Левиафаны науки: очень большая наука

      Комментарии к записи Левиафаны науки: очень большая наука отключены

Левиафаны науки: очень большая наука

    Новое детище ЦЕРНа — Большой адронный коллайдер, самый большой в мире ускоритель, что на эйфорию физикам всей земли будет запущен весной следующего года Европейский супергигант

Первые ускорители изобрели и применяли для изучения физики ядра в университетских научных центрах, где их совершенствовали и в последующие десятилетия. Со временем область применения этих устройств существенно расширилась. на данный момент в мире действует более 12 000 ускорителей, и только 1200 из них — исследовательские (причем они обслуживают не только физику, но и химию, биологию, медицину, материаловедение).

6000 ускорителей трудятся в полупроводниковой индустрии, полторы тысячи — в других высокотехнологичных отраслях индустрии, 4500 — в онкологических клиниках, около двухсот применяют для получения радиоактивных изотопов. Так что главная масса таких установок — «медицины лошадки» и рабочие промышленности. Однако самые громадные ускорители (их всего пара десятков) на данный момент, как и раньше, помогают для проникновения в тайны микромира.

Cчитается, что о машине для ускорения заряженных частиц первым задумался Резерфорд, высказавший эту идею во второй половине 20-ых годов XX века на сессии Английского Королевского общества. Но у отца-основателя ядерной физики были предшественники.

В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочел в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчик сообразил, что скорость частиц и, следовательно, сила удара увеличатся, в случае если разогнать их в постоянном электрическом поле.

Наряду с этим Рольф достаточно разбирался в физике, чтобы выяснить, что данный путь не наилучший, поскольку нужную разность потенциалов в миллионы вольт взять очень тяжело. Рольф сделал вывод, что для разгона частиц стоит применять следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал.

По окончании окончания школы Видероэ отправился в Германию изучать электротехнику в политехническом университете в Карлсруэ, а через три года набросал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны посредством вихревого электрического поля, появляющегося (в полном соответствии с уравнениями Максвелла!) при периодическом трансформации магнитного потока. Практически это обычный электрический трансформатор, в котором одна из катушек заменена вакуумной камерой.

Видероэ выяснил параметры магнитных полей, нужные чтобы все электроны имели возможность набирать скорость на одной и той же круговой орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя элементарных частиц, причем с позиций теории полностью безукоризненный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года

По окончании защиты диплома Рольф возвратился на родину для прохождения военной работы, а после этого снова отправился в Германию трудиться над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить собственную схему в железе. Видероэ предполагал выстроить установку, разгоняющую электроны до 6 МэВ, но тут его постигло разочарование — электроны не хотели оставаться на стабильной орбите.

Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики поняли это только десять лет спустя: в первой половине 40-ых годов двадцатого века доктор наук университета штата Иллинойс Дональд Керст выстроил первый действующий индукционный ускоритель электронов на 2,3 МэВ (на данный момент такие автомобили именуют бетатронами, в память о тех временах, в то время, когда электроны именовали бета-частицами; наибольший в мире бетатрон на 300 МэВ, выстроенный тем же Керстом, был введен в воздействие в первой половине 50-ых годов двадцатого века).

Потому, что кольцевой ускоритель не действовал, а сроки защиты приближались, Видероэ решил выстроить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году придумал шведский физик Густав Изинг. Машина была не хватает замечательной и потому ненужной для важных опытов, но она все же ускоряла в бегущем электрическом поле ионы Na до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась так, дабы оставаться в фазе с набирающими скорость частицами.

Во второй половине 20-ых годов двадцатого века Видероэ благополучно защитился и напечатал свою работу.

В первой половине 40-ых годов двадцатого века он — думается, первым в мире — осознал, что для увеличения энергии соударения частиц их возможно сталкивать лоб в лоб, предварительно собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сейчас такие устройства именуют накопительными кольцами, Видероэ же назвал их «ядерными мельницами». Он запатентовал собственную конструкцию в Германии, но в условиях армейского времени патент засекретили.

Обе его идеи были осуществлены, но большое количество позднее и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было выстроено в первой половине 60-ых годов XX века в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати под управлением Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ по окончании войны удачно трудился в компании, которая изготовляла бетатроны, использовавшиеся в онкологических поликлиниках как замечательные источники рентгеновского излучения.

Пришло к нему и научное признание, не смотря на то, что и с запозданием — он стал консультантом в ЦЕРНе и в германской лаборатории физики высоких энергий DESY. Но так уж сложилось, что широкой публике данный ученый известен значительно меньше, чем другие классики ускорительных разработок.

Линейные ускорители

Прибор Видероэ был чисто демонстрационным. Первый «рабочий» линейный ускоритель выстроили в первой половине 30-ых годов двадцатого века сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской премии. Эта машина разгоняла протоны до энергии в 500 КэВ, что разрешило взломать ядра лития. В 1930-е годы эта совокупность (так называемый каскадный генератор) употреблялась достаточно обширно, но только чтобы получить энергии до 1 МэВ (в этом качестве ее применяют и поныне).

А вот схема Изинга владеет куда лучшими возможностями. По идее она весьма несложна. Заряженная частица покидает источник и летит по вакуумной камере через множество соосных полых железных трубок, расположенных на протяжении прямой линии. На эти трубки подается переменное электрическое поле, которое частица «чувствует», только в то время, когда пролетает через зазор (в трубок оно экранируется).

Так, в трубках частицы летят по инерции — дрейфуют (исходя из этого трубки и именуют дрейфовыми). Частота колебаний электрического потенциала подобрана так, дабы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась. Собрав расчетную энергию, частицы попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, к примеру, посредством магнитных линз).

Ясно, что параметры дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц. В случае если это электроны, каковые скоро набирают практически световую скорость, протяженность трубок возможно однообразной. Тяжелые частицы, ионы и протоны, разгоняются неспешно, исходя из этого их нужно прогонять через дрейфовые трубки возрастающей длины.

Как раз такую конструкцию и внес предложение Изинг. Через два десятилетия ее переоткрыл американец Луис Альварес, и сейчас схема носит его имя. Во второй половине 40-ых годов двадцатого века Вольфганг и Альварес Панофски выстроили в Беркли первый в мире линейный ускоритель, что разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, в полной мере достаточной для опытов в области ядерной физики.

Для ускоряющего поля они воспользовались подробностями радиолокаторов, которых, само собой разумеется, не было во времена Изинга. Схема Альвареса прекрасно трудится для разгона протонов до 200 МэВ. Более высокие энергии приобретают посредством волноводов с бегущей волной, каковые применяют и в электронных линейных ускорителях.

Протонная карусель

Рольф Видероэ косвенным образом приложил руку и к изобретению циклотрона. Как ни необычно, стимулом для данной автомобили стала его статья о линейном ускорителе. Эта неизвестная история прекрасно иллюстрирует, сколь непростым методом начинается научное знание.

Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по краям) всецело воплощал главную идею Изинга — частицы солидную часть пути проходят по инерции и лишь на определенных участках резонансно разгоняются электрическим полем. Во второй половине 20-ых годов XX века статья Видероэ попалась на глаза молодому доктору наук Калифорнийского университета Эрнесту Орландо Лоуренсу, что осознал, что резонансное ускорение частиц не обязательно осуществлять на прямолинейной траектории.

Он забрал железный полый цилиндр приблизительно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его на протяжении оси и раздвинул половинки (их на данный момент именуют дуантами). Эту разрезанную банку нужно положить между полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не особенно стремительных заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В постоянном магнитном поле они начнут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (очевидно, в камере должен быть вакуум).

Такое устройство возможно перевоплотить в ускоритель. Для этого в зазоры между дуантами нужно подать переменное электрическое поле, частота которого сходится с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности массы частиц и магнитного поля и не зависит от их скорости). При надлежащем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частицы при проходе зазоров между дуантами — совершенно верно равно как и в линейном ускорителе Изинга-Альвареса.

Те будут уходить на все громадные и громадные радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стенкой камеры либо не будут выведены на мишень.

В первой половине 30-ых годов двадцатого века Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в издании Science. Годом позднее он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали очень сильно разреженный водород, что в нее ионизировался электрическом полем.

Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон выстроили 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 сначала именовал собственный изобретение протонной каруселью, но скоро оно начало именоваться циклотроном.

Циклотрон кардинально поменял экспериментальную базу ядерной физики, и неудивительно, что во второй половине 30-ых годов двадцатого века труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А по окончании войны стало известно, что в один момент с Лоуренсом либо кроме того чуть раньше к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он послал рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в германский издание Zeitschrift fur Physic, но редакторы не осознали, о чем идет обращение, и отказались ее напечатать.

Синхронные ускорители

Лоуренс желал выстроить протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются столь очень сильно, что в воздействие вступают формулы особой теории относительности. В то время, когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, конечно, понижается, и частица выходит из резонанса.

Самые громадные циклотроны, выстроенные в Окриджской национальной лаборатории в Соединенных Штатах и в Стокгольмском Нобелевском университете, имели возможность разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия — до 24 МэВ. С целью достижения бoльших энергий необходимы циклические ускорители, каковые смогут обеспечить стабильное соответствие фазы ускоряющего поля перемещению частицы. Циклотрон на такое не может.

Дабы релятивистские частицы разгонялись в резонансном режиме, необходимо или неспешно увеличивать напряженность магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), или уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за понижением частоты обращения частиц, или согласованно поменять параметры обоих полей.

Будем, к примеру, функционировать посредством одного электрического поля. Допустим, мы выяснили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут полностью однообразными; помимо этого, на протяжении откачки воздуха некая часть частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет трудиться, только в случае если со временем число аналогичных отклонений будет уменьшаться и частицы возвратятся на верные траектории.

