагнит, между полюсами которого

Помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых

Металлических коробок, разделенных небольшим зазором. Эти коробки - дуанты -

Служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения В

Центре камеры находится источник заряженных частиц - что-то вроде электронной

"пушки".

Вылетев из источника, частица (предположим, что теперь это положительно

Заряженный протон) сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный

Момент отрицательно Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому

Частица летит в нем по инерции Под влиянием магнитного поля, силовые линии

Которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность

И подлетает к зазору между электродами За это время первый электрод становится

Положительным и теперь выталкивает частицу, в то время как другой втягивает ее в

Себя. Так, переходя из одного дуанта в другой, частица набирает скорость и

Описывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью

Специальных магнитов на мишени экспериментаторов.

Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они

Становятся тяжелее и начинают постепенно отставать от меняющего свой знак

Электрического напряжения на дуантах Они уже не попадают в такт электрическим

Силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сообщить

Частицам в циклотроне, составляет 25-30 МэВ.

Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения, поочередно

Подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в

Такт "отяжелевшим" частицам. Ускоритель такого типа называется

Синхроциклотроном.

На одном из крупнейших синхроциклотронов в Объединенном институте ядерных

Исследований в Дубне (под Москвой) получают протоны с энергией 680 МэВ и

Дейтроны (ядра тяжелого водорода - дейтерия) с энергией 380 МэВ. Для этого

Потребовалось соорудить вакуумную камеру диаметром 3 метра и электромагнит

Массой 7000 тонн!

По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались

Частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость строить еще более

Мощные ускорители - синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся не

По спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. В 1944 году независимо

Друг от друга советский физик В. И. Векслер и американский физик Э. М. Макмиллан

Открыли принцип ав-тофазировки. Суть метода заключается в следующем: если

Определенным образом подобрать поля, частицы будут все время автоматически

Попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 году американские ученые Э.

Курант, М. Ливингстон и X. Снайдер предложили так называемую жесткую

Фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий

Удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.

Существует и другая система классификации ускорителей - по типу ускоряющего

Электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счет высокой разности

Потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует все

Время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях

"работает" вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где

В данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях

Используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле,

Синхронно с которым, "в резонанс", происходит ускорение всего "комплекта"

Частиц. Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют

В виду в основном кольцевые резонансные ускорители.

В еще одном виде ускорителей - протонном - на очень высокие энергии к концу

Периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются

По круговой орбите с постоянной частотой. Ускорители для протонов высоких

Энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США,

Швейцарии и России.

Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен ги-

Гаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Один из самых крупных в мире - протонный

Синхрофазотрон У-70 Института физики высоких энергий в городе Протвино под

Москвой, вступивший в строй в 1967 году. Диаметр ускорительного кольца

Составляет полтора километра, общая масса 120 магнитных секций достигает 20 000

Тонн. Каждые две секунды ускоритель выстреливает по мишеням залпом из 10 в

Двенадцатой степени протонов с энергией 76 ГэВ (четвертый показатель в мире).

Чтобы достигнуть такой энергии, частицы должны совершить 400000 оборотов,

Преодолев расстояние в 60000 километров! Здесь же сооружен подземный кольцевой тоннель длиной

Двадцать один километр для нового ускорителя.

Интересно, что пуски ускорителей в Дубне или Протвино в советские времена

Проводились только по ночам, поскольку на них подавалась чуть ли не вся

Электроэнергия не только Московской, но и соседних областей!

В 1973 году американские физики привели в действие в юроде Батавии ускоритель, в

Котором частицам удавалось сообщить энергию в 400 ГэВ, а потом довели ее до 500

ГэВ. Сегодня самый мощный ускоритель находится в США. Он называется "Тэватрон",

Поскольку в его кольце длиной более шести километров с помощью сверхпроводящих

Магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ равен 1000

ГэВ).

Чтобы достичь еще более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с

Материалом исследуемого физического объекта, надо разогнать "мишень" навстречу

"снаряду". Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу

Друг другу в особых ускорителях - коллайдерах. Конечно, плотность частиц во

Встречных пучках не столь велика, как в материале неподвижной "мишени", поэтому

Для ее увеличения применяют так называемые накопители. Это кольцевые вакуумные

Камеры, в которые "порциями" вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители

Снабжены ускоряющими системами, компенсирующими частицам потерю энергии. Именно

С коллайдерами ученые связывают дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено

Пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира - в США,

Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных исследований, базирующемся в

Швейцарии.

