Ускорители элементарных частиц

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

За многие годы развития экспериментальная физика прошла долгий путь от элементарных опытов и случайных наблюдений, до современных исследований, сложных и дорогостоящих. Вершиной развития научной мысли в наше время можно назвать эксперименты по изучению физики элементарных частиц, их поведения, трансформаций, взаимодействий. Это область физики высоких энергий, для проведения экспериментов в ней потребовалось сконструировать и построить устройства, общий класс которых называют ускорителями элементарных частиц. Такие устройства имеют общее назначение - получение заряженных частиц высоких энергий и регистрация результатов их столкновения друг с другом или с неподвижной мишенью. В результате такого столкновения в микроскопическом объеме возникает концентрация очень высокой энергии и, как следствие, рождение новых частиц.

Что же послужило возникновению ускорителей элементарных частиц?

Луи де Бройль в 1929 г. открыл явление универсальности корпускулярно-волнового дуализма, т.е. того факта, что объекты микромира имеют одновременно как волновую, так и корпускулярную природу. Это позволило не только объяснить ряд явлений, связанных с взаимодействием частиц с веществом (например, дифракцию частиц), но и в дальнейшем развить методы использования излучений для воздействия на частицы, что привело к созданию основного современного инструмента исследования материи - ускорителей.

Любой ускоритель является в прямом смысле этого слова микроскопом, позволяющем взглянуть вглубь материи. Для большего «увеличения» нашего «микроскопа» необходимо увеличивать энергию частиц. На настоящий момент существуют разные типы ускорителей, в основном, ускоряющие протоны и электроны. Принцип работы стандартного линейного ускорителя, например, чрезвычайно прост и состоит в том, что при прохождении разницы потенциалов электрон (или протон), набирает энергию. Именно поэтому единица энергии, используемая в ядерной физике и физике частиц, именуется «электрон-вольт», это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разницы потенциалов в 1 Вольт. Конечно, в современных ускорителях ускорение осуществляется с помощью переменного электромагнитного поля, «раскачивающего» частицы на разных участках. Максимальная энергия электронов, достигнутая в электронных ускорителя на сегодняшний день составляет 100 ГэВ (1011 эВ), а в протонных ? 3.5 ТэВ (3.5*1012 эВ). В районе 1024 эВ предсказывается великое объединение, а в области 1028 эВ -- полное объединение всех существующих сил природы.

В настоящее время ускорители применяются для решения практических задач (материаловедение, стерилизация медицинской техники, дефектоскопия, субъядерные фильтры, терапия опухолей, сохранение сельскохозяйственных продуктов, экологические задачи и т.д.), но самые мощные и дорогостоящие ускорители создаются для научных целей. Сооружение ускорительной установки для фундаментальных исследований является событием, требующим привлечения больших материальных и людских ресурсов, а также разработки новых приборов и технологий.

Говоря о развитии физики и техники ускорителей заряженных частиц, хочется отметить выдающийся вклад отечественных специалистов (физиков, ускорительщиков и инженеров): Г.И. Будкера, В.И. Векслера, А.И. Алиханова, А.И. Алиханьяна, А.Л. Минца, А.Н. Скринского, А.П. Комара, А.А. Логунова, A.M. Балдина, М.А. Маркова, Г.Н. Флерова, М.Г. Мещерякова, В.П. Джелепова, В.П. Саранцева и др.

1. Типы ускорителей элементарных частиц их история создания и принцип работы

История создания ускорителей элементарных частиц.

Первые эксперименты.

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт и ирландец Эрнест Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору). Ускоритель частиц на основе этого принципа -- циклотрон -- был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема -- частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед -- слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

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, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека, американцами под руководством Джерарда О'Нейлла и Вольфганга Пановски и новосибирской группой. 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 рождение новых частиц.

В первом случае это примерно . Если частицы ультрарелятивистские, , то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

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 также лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения.

Принцип работы ускорителя элементарных частиц.

Предварительный ускоритель.

Первым делом частицы надо создать и затем разогнать до небольшой энергии. Всё это делается в маленьком предварительном ускорителе. Электроны и протоны добывают из обычного вещества, например, с помощью электрического поля или ионизации. Частицы «утягиваются» электрическим полем, ускоряются под его действием, а затем попадают в небольшой синхротрон, который называется «накопитель». В нём частицы накапливаются, и когда их станет достаточно много, они «впрыскиваются» в основной ускоритель. Там с ними начинаются эксперименты, а в предварительном ускорителе частицы вновь накапливаются с нуля. Каждый такой цикл занимает несколько часов.

Система «руления» пучком. Поворотные магниты.

Когда физики говорят про движение частиц внутри ускорителя, то они называют их коллективно: пучок частиц. Этот пучок не размазан по всей длине трубы, а собран в отдельные сгустки частиц. Обычно сгусток представляет собой длинную (несколько сантиметров или десятков сантиметров) и тонкую (десятки микрон) «иголочку», состоящую из летящих рядом частиц.

По первому закону Ньютона, частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой. Поэтому для того, чтобы удерживать их внутри кольцевого ускорителя, их траекторию приходится заворачивать с помощью магнитного поля. Для этого вдоль ускорительного кольца на некотором расстоянии друг от друга устанавливают специальные поворотные магниты. В результате траектория пучка становится похожей на скругленный многоугольник: в его вершинах пучок поворачивается на небольшой угол, а затем летит до следующего магнита по прямой. Именно на прямых участках установлена вся остальная аппаратура.

Чем больше энергия частиц, тем труднее завернуть их в дугу нужного радиуса и тем более сильные поворотные магниты приходится использовать. На коллайдере LHC используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла (примерно в 100 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Такое сильное поле удается получать лишь в сверхпроводящих электромагнитах и только при очень низкой температуре. В результате всю установку (а это кольцо периметром в 27 км) приходится охлаждать до очень низких температур (ниже 2 К). Это лишний раз подчеркивает, что ускорительное кольцо -- это не просто «труба с магнитным полем», а сложнейшая техническая конструкция.

Магнитное поле в поворотных магнитах не однородное; оно чуть слабее во внутренней части и чуть сильнее во внешней части дуги. Это сделано для того, чтобы вернуть обратно пучок, слегка сбившийся с оптимальной орбиты.

Система контроля и «аварийный выход» для пучка.

Несмотря на то, что пучок частиц содержит не так много частиц (суммарная масса всех частиц в пучке обычно составляет нанограммы и меньше!), в нём может быть запасена огромная кинетическая энергия. Например, протонный пучок на LHC обладает энергией, сопоставимой с кинетической энергией летящего реактивного самолета. Если будет потерян контроль над пучком, то он, вырвавшись на свободу, прожжет стенку вакуумной трубы, аппаратуру ускорителя и даже многометровые бетонные стены. Поэтому система слежения за положением пучка абсолютно необходима для безопасной работы ускорителя.

Система слежения в режиме реального времени контролирует, где именно внутри вакуумной трубы проходит в данный момент траектория пучка. Если она немного отклоняется от оси трубы, магнитные поля стараются выровнять его положение. Если же отклонение становится критическим, то происходит «сброс пучка» -- специальный очень быстрый магнит резко включается и выводит пучок из кольца ускорителя по специальному «аварийному выходу» вдаль, где огромная бетонная мишень принимает на себя всю его энергию. Обычно достаточно сделать по одному аварийному выходу на каждый из двух встречных пучков: нестабильность пучка развивается не столь быстро, и пучок за это время успеет долететь до своего выхода.

Регулярный сброс пучка происходит также и в штатном режиме. Летая в ускорителе, пучок постепенно теряет частицы -- некоторые выбывают при столкновениях в детекторе, некоторые просто рассеиваются на остаточных молекулах газа в вакуумной камере. Каждые несколько часов, когда пучок ослабевает в несколько раз, его «сбрасывают» на ту же стоящую поодаль мишень, а в ускоритель впрыскивается новая порция частиц.

Ускорительная секция.

Когда частицы только-только «впрыснуты» из предварительного ускорителя в основной, они обладают еще слишком малой энергией, и их нужно ускорять. Это осуществляется в специальной ускорительной секции -- клистроне. Клистрон -- это специальная вакуумная камера причудливой формы, отдаленно напоминающий пустую микроволновку. В этой камере возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, частота и фаза которой тщательно согласованы с пролетающими сгустками: когда очередной сгусток влетает в ускорительную секцию, сильное электрическое поле его подталкивает вперед.

Магнитные линзы.

Частицы, летящие в пучке друг рядом с другом, имеют одинаковые электрические заряды и поэтому отталкиваются. В результате пучок стремится расплыться в поперечном направлении. Для предотвращения этого расхождения пучок приходится постоянно фокусировать. Этим занимаются специальные квадрупольные магниты, расставленные вдоль ускорительного кольца, -- «магнитные линзы».

Самая важная пара магнитных линз установлена непосредственно перед входом встречных пучков в детектор -- эти линзы называют «финальные квадруполи». Именно там частицы из встречных пучков должны будут столкнуться, чтобы породить новые тяжелые частицы. Вероятность столкновения тем выше, чем «туже» сфокусированы пучки в месте встречи: если диаметр «пятна фокусировки» в каждом пучке уменьшить в два раза, то частота столкновений возрастет в 16 раз.

Типы ускорителей элементарных частиц.

Линейные ускорители.

Линейные ускорители - это ускорители заряженных частиц, в которых частица движется по прямолинейной траектории. Линейные ускорители можно разбить на две категории - ускорители прямого действия и собственно линейные ускорители.

В линейных ускорителях частица подвергается многократному ускорению, пролетая сквозь ряд цилиндрических трубок, присоединенных к электрическому генератору высокой частоты (используют радиочастотные генераторы). Пучок частиц двигается вдоль оси трубок. Внутри каждой трубки электрическое поле равно нулю. Соседние трубки имеют противоположную полярность. Таким образом, ускорительное поле находится в зазорах между трубками. Частота генератора и размеры трубок подбираются так, чтобы сгусток ускоряемых частиц подходил к очередному зазору в тот момент, когда полярность трубок изменяется на противоположную. Длина трубки l, скорость частицы v и период высокочастотного поля T связаны соотношением l = vT/2. В линейных ускорителях частицы могут ускоряться также электромагнитной волной, распространяющейся внутри цилиндрических полостей (ускорители бегущей волны).

Для достижения больших энергий приходится строить линейные ускорители большой длины. Наибольший линейный ускоритель был построен в Стэнфорде (США). Он работал в период 1989-1998 гг., имел длину около 3 км и ускорял как электроны, так и позитроны до энергии 50 ГэВ. Для достижения такой энергии частицы испытывают около 80 000 актов ускорения. Этот ускоритель работал в режиме коллайдера, когда пучок электронов с энергией 50 ГэВ сталкивается с пучком позитронов такой же энергии.

Линейные ускорители прямого действия.

Генератор Ван - де - Граафа.

Наиболее известным ускорителем прямого действия является электростатический генератор (генератор Ван де Граафа), где частицы или ионы ядер ускоряются непосредственно за счет одно- или двукратного прохождения разности потенциалов, достигающей 20 миллионов вольт. Генератор Ван де Граафа основан на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Существенным преимуществом ускорителей прямого действия является непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка. Ток пучка на ускорителях Ван-де-Граафа может достигать нескольких миллиампер. Однако в таких ускорителях трудно обеспечить энергию частиц больше 40-50 МэВ для протонов.

Каскадный генератор.

Частицы в каскадном генераторе ускоряются непосредственно за счет прохождения высокой разности потенциалов. В этих генераторах высокое постоянное напряжение получают из низкого переменного напряжения c помощью умножителей напряжения.

Первый каскадный генератор (ускоритель) на энергию 700 кэВ - был создан в 1931 г. в Англии Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном.

На схеме умножителя напряжения, который использовали Кокрофт и Уолтон, на вход подается отрицательная полуволна переменного напряжения.

Первый диод открыт, нижний левый конденсатор заряжается до пикового значения входного напряжения. При сменеполярности первый диод закрывается, а второй открывается, и левый конденсатор заряжается до двойного напряжения. При каждой смене полярности входного напряжения заряды емкостей последовательно суммируются. Таким образом, выходное напряжение - удвоенное произведение входного напряжения на количество каскадов.

Циклические ускорители.

Циклотрон - циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), где частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле. Для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан первый циклический ускоритель - циклотрон на энергию протонов 1 МэВ (его диаметр был 25 см). Циклотрон следующего поколения позволял ускорять протоны и дейтроны до энергий в несколько МэВ.

Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (дуантами).

Частицы с зарядом и массой движутся в постоянном магнитном поле напряженностью , направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали.Радиус траектории частицы, имеющей скорость , определяется формулой:

,

где:

- релятивистский фактор.

В циклотроне для нерелятивистской () частицы в постоянном и однородном магнитном поле радиус орбиты пропорционален скорости (1), а период обращения:

,

т.е. не зависит от энергии частицы.

В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений. На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.

Недостатком циклотрона является ограничение нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.

Синхротрон.

Синхротрон - кольцевой циклический ускоритель заряженных частиц, в котором частицы двигаются по орбите неизменного радиуса за счёт того, что темп нарастания их энергии в ускоряющих промежутках синхронизован со скоростью нарастания магнитного поля на орбите. Он позволяет ускорять как лёгкие заряженные частицы (электроны, позитроны), так и тяжёлые (протоны, антипротоны, ионы) до самых больших энергий.

В синхротронах магнитное поле переменное и частицы двигаются по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, увеличивающие свою энергию, удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных отклоняющих кольцевых магнитов. Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц (отсюда происходит название этого типа ускорителя). По достижении максимального магнитного поля ускоренные частицы либо направляются на неподвижную мишень, либо (в коллайдерах) сталкиваются со встречным пучком, после чего цикл ускорения повторяется. В синхротронах есть два типа чередующихся кольцевых магнитов: отклоняющие двухполюсные (дипольные), удерживающие частицы на орбите, и фокусирующие четырёх полюсные (квадрупольные). Последние фокусируют частицы (как линзы свет), собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере.

Когда скорость частицы близка к скорости света, соотношение между кинетической энергией частицы и радиусом траектории имеет в системе СИ вид:

,

где - величина напряженности магнитного поля, а - заряд частицы. Поэтому максимально достижимая энергия частицы пропорциональна радиусу траектории и величине магнитного поля. Сократить размеры установки можно, увеличивая величину поля, а она ограничена эффектом насыщения металла (обычно, железа), используемого в качестве материала сердечника электромагнита. В самых современных ускорителях, в этой связи, используются электромагниты с катушкой из сверхпроводящего материала, работающие при температуре жидкого гелия.

Синхротроны используют как для ускорения тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), так и для ускорения электронов. Однако в случае электронов при высоких энергиях становятся существенными потери ими энергии на излучение (называемое синхротронным) при криволинейном движении по орбите. Мощность синхротронного излучения для релятивистской частицы следующим образом зависит от её массы энергии и радиуса траектории :

.

Таким образом, если электроны и протоны одинаковых энергий, двигаются по орбитам одного радиуса, то потери энергии на синхротронное излучение у электронов будут в раз больше. Поэтому на синхротронах пока не удалось ускорить электроны до энергий больших 100 ГэВ. Крупнейшим современным синхротроном является синхротрон в Батавии (США). Он ускоряет протоны и антипротоны до энергии 1 ТэВ = 1012 эВ и называется Теватрон. Радиус круговой орбиты в этом ускорителе 1 км.

Бетатрон.

Первым циклическим ускорителем электронов явился бетатрон. Его первый экземпляр был построен в 1940 г. Д. Керстом. Бетатрон - это индукционный ускоритель, в котором энергия электронов увеличивается за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным потоком, направленным перпендикулярно к плоскости орбиты частиц. Электроны двигаются по круговой орбите постоянного радиуса в нарастающем во времени по синусоидальному закону магнитном поле (обычно промышленной частоты 50 Гц).

Удержание электронов на орбите постоянного радиуса обеспечивается определенным образом подобранным соотношением между величинами магнитного поля на орбите и внутри неё. Рабочим циклом является первая (нарастающая) четверть периода магнитного поля.

Бетатрон конструктивно представляет собой большой электромагнит, между полюсами которого расположена тороидальная вакуумная камера. Электромагнит создаёт в зазоре между полюсами переменное (меняющееся со временем по закону синуса, обычно с промышленной частотой 50 Гц) магнитное поле напряженностью, которое в плоскости вакуумной камеры создаёт вихревое электрическое поле (э.д.с. индукции). В вакуумную камеру с помощью инжектора (электронная пушка) в начале каждого периода нарастания магнитного поля (т.е. с частотой 50 Гц) впрыскиваются электроны, которые увлекаются вихревым электрическим полем в процесс ускорения по круговой орбите. В момент, когда магнитное поле достигает максимального значения (в конце первой четверти каждого периода), процесс ускорения электронов прекращается и сменяется их замедлением, так как вихревое поле меняет направление, а э.д.с. индукции - знак.

Электроны, достигшие наибольшей энергии, смещаются с равновесной орбиты и либо выводятся из камеры, либо направляются на специальную мишень внутри камеры, называемую тормозной. Торможение электронов в этой мишени в кулоновском поле ядер и электронов приводит к возникновению электромагнитного тормозного излучения, максимальная энергия которого равна кинетической энергии электронов в конце ускорения: . Тормозные фотоны летят в направлении движения первичных электронов в узком конусе. Их энергетический спектр непрерывен, причем, чем меньше энергия фотонов, тем их больше в тормозном излучении. Формирование высокоэнергичного электромагнитного излучения торможением высокоэнергичных электронов в мишени - наиболее простой и эффективный способ создания пучка г- квантов высокой энергии для экспериментов в области ядерной физики и физики частиц.

Бетатроны преимущественно и используются как источники тормозного излучения. Благодаря простоте конструкции и управления, а также дешевизне бетатроны получили широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергий 20-50 МэВ. Создание бетатронов на более высокие энергии сопряжено с необходимостью использования электромагнитов слишком большого размера и веса (магнитное поле приходится создавать не только на орбите, но и внутри неё).

Ускорители со встречными пучками.

Коллайдеры.

Существует два типа ускорительных установок: ускорители с неподвижной мишенью и ускорители со встречными пучками (или коллайдеры). В ускорителях первого типа частицы после ускорения выводят из ускорительной камеры и направляют на неподвижную мишень, например, металлическую пластину. В этом случае далеко не вся кинетическая энергия ускоренной частицы может быть “вложена” в изучаемый процесс, поскольку идёт на “обеспечение” выполнения закона сохранения импульса - большой импульс частицы до столкновения должен сохраниться в виде большого импульса (а значит, и кинетической энергии) продуктов реакции.

Конкретные оценки позволяют увидеть огромную разницу между кинетическими энергиями протонов в ускорителе с неподвижной мишенью и со встречными пучками, которые необходимы для рождения частиц большой массы.

Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц.

Есть две основные схемы реализации коллайдеров. Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов. В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков.

Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 1015 в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы, и даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения.

Важной характеристикой коллайдеров является светимость, обозначаемая буквой L от англ. Luminosity.

Встречные пучки состоят из отдельных сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом.

Рассмотрим два цилиндрических банча одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся. Будем считать, что банчи равномерно заполнены частицами и при столкновении полностью перекрываются. В левом банче n1 частиц, а в правом n2. Вначале положим, что на орбите коллайдера банчи сталкиваются один раз в единицу времени. Число взаимодействий N1 в единицу времени между частицами этих двух банчей (т.е. число актов реакций в единицу времени) можно вычислить по формуле, приняв левый банч за частицы-снаряды, а правый - за мишень:

,

где - эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих направый банч (частиц левого банча)

,

а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени):

,

где - концентрация частиц в правом банче. Если банчи сталкиваются раз в единицу времени (т.е. с частотой ), то число актов реакции будет даваться выражением:

,

где:

-светимость коллайдера.

Крупнейшие современные центры, предназначенные для исследования физики элементарных частиц, представляют собой многоцелевые комплексы из нескольких ускорителей, функционально связанных между собой. Хорошим примером такого ускорительного комплекса является ЦЕРН, Женева.

Самым крупным ускорителем этого комплекса является Большой Адронный Коллайдер LHC (Large Hadron Collider), на котором сталкивются пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также ядра свинца. Этот ускоритель находится подземном кольцевом туннеле (его периметр 26.7 км) на месте другого недавно действовавшего крупнейшего е+е- - коллайдера. LEP - Large Electron Positron (Collider), ускорявшего электроны и позитроны до энергии 101 ГэВ.

Изучение свойств частиц на ускорителе.

Режим работы ускорителя.

При столкновении частиц на встречных пучках, невозможно заставить породить какую-то определенную частицу. По законам квантовой механики, рождаться будет всё, что разрешено всевозможными законами сохранения, -- но только с разной вероятностью.

В таких условиях изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении одного-двух десятков лет -- не непрерывно, а по нескольку месяцев в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию, устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтобы не тратить дорогую электроэнергию). И в течение всего этого времени регулярно, с частотой миллионы раз в секунду, внутри детектора сталкиваются сгустки частиц, а детектор регистрирует родившиеся и разлетевшиеся частицы.

В подавляющем большинстве случаев столкновения сгустков приводят к «неинтересным», уже давно изученным событиям -- например, упругому рассеянию частиц на маленький угол за счет электрических сил. Реже, но всё-таки довольно часто, происходит рождение и распад нестабильных, но хорошо известных частиц. Это уже считается интересным событием, и данные о нём «в сыром виде» записываются для дальнейшей обработки. И совсем редко (раз в минуту, в день, в месяц -- в зависимости от типа события) происходит что-то очень интересное, например рождение очень редких частиц. Именно за такими очень интересными, но редкими событиями и охотятся физики.

Анализ статистики.

Набор «интересных» событий (или, как говорят физики, накопление статистики) -- это только первый этап работы. Сами по себе «сырые данные» (а это просто перечисление, какие частицы, где, когда и как пролетели сквозь детектор) еще ничего не говорят о физическом механизме того или иного процесса, происходящего в столкновениях частиц. Для того чтобы его понять, эту статистику требуется вначале обработать.

Для этого экспериментаторы сначала изучают то, что говорит теория по поводу нужной реакции, а также всех тех иных реакций, которые могут оказаться похожими на нее по своим следам в детекторе (такие реакции называются фоновыми). Затем составляется список критериев, которым должна удовлетворять искомая реакция: например, столько-то частиц такой-то энергии, углы отклонения от оси не больше такой-то величины и т.д. Затем перебираются все записанные сырые данные и из них извлекаются те события, которые удовлетворяют нужным критериям.

Это первый, самый простой шаг. После него уже начинается тщательнейший анализ выбранных событий: изучается, как частицы группируются по импульсам и энергиям, пишутся и перепроверяются специальные программы моделирования, оцениваются многочисленные погрешности, как самого детектора, так и методики обработки, и многое другое.

На эту работу уходят минимум месяцы, часто -- годы. Однако занимается этим не весь коллектив исследователей, а небольшая специально назначенная группа. Обычно в масштабе всего эксперимента одновременно идут десятки таких анализов разных процессов.

Сравнение с теоретическими вычислениями.

Результатом обработки статистики становится научная статья, в которой рассказывается, сколько событий, похожих на следы искомого процесса, были зарегистрированы и каковы их свойства. Экспериментаторы описывают методику обработки, перечисляют источники погрешностей, но на этом и останавливаются -- теоретической интерпретацией полученных данных (например, из чего состоит обнаруженная нестабильная частица) они обычно не занимаются.

Для того чтобы сделать выводы об устройстве элементарных частиц и характере их взаимодействий, требуется подключать теоретиков. Их вычисления могут показать, какие именно варианты устройства частиц согласуются с полученными данными, а какие -- нет. Если при этом, например, оказывается, что есть две разных теории, хорошо согласующихся с этими данными, то теоретики предлагают какие-то другие эксперименты, могущие отличить эти две теории. Проведя новый эксперимент (или же просто заново обработав уже имеющуюся статистику, но с акцентом на другие частицы), экспериментаторы могут зачастую сказать, какая из конкурирующих теорий ближе к реальности.

Именно путем сравнения с всё более точными и разнообразными экспериментальными данными, путем отсева конкурирующих теорий постепенно вырисовывается общая картина тех или иных процессов и взаимодействий.

Например, тот факт, что протоны, нейтроны и другие подобные частицы состоят из кварков -- результат не одного, а сотен разнообразных экспериментов. И напротив, гипотеза о том, что протоны не состоят из каких-либо более мелких частиц, приводит к противоречию с экспериментальными данными. Другой пример: общепринятая сейчас объединенная теория электромагнитного и слабого взаимодействия, лежащая в основе Стандартной модели физики элементарных частиц, тоже выкристаллизовалась, пройдя через многие десятки проверочных экспериментов, которые «закрыли» ее конкурентов.

Сейчас физики уверены, что сама Стандартная модель -- не окончательная теория элементарных частиц, а лишь «приблизительный вариант» какой-то более глубокой теории. На роль такой теории предложено уже много теоретических конструкций, но какая из них отвечает реальности -- пока не известно. Коллайдер LHC, вступающий в строй в 2008 году, скорее всего, даст ответы на многие подобные вопросы. Именно поэтому физики ожидают, что ближайшее десятилетие будет для физики элементарных частиц революционным.

2. Применение ускорителей элементарных частиц в современном мире. Ускорители нового поколения

ускоритель коллайдер магнит поворотный

Применение ускорителей элементарных частиц.

В настоящее время ускорители применяются для решения практических задач (материаловедение, стерилизация медицинской техники, дефектоскопия, субъядерные фильтры. Терапия опухолей, сохранение сельскохозяйственных продуктов, экологические задачи и т.д., но самые мощные и дорогостоящие ускорители создаются для научных целей. Длина магнитной дорожки ускорителя (по которой, двигаясь, ускоряются элементарные частицы) сегодня достигает уже многих километров, а стоимость ускорителя с необходимой исследовательской аппаратурой исчисляется многими миллионами рублей. Сооружение ускорительной установки для фундаментальных исследований является событием, требующим привлечения больших материальных и людских ресурсов, а также разработки новых приборов и технологий.

Применение ускорителей в медицине.

Из примерно 17 тысяч существующих сейчас ускорителей лишь около сотни используются в научных целях. Остальные -- это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины.

Например, пучки протонов определенной энергии позволяют с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли.

Другое применение ускорителей в онкологии -- нейтронная борозахватная терапия. В организм пациента вводится фармпрепарат с изотопом бора-10, который сильнее накапливается в клетках опухоли, чем в здоровых клетках. С помощью нейтронной терапии можно эффективно воздействовать на злокачественные образования, которые не локализованы в виде отдельной опухоли, а распределены по всему пораженному органу. Нейтронный ускоритель, призванный сделать эту терапию доступной и эффективной, разрабатывается сейчас в новосибирском Институте ядерной физики.

Наконец, многие электронные ускорители работают как источники синхротронного излучения -- яркого и узконаправленного рентгеновского луча, которым «светят» электроны в магнитном поле. Такой луч используется как для диагностики заболеваний (например, для получения четких снимков сети мелких кровеносных сосудов), так и для терапевтического воздействия.

Применение ускорителей в промышленности.

Облучение проводов и кабельных изделий повышенной термостойкости с полиэтиленовой, хлорвиниловой и силиконовой электроизоляцией. Для использования в самолетостроении, космическом аппарата-строении, судостроении, радиоэлектронике, атомной энергетике и других отраслях промышленности.

Облучение термоусаживаемых трубок, шлангов, манжет, пленок, защиты от коррозии магистральных и внутригородских трубопроводов для изоляции стыков труб и ремонта полимерных покрытий трубопроводов, упаковки машиностроительных изделий и строительных материалов.

Облучение рулонных композиционных материалов и искусственных кож для спецодежды, чехлов, тентов, укрытий, кровли промышленных и коммунальных зданий, одежды, обуви, галантереи и др.

Облучение термостойких труб для горячего водоснабжения и химически стойких труб для транспортировки агрессивных жидкостей.

Ускорители нового поколения.

Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, в сотрудничестве с коллегами из Оксфордского университета смогли ускорить электроны до энергии в 1 гигаэлектронвольт на расстоянии всего 3,3 сантиметра.

Для сравнения: ускоритель в Стэнфорде (Stanford Linear Accelerator Center) разгоняет электроны до 50 гигаэлектронвольт, но на дистанции в 3,2 километра.

Чтобы добиться такого результата, учёные использовали метод так называемого лазерного кильватерного ускорения. Его принцип заключается в том, что через плазму пропускают мощные лазерные импульсы, оставляющие «след», который физики сравнивают с кильватером.

Этот след представляет собой электроны, которые начинают колебаться (ионы намного тяжелее и остаются почти неподвижными), в результате чего возникает электромагнитное поле. При определённых условиях проведения эксперимента оно может оказаться достаточно сильным для того, чтобы разгонять электроны до околосветовых скоростей.

Учёным из группы Вима Лиманса удалось создать такие условия. Для этого исследователи ионизировали с помощью лазера водород в маленькой камере. Затем -- опять-таки, с помощью лазера -- в получившейся плазме создали плазменный шнур, игравший роль своеобразного оптоволоконного канала, по которому должны перемещаться электроны.

После небольшой задержки по этому каналу направили третий лазерный импульс, который и сформировал кильватерное ускорение, разогнавшее электроны до энергии в один гигаэлектронвольт.

Этот эксперимент принципиально не отличается от аналогичных опытов, проводившихся в разных лабораториях два года назад. Но тогда удалось получить на порядок меньшие энергии.

В обозримом будущем, по мнению Лиманса, можно будет разгонять электроны до 10 гигаэлектронвольт, правда, для этого понадобится ускоритель длиной в метр. Это, конечно, гораздо больше, чем несколько сантиметров, но и существенно меньше длины любого современного ускорителя.

Природные ускорители.

Многие природные процессы с участием электрических и магнитных полей могут подхватывать заряженные частицы и ускорять их. Встречаются такие «природные ускорители» повсюду -- от домашних условий и до глубокого космоса.

Искорки бытового статического электричества, которые проскакивают от пластмассовых расчесок или свитеров, разгоняют электроны до энергии в несколько электрон-вольт. Кинескоп старых телевизоров разгоняет электроны до энергии примерно 10 кэВ. А пироэлектрический кристалл (вещество, электризующееся при нагревании) может разгонять частицы и до еще больших энергий. Несколько лет назад с помощью пироэлектриков удалось разогнать частицы до энергии в сотни кэВ и даже инициировать реакцию термоядерного синтеза (впрочем, никакого практического применения для энергетики эти эксперименты не имеют из-за чрезвычайно малого КПД).

Электрические и магнитные поля вовлечены и во многие погодные явления. Например, недавно выяснилось, что обычные молнии могут разгонять электроны до энергий порядка 10 МэВ. Полярное сияние вызывается в основном электронами с энергией в сотни кэВ, разогнанными Солнцем и достигшими орбиты Земли. Кроме того, во время крупных солнечных вспышек были обнаружены электроны с энергией в сотни МэВ.

В глубоком космосе, за пределами солнечной системы, существует множество объектов, способных разгонять частицы до очень высоких энергий. Вспышки сверхновых могут порождать ударные волны в замагниченной межзвездной среде, которые могут ускорять заряженные частицы до энергий в десятки ТэВ. Самые мощные природные ускорители -- это активные ядра галактик. Так называют компактные «сердцевины» некоторых галактик, столь активные, что их свет (как в оптическом, так и в других диапазонах) затмевает свет всех звезд в этой галактике. Иногда даже наблюдаются струи -- узкие, но мощные потоки вещества, -- выбрасываемые активными галактическими ядрами. Сейчас считается, что такая активность центральной области -- результат бурных процессов, связанных с падением вещества на центральную сверхмассивную черную дыру в присутствии сильных магнитных полей.

Наблюдения показывают, что, например, в гигантской струе, исторгнутой из центра галактики М87, есть электроны с энергий в сотни ТэВ. А в самом ядре галактики частицы могут разгоняться до энергий, на несколько порядков больших. Соперничать с этими природными ускорителями человеку еще долгое время будет не под силу.

Результатом работы таких космических ускорителей являются потоки высокоэнергетических электронов, протонов и ядер, летающих по Вселенной. Такие частицы попадают и на Землю; их называют космическими лучами. Энергии частиц космических лучей самые разные, от маленьких до больших, но время от времени встречаются и рекордсмены -- частицы с энергией выше 1020 эВ (100 миллионов ТэВ).

За космическими лучами можно не только наблюдать, но и использовать их для изучения столкновений элементарных частиц. Для этого надо забраться высоко в горы, где поток космических лучей больше, оставить там на некоторое время детектор, а затем посмотреть, что в нём зарегистрировано. Именно в космических лучах были обнаружены мюоны, пи-мезоны, позитроны и многие другие частицы.

Размещено на Allbest.ru