УСКОРИ́ТЕЛИ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 ускорит. 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.) ускорит. установки используются для уменьшения энергии пучка.
Структура ускорителя
Любая ускорит. установка включает 3 осн. структурных элемента: 1) источник частиц с системой формирования пучка; 2) собственно ускоритель – устройство (или цепочка последовательно расположенных устройств), увеличивающее энергию частиц, а также формирующее их траекторию; 3) устройства, осуществляющие вывод и транспортировку пучка на мишень или взаимодействие пучка с 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 (напр., электронная пушка), и представлять собой сложный комплекс ускорит. устройств, как, напр., 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 разл. 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 (произведение радиуса пучка на его угловую расходимость) и энергетич. разброс. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц высокой энергии. По аналогии со световой оптикой вводят понятие яркости пучка (сила тока частиц, делённая на эмиттанс, что соответствует плотности частиц, делённой на угловую расходимость). При практич. применении совр. У. з. ч. часто требуется максимально возможная яркость пучков.
Ускорение пучка производится в устройствах разл. типов с помощью электрич. поля (изменяющего энергию заряженных частиц). Для формирования траектории частиц в У. з. ч. применяют магнитное поле, которое изменяет направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости. Совр. У. з. ч. высоких энергий – огромные сложные комплексы. Так, ускорение протонов для проведения экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) осуществляется сначала в линейном ускорителе, затем в 4 последовательных циклич. ускорителях, периметр последнего из них (собственно БАК) составляет 26659 м.
Осн. задачи вывода и транспортировки пучков ускоренных частиц – сохранение интенсивности пучка и формирование 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 электрич. или магнитные линзы, обеспечивающие фокусировку частиц. Здесь же размещаются устройства, поворачивающие пучок (как для изменения траектории всего пучка, так и 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 центр. часть пучка таким образом, чтобы разница в плотности потока в этой части не превышала допустимую (при этом потери интенсивности пучка будут тем большими, чем жёстче требования к однородности). Др. способ повышения однородности пучка – применение устройств развёртки пучка.
Классификация ускорителей
У. з. ч. различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов, протонов и ионов (пучки этих частиц проще всего получить). В совр. У. з. ч., предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны). Для увеличения эффективности использования энергии частиц в коллайдерах после завершения ускорит. цикла пучки частиц сталкивают (см. Встречные пучки).
По способу создания ускоряющего электрич. поля У. з. ч. делятся на 4 класса. В ускорителях прямого действия (или высоковольтных ускорителях) электрич. поле имеет практически постоянную величину в течение всего процесса ускорения. В индукционных ускорителях используется вихревое электрич. поле, возникающее при изменении магнитного потока (эдс индукции). При этом в процессе ускорения напряжённость электрич. поля может изменяться по величине, но сохраняет одно и то же направление. В высокочастотных резонансных ускорителях для ускорения используется электрич. компонента поля электромагнитной волны; т. о., в процессе ускорения поле многократно изменяет направление. В коллективных методах ускорения используются электрич. поля, создаваемые др. заряженными частицами. Коллективные методы теоретически позволяют резко увеличить темп ускорения (энергию, набираемую на единицу пути) и интенсивность пучков, но пока к созданию действующих установок не привели.
Конструктивно У. з. ч. делятся на две группы: линейные ускорители (см. Линейный ускоритель протонов, Линейный ускоритель электронов), где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по криволинейным траекториям (напр., окружностям или спиралям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз, причём в синхротроне используется сочетание криволинейных и прямолинейных участков. По механизму, обеспечивающему фокусировку пучка (устойчивость движения частиц в перпендикулярных к траектории направлениях), различают ускорители с однородной фокусировкой, в которых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в которых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к циклич. ускорителям вместо терминов «однородная» и «знакопеременная» фокусировка используют термины «слабая» («мягкая») и «сильная» («жёсткая») фокусировка. ВЧ резонансные ускорители могут быть классифицированы по характеру управляющего магнитного поля и ускоряющего электрич. 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, промышленные ускорители электронов и др.
Получение и обработка результатов экспериментов
Для анализа результатов экспериментов в совр. ускорит. комплексах высоких энергий используются универсальные детекторы частиц, включающие в себя, кроме больших магнитных систем, также многочисл. сцинтилляционные детекторы, пропорциональные камеры, дрейфовые камеры, черенковские счётчики, калориметры и др. Такие детектирующие системы вместе с обслуживающей их электроникой представляют собой самостоят. инж. сооружения и обычно получают собств. название. Напр., один из осн. детекторов БАК – ATLAS (от англ. A Toroidal LHC ApparatuS) имеет длину 46 м, диаметр 25 м, общую массу ок. 7000 т. В коллаборации ATLAS ок. 2000 учёных и инженеров из 165 лабораторий и ун-тов 35 стран (в т. ч. из России). Поток данных с 4 основных и 3 вспомогат. детекторов БАК составляет ок. 300 ГБ/с (после фильтрации – ок. 300 МБ/с), обработка такого потока невозможна без применения совр. компьютерных технологий.
Необходимость проведения большого объёма расчётов при проектировании новых установок и обработке больших потоков данных для анализа результатов экспериментов, а также потребность в быстром обмене информацией между учёными, работающими в разных странах, привела к тому, что все ведущие ускорит. лаборатории являются также и центрами по развитию информац. технологий, концентрирующими ресурсы по хранению и обработке информации. Возникновение и развитие Интернета связано с ускорит. центрами: первый в мире веб-сервер и первый в мире веб-браузер (WorldWideWeb, www) создан в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), рос. Интернет (Рунет) возник в Курчатовском институте, первый веб-сервер в США – в Станфордского линейного ускорителя центре. Для обработки данных, поступающих с БАК, создана одна из крупнейших грид-систем, в которой виртуальный суперкомпьютер образуется из кластеров компьютеров, соединённых в сеть и работающих над одной задачей. В состав грид-системы БАК входит 170 вычислит. центров из 36 стран. Система имеет иерархич. структуру: нулевой уровень – ЦЕРН (получение информации с детекторов, сбор и хранение «сырых» науч. данных), первый уровень – 12 ин-тов, получающих выделенные подмножества исходных данных для резервного хранения и, при необходимости, проведения повторных расчётов (один из таких ин-тов расположен в России – в Объединённом институте ядерных исследований, ОИЯИ). Многочисл. центрами второго уровня служат организации, обладающие хорошими вычислит. ресурсами. Более 85% всех вычислит. задач БАК выполняется вне ЦЕРН, из них более 50% – в центрах второго уровня. Аналогичную грид-систему планируется использовать для обработки данных эксперимента MPD (от англ. Multi Purpose Detector, многоцелевой детектор), проведение которого планируется на сооружаемом в ОИЯИ тяжелоионном коллайдере.
Применение ускорителей и их производство
Условно выделяют две осн. области применения У. з. ч.: в качестве инструментов в науч. исследованиях и в качестве установок, обеспечивающих нормальный ход технологич. процессов. К таким процессам относятся: стерилизация мед. аппаратуры и материалов, лучевая терапия, произ-во радиофармакологич. препаратов для мед. диагностики, неразрушающий контроль, изготовление элементов микроэлектроники, искусств. полимеризация лаков, модификация свойств материалов, изготовление термоусаживающихся труб и др. На 2016 в мире работают ок. 30 000 У. з. ч. Из них ок. 1% имеют энергию пучка св. 1 ГэВ и используются для фундам. исследований (в ядерной физике, физике элементарных частиц, физике твёрдого тела). Пучки вторичных частиц от таких У. з. ч. применяют для исследований в химии, биофизике, геофизике и др. Ок. 44% У. з. ч. используются в терапии онкологич. заболеваний, 41% – при произ-ве изделий микроэлектроники методом ионной имплантации, 9% – в пром. технологиях, 4% – в медико-биологич. и др. исследованиях на пучках низких энергий.
Непосредств. толчком к созданию первых У. з. ч. послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. В 1932 Дж. Кокрофт и Э. Уолтон разработали каскадный генератор, на котором ускорили пучок протонов до 700 кэВ и впервые осуществили ядерную реакцию, возбуждаемую искусственно ускоренными частицами (расщепление ядра лития протонами). Это событие условно считается датой рождения У. з. ч. В дальнейшем разработчики совершенствовали У. з. ч., стремясь получить пучки более высокой энергии, интенсивности и качества, а также повысить качество и экономичность конструкции.
Совр. ускорители высоких энергий – огромные дорогостоящие комплексы, создаваемые в рамках междунар. проектов. Существенную часть стоимости ускорит. комплекса составляют затраты на сооружение и наладку детектирующих систем. В то же время У. з. ч., применяемые в медицине и разл. технологич. процессах, производятся серийно большим числом коммерч. фирм.
Физика ускорителей
Как самостоят. дисциплина возникла в первые десятилетия 20 в., выделившись из более широкого круга дисциплин (физика плазмы и пучков заряженных частиц, техника электровакуумных приборов и др.), связанных с исследованием протекания электрич. тока в разреженных газах. В этом разделе прикладной физики изучаются: динамика частиц в У. з. ч., а также многочисл. технич. 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); изучаются вопросы создания элементов магнитных и ускоряющих структур (включающие элементы физики сверхпроводимости) и эффекты пространственного заряда (включающие взаимодействие частиц с элементами ускорителя и друг с другом, в т. ч. со встречным пучком). К физике ускорителей относятся также изучение синхротронного излучения, получение и ускорение поляризованных пучков, физика и техника охлаждения пучков, техника получения высокого вакуума и взаимодействие пучков с остаточным газом в камере ускорителя, вопросы радиац. безопасности и др.
Вопросы физики и техники ускорителей обсуждаются в ходе ряда регулярно проводимых конференций. Первая междунар. конференция по У. з. ч. состоялась в 1956 в ЦЕРНе. Начиная с 1997 материалы 18 разл. конференций публикуются в электронном виде на сайте http://jacow.org. Крупнейшая из них – IPAC (International Particle Accelerator Conference, Междунар. конференция по ускорению частиц) проводится ежегодно и собирает ок. 2000 участников. В России регулярно организуются две междунар. конференции, посвящённые физике и технике ускорителей, – Рос. конференция по ускорителям частиц и Междунар. семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В. П. Саранцева.