Современный ускоритель - это "фабрика" по производству интенсивных пучков частиц

- электронов или в 2000 раз более тяжелых протонов. Пучок частиц из ускорителя

Направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, "мишень". При

Соударении с ней возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение

Новых частиц и есть цель опытов.

С помощью специальных устройств - детекторов - эти частицы либо их следы

Регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц,

Электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путем сложной

Математической обработки информации, полученной с детекторов, на компьютерах

Восстанавливают всю "историю" взаимодействия и, сопоставив результаты измерений

С теоретической моделью, делают выводы: совпадают реальные процессы с

Построенной моделью или нет. Именно так добывается новое знание о свойствах

Внутриядерных частиц.

Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она

Воздействует на атом "мишени" или на встречную частицу в кол-лайдере, тем мельче

Будут "осколки".

С помощью коллайдера в США, например, проводятся эксперименты с целью

Воссоздания в лабораторных условиях Большого взрыва, с которого, как

Предполагается, началась наша Вселенная. В этом смелом эксперименте принимали

Участие физики из двадцати стран, среди которых были и

Представители России. Российская группа летом 2000 года непосредственно

Участвовала в эксперименте, дежурила на ускорителе, снимала данные.

Вот что говорит один их российский ученых - участников этого эксперимента -

Кандидат физико-математических наук, доцент МИФИ Валерий Михайлович Емельянов:

"В 60 милях от Нью-Йорка, на острове Лонг-Айленд, был построен ускоритель RHIC -

Relativistic Heavy Ion Collider - коллайдер на тяжелых релятивистских ионах.

"Тяжелых" - поскольку уже в этом году он начал работать с пучками ядер атомов

Золота. "Релятивистских" - тоже понятно, речь идет о скоростях, при которых во

Всей красе проявляются эффекты специальной теории относительности. А

"коллайдером" (от collide - сталкиваться) он называется потому, что в его кольце

Происходит столкновение встречных пучков ядер. Кстати, в нашей стране

Ускорителей такого типа нет. Энергия, которая приходится на один нуклон,

Составляет 100 ГэВ. Это очень много - почти вдвое больше ранее достигнутого.

Первое физическое столкновение было зафиксировано 25 июня 2000 года". Задачей

Ученых было попытаться зарегистрировать новое состояние ядерного вещества -

Кварк-глюонную плазму.

"Задача очень сложна, - продолжает Емельянов, - а математически - вообще

Некорректна: одно и то же фиксируемое распределение вторичных частиц по

Импульсам и скоростям может иметь совершенно разные причины. И только при

Детальном эксперименте, в котором задействована масса детекторов, калориметры,

Датчики множественности заряженных частиц, счетчики, регистрирующие переходное

Излучение, и т. п., есть надежда зарегистрировать тончайшие отличия, присущие

Именно кварк-глюонной плазме. Механизм взаимодействия ядер при столь больших

Энергиях интересен сам по себе, но куда важнее, что впервые в лабораторных

Условиях мы можем исследовать зарождение нашей Вселенной".

Чудеса техники

Наука и промышленность

Конвертеры; Дуговые электроплавильные печи; Прокатные станы; Солнечные Электростанции; Ветроэлектростанции; Ядерные реакторы на быстрых нейтронах; Термоядерная установка; Первая океанская электростанция; Печатные машины; Зерноуборочные комбайны; Микромеханика; Фуллерены; Сканирующий зондовый Микроскоп; Микроскопы на …

MP3-плейер

MP3 далеко не единственный аудиоформат, используемый в Web. Однако MP3 стал Стандартом де-факто благодаря тому, что легко доступен и не имеет встроенных Механизмов защиты. Купив компакт-диск, не надо получать разрешение …

Мобильный интернет

С момента зарождения глобальной компьютерной сети Интернет прошло более сорока Лет. Идея возникла в конце 1950-х годов, когда в США была поставлена задача Создать сеть телекоммуникации. И в 1968 году …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua