Ускори́тели заря́женных части́ц, установки, предназначенные для получения направленных потоков (пучков) заряженных частиц с энергией, значительно превышающей энергию их теплового движения. Являются источниками пучков как первичных ускоренных заряженных частиц, так и вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов, атомов и др.), получаемых при взаимодействии первичных частиц с мишенью. К ускорительным установкам относят также накопители заряженных частиц, в которых циркулируют пучки частиц постоянной энергии. В ряде случаев (при рекуперации энергии ускоренных пучков, в экспериментах по получению антиводорода и др.) ускорительные установки используются для уменьшения энергии пучка.

Энергию частиц принято измерять в электронвольтах (эВ). Энергия теплового движения молекул при комнатной температуре составляет примерно 0,03 эВ. Значительно бóльшую энергию направленных потоков частиц обеспечивают устройства электронной и ионной оптики (такие как электронно-лучевая трубка, электронный микроскоп и т. п.), рентгеновские трубки, устройства по электронной сварке и плавке металлов, мощные радиолампы, системы электронного охлаждения пучков и др. В период создания первых ускорителей их отличительной чертой было принято считать достижение частицами энергии уровня 1 МэВ и выше. В 2020-х гг. во многих случаях та или иная установка относится к разряду ускорителей лишь по традиции.

Структура ускорителя

Любая ускорительная установка включает 3 основных структурных элемента: 1) источник частиц с системой формирования пучка; 2) собственно ускоритель – устройство (или цепочка последовательно расположенных устройств), увеличивающее энергию частиц; 3) устройства, осуществляющие вывод и транспортировку пучка на мишень, взаимодействие пучка с внутренней мишенью или соударение встречных пучков в ускорителе.

Устройства для получения пучков заряженных частиц (электронов, позитронов, протонов, антипротонов, мюонов, атомных ядер, ионов) могут быть и относительно простыми (например, электронная пушка), и представлять собой сложный комплекс ускорительных устройств, как, например, источник антипротонов Фермиевской национальной ускорительной лаборатории. В этой установке протоны, предварительно ускоренные до энергии 120 ГэВ, бомбардируют неподвижную никелевую мишень. В результате рождается огромное число частиц различных типов, включая антипротоны. Последние сепарируют, а затем накапливают и охлаждают в накопительном кольце. Подобную структуру имеют и источники позитронов, разрабатываемые для линейного коллайдера.

Показателями качества пучка, создаваемого источником, служат его эмиттанс и энергетический разброс. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц высокой энергии. По аналогии со световой оптикой вводят понятие яркости пучка. Эта величина равна силе тока частиц, делённой на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, делённой на угловую расходимость). Во многих практических применениях современных ускорителей заряженных частиц требуется максимально возможная яркость пучков.

Ускорение пучка производится в устройствах различных типов с помощью электрического поля, изменяющего энергию заряженных частиц. Для формирования траектории частиц в ускорителях применяют магнитное поле, которое изменяет направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости. Современные ускорители высоких энергий являются огромными сложными комплексами, включающими ускорительные установки различных типов, в которых последовательно увеличивается энергия частиц. Так, ускорение протонов для проведения экспериментов на большом адронном коллайдере (БАК) осуществляется вначале в линейном ускорителе, затем в 4 последовательных циклических ускорителях, периметр последнего из которых (собственно БАК) составляет 26 659 м.

Основные задачи транспортировки пучков ускоренных частиц сводятся к сохранению интенсивности пучка и формированию его поперечных размеров. Для предотвращения ухудшения качества пучка и потерь частиц из-за соударений с молекулами газа транспортировка, как правило, осуществляется в вакууме. Вдоль тракта транспортировки располагаются электрические или магнитные линзы, обеспечивающие фокусировку частиц. Здесь же размещаются устройства, поворачивающие пучок для изменения его траектории или для выделения частиц определённого сорта или энергии. Распределение частиц в поперечном направлении неоднородно, и иногда бывает необходимо уменьшить эту неоднородность. Для этого могут применяться коллиматоры, выделяющие центральную часть пучка таким образом, чтобы разница в плотности потока в этой части не превышала допустимую (при этом потери интенсивности пучка будут тем бóльшими, чем жёстче требования к однородности). Также повысить однородность пучка можно, применив развёртку пучка.

Классификация ускорителей

Деление ускорителей заряженных частиц на группы определяется типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Чаще всего ускоряемыми частицами являются электроны (например, в бетатроне, линейном ускорителе электронов, промышленных ускорителях электронов, электронном синхротроне), протоны (например, в линейном ускорителе протонов) и ионы (например, в ускорителях тяжёлых ионов). Это объясняется тем, что пучки таких частиц проще всего получить. В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны). Для увеличения эффективности использования энергии частиц в коллайдерах после завершения ускорительного цикла пучки частиц сталкивают.

По способу создания ускоряющего электрического поля ускорители заряженных частиц делятся на 4 класса. В ускорителях прямого действия (или высоковольтных ускорителях) электрическое поле имеет практически постоянную величину в течение всего процесса ускорения. В индукционных ускорителях используется вихревое электрическое поле, возникающее при изменении магнитного потока (эдс индукции). При этом в процессе ускорения напряжённость электрического поля может изменяться по величине, но сохраняет одно и то же направление. В высокочастотных (ВЧ) резонансных ускорителях для ускорения используется электрическая компонента поля электромагнитной волны, при этом в процессе ускорения поле многократно изменяет направление. В коллективных методах ускорения используются электрические поля, создаваемые другими заряженными частицами. Коллективные методы теоретически позволяют резко увеличить темп ускорения (энергию, набираемую за единицу пути) и интенсивность пучков, но пока к созданию действующих установок не привели.

Конструктивно ускорители заряженных частиц делятся на 2 группы: линейные ускорители, в которых пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по криволинейным траекториям (например, окружностям или спиралям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз, причём в синхротроне используется сочетание криволинейных и прямолинейных участков.

Принципы классификации и основные типы ускорителей приведены в таблице.

Классификация ускорителей заряженных частиц

По механизму, обеспечивающему фокусировку частиц, различают ускорители с однородной фокусировкой и со знакопеременной фокусировкой. В первых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), во вторых – фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к циклическим ускорителям вместо терминов «однородная» и «знакопеременная» фокусировка используют термины «слабая» («мягкая») и сильная фокусировка («жёсткая фокусировка»).

Высокочастотные резонансные ускорители могут быть классифицированы по характеру управляющего магнитного поля и ускоряющего электрического поля: ускорители с постоянным и переменным во времени магнитным полем, ускорители с постоянной и переменной частотой ускоряющего поля.

Ускорители классифицируют также по назначению: коллайдеры, нейтронные источники, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, имплантеры, промышленные ускорители и др.

История развития ускорителей

Создание первых ускорителей заряженных частиц было вызвано исследованиями строения атомного ядра, требовавшими направленных потоков заряженных частиц высокой энергии. В 1932 г. Дж. Кокрофт и Э. Уолтон разработали каскадный генератор, на котором ускорили пучок протонов до энергии 700 кэВ и впервые осуществили ядерную реакцию, возбуждаемую искусственно ускоренными частицами (расщепление ядра лития протонами). Это событие условно считается датой рождения ускорителей заряженных частиц, хотя одновременно или даже чуть раньше были разработаны и другие конструкции ускорителей прямого действия, также был предложен и реализован принцип резонансного ускорения.

Создание ускорителей, как и вся ядерная физика, очень быстро превратилось в один из предметов глобального противостояния экономических и политических систем разных стран. Это привело к тому, что работы по ускорительной тематике в конце 1930-х гг. были засекречены. Последними важными публикациями в открытой научной печати в СССР были две статьи В. И. Векслера (1944), посвящённые принципу автофазировки, что впоследствии обеспечило возможность установления приоритета этого открытия. Ситуация изменилась в 1956 г., после проведения первой международной конференции по ускорителям и создания двух международных ускорительных центров – Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, на границе Франции и Швейцарии) и Объединённого института ядерных исследований в СССР. Несмотря на это, развитие многих типов ускорителей по-прежнему связано с работами по оборонной тематике.

Первые 60 лет развития ускорителей иногда называют «гонкой энергий», когда главной задачей ускорительной техники считалось повышение энергии частиц. Существенный шаг в этом направлении был сделан с открытием принципа автофазировки. Это привело к тому, что основным типом ускорителей высоких энергий стали синхротроны, в которых нет принципиальных ограничений на повышение энергии. Ситуация изменилась в конце 1990-х гг. с момента прекращения работ по двум крупнейшим на то время проектам: SSC (Superconducting Super Collider, с основным синхротроном периметром 87 км и энергией протонов до 20 ТэВ) в США и УНК (ускорительно-накопительный комплекс, с периметром 20 км и энергией протонов 3 ТэВ) в России. К этому моменту была в основном завершена современная теория микромира, называемая стандартной моделью, и стали понятны ограничения возможностей ускорительных экспериментов.

Современные ускорители высоких энергий – это огромные дорогостоящие комплексы, создаваемые в рамках международных проектов. Существенную часть стоимости ускорительного комплекса составляют затраты на сооружение и наладку детектирующих систем.

Кроме исследований в области ядерной физики и физики элементарных частиц, с 1930-х гг. ускорители применяют для нужд ядерной медицины, дефектоскопии и материаловедения. В дальнейшем разработчики ускорителей стремились получить пучки более высокой интенсивности и качества, а также повысить простоту и экономичность конструкции. В последние десятилетия именно повышение интенсивности пучка становится главной задачей в развитии ускорителей: создаются установки с непрерывной мощностью пучка более 1 МВт, которые рассматриваются в том числе и как основа для новых методов получения энергии.

Получение и обработка результатов экспериментов

Рис. 1. Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера.Рис. 1. Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера.Для анализа результатов экспериментов в современных ускорительных комплексах высоких энергий используются универсальные детекторы частиц, включающие в себя кроме больших магнитных систем также многочисленные сцинтилляционные детекторы, пропорциональные камеры, дрейфовые камеры, черенковские счётчики, ионизационные калориметры и др. Такие детектирующие системы, вместе с обслуживающей их электроникой, представляют собой самостоятельные инженерные сооружения и обычно получают собственное название. Например, один из основных детекторов БАК – ATLAS (от английского A Toroidal LHC ApparatuS) – имеет длину 46 м, диаметр 25 м, общую массу около 7 тыс. т (рис. 1).

Коллаборация ATLAS включает более 5,5 тыс. учёных и инженеров из 245 лабораторий и университетов 42 стран (в том числе из России) и является одним из самых больших официальных сообществ в физике элементарных частиц. Аналогичные коллаборации создаются и для проведения экспериментов на крупных международных установках, расположенных на территории Российской Федерации.

Ускорительные комплексы и детекторы являются источниками больших потоков информации. Так, например, поток данных с 4 основных и 3 вспомогательных детекторов БАК составляет около 300 ГБ/с (после фильтрации – около 300 МБ/с). Ожидаемый поток данных с ускорителей и 3 детекторов комплекса NICA составляет примерно 1,2 ТБ/с. Обработка таких потоков невозможна без применения современных компьютерных технологий.

Необходимость проведения большого объёма расчётов, а также потребность в быстром обмене информацией между учёными, работающими в разных странах, привела к тому, что все ведущие ускорительные лаборатории являются также и центрами по развитию информационных технологий. Возникновение и развитие Интернета связано с ускорительными центрами: первый в мире веб-сервер и первый в мире веб-браузер (WorldWideWeb, www) был создан в ЦЕРН, российский сегмент Интернета возник в Курчатовском институте, первый веб-сервер в США – в центре Стэнфордского линейного ускорителя. Для обработки данных, поступающих с БАК, создана одна из крупнейших систем грид-вычислений, в которой виртуальный суперкомпьютер образуется из кластеров компьютеров, соединённых в сеть и работающих над одной задачей. В состав грид-системы БАК входит 170 вычислительных центров из 42 стран.

Применение ускорителей и их производство

Условно выделяют две основные области применения ускорителей заряженных частиц: в качестве инструментов в научных исследованиях и в качестве установок, обеспечивающих нормальный ход технологических процессов. К таким процессам относятся: стерилизация медицинской аппаратуры и материалов, лучевая терапия, производство радиофармакологических препаратов для медицинской диагностики, неразрушающий контроль, изготовление элементов микроэлектроники, искусственная полимеризация лаков, модификация свойств материалов, изготовление термоусаживающихся труб и др.Рис. 2. Динамика роста числа ускорителей и их распределение по областям применения.Рис. 2. Динамика роста числа ускорителей и их распределение по областям применения.

В мире работает более 40 тыс. ускорителей. Из них около 1 % имеют энергию пучка свыше 1 ГэВ и используются для фундаментальных исследований (в релятивистской ядерной физике, физике элементарных частиц). Пучки вторичных частиц от таких ускорителей применяют для исследований в химии, биофизике, геофизике и других областях (рис. 2). На создание новых ускорителей в мире расходуется примерно 5 млрд долл. в год. Серийное производство осуществляют более 100 промышленных компаний.

Физика ускорителей

Как самостоятельная дисциплина физика ускорителей возникла в первые десятилетия 20 в., выделившись из более широкого круга дисциплин (физика плазмы и пучков заряженных частиц, физика и техника электровакуумных приборов и др.), связанных с исследованием протекания электрического тока в разреженных газах. В этом разделе прикладной физики изучается динамика частиц в ускорителях, а также многочисленные технические задачи, связанные с сооружением и эксплуатацией ускорителей. Физика ускорителей включает в себя вопросы, связанные с получением, ускорением и накоплением частиц в самых разнообразных типах ускорителей. Исследуется динамика движения заряженных частиц во внешних электромагнитных полях (динамика продольного движения, описывающая ускорение частиц, и динамика поперечного движения, описывающая фокусировку пучков). Также изучаются вопросы создания магнитных и сверхпроводящих структур, эффекты пространственного заряда (в том числе взаимодействие частиц с деталями ускорителя и друг с другом, например со встречным пучком). К физике ускорителей относят изучение синхротронного излучения, получение и ускорение поляризованных пучков, физику и технику охлаждения пучков, технику получения высокого вакуума и взаимодействие пучков с остаточным газом в камере ускорителя, вопросы радиационной безопасности и др.

Вопросы физики и техники ускорителей обсуждаются в ходе ряда регулярно проводимых конференций. Первая международная конференция по ускорителям заряженных частиц состоялась в 1956 г. в ЦЕРН. Начиная с 1997 г. материалы 18 различных конференций публикуются в электронном виде на сайте. Крупнейшая из них – IPAC (International Particle Accelerator Conference, Международная конференция по ускорителям частиц) – проводится ежегодно и собирает около 2 тыс. участников. В России регулярно проводятся две международные конференции, посвящённые физике и технике ускорителей, – Российская конференция по ускорителям частиц (RuPAC) и Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В. П. Саранцева.