В другом случае все частицы скоро 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 позднее, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители смогут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы фактически до любых энергий — посредством особенного режима колебаний электрического потенциала, что машинально корректирует не особенно громадные отклонения частиц от расчетной фазы (ее именуют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не данный режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит подметить, что механизм автофазировки трудится и в линейных резонансных ускорителях).

По окончании открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле разные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным и электрическим полем переменной частоты в английской литературе принято именовать синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали.

Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается повышением напряженности магнитного поля, именуются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы в том месте движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (потому, что электроны в том месте движутся практически со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона данный 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 первой половине 50-ых годов двадцатого века. Сначала она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а по окончании полной доводки — до 3,3 ГэВ. В первой половине 50-ых годов XX века в Бирмингемском университете вступил в воздействие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ.

В первой половине 50-ых годов XX века получил ускоритель в Беркли, что годом позднее вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем в первый раз взяли антипротоны). Во второй половине 50-ых годов XX века был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые громадные циклические протонные ускорители — синхрофазотроны.

Фокусы фокусировки

Через пара лет по окончании 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, вместе с тем их и фокусирует. В других синхротронах и Космотроне первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое неспешно спадает при повышении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразную форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; в противном случае говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты.

Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не совершенна. Она разрешает приобретать только достаточно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки посильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства больших и потому дорогих автомобилей. Масса магнитной совокупности дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тысячь киллограм.

Затраты на совокупности с значительно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы.

Эта неприятность была решена в середине прошлого века. Во второй половине 40-ых годов XX века греческий физик Николас Христофилос продемонстрировал, что перемещением частиц возможно руководить посредством солидного числа прилегающих друг к другу электромагнитов, меняющих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным его нарастанием. Но он изложил собственные результаты только 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. Данный способ стал называться сильной фокусировки (фокусировка при помощи радиально спадающего поля именуется не сильный). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электрического поля, но разрешил лучше фокусировать пучки по вертикали и радиусу и замедлил рост размеров ускорителей.

Все упомянутые в данной статье автомобили — это ускорители с неподвижными мишенями. Существует и вторая разновидность — ускорители на встречных пучках. Об этих установках, и об аппаратуре для детектирования продуктов соударений частиц и о Громадном адронном коллайдере, выстроенном (но еще не запущенном) в окрестностях Женевы, — просматривайте в следующем номере.

Метаморфозы

    Линейный ускоритель Циклический ускоритель Синхронный ускоритель

1925. Линейный ускоритель

Заряженные частицы пролетают через серию трубок, на каковые подается переменное электрическое поле. В трубок оно экранируется, в том месте частицы летят по инерции — дрейфуют (исходя из этого трубки и именуют дрейфовыми). В зазорах между трубками они разгоняются, причем частота колебаний электрического поля подбирается так, дабы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась — исходя из этого с ростом скорости частиц протяженность трубок возрастает. При достижении расчетной энергии частицы направляют на мишень

1930. Циклический ускоритель

Складывается из двух пустотелых полуцилиндрических фрагментов — дуантов, расположенных между полюсами электромагнита, в центре находится источник заряженных частиц. В зазоры между дуантами подается переменное электрическое поле, частота которого сходится с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности массы частиц и магнитного поля и не зависит от их скорости). Поле резонансно разгоняет частицы при проходе зазоров между дуантами — совершенно верно равно как и в линейном ускорителе, наряду с этим возрастание скорости компенсируется повышением радиуса траектории частиц — они движутся по раскручивающейся спирали.

1952. Синхронный ускоритель

Принцип работы этого ускорителя весьма примерно возможно обрисовать, в случае если представить себе линейный ускоритель, свернутый в кольцо. В действительности все, само собой разумеется, пара сложнее. В составе синхронного ускорителя имеется резонаторы с ускоряющим полем, поворотные магниты, «закругляющие» траекторию пучка, и магниты, фокусирующие пучок заряженных частиц.

По мере роста скорости частиц изменяется или частота электрического поля (такие ускорители именуются фазотронами), или величина магнитного поля (синхротроны), или и то и другое (синхрофазотроны).

Прямой наводкой по ядерным бомбам

Изобретение сильной фокусировки вызвало очень интересный и сейчас фактически забытый проект защиты от атомного оружия. В первой половине 50-ых годов двадцатого века его выдвинул инициатор создания корнеллской автомобили Роберт Вильсон, в будущем первый директор Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми. Вильсон прикинул, что электронный синхротрон с сильной фокусировкой на 600 МэВ будет иметь не более трех метров в диаметре и весить всего лишь пара тысячь киллограм.

Он внес предложение размещать такие автомобили на тяжелых транспортных самолетах и применять их в качестве пушек, обстреливающих понижающиеся на парашютах ядерные авиабомбы или конкретно электронами, или гамма-лучами. Он кроме того подсчитал, что при массовом производстве цена для того чтобы ускорителя не превысила бы ста тысяч долларов. Пентагон показал к данной идее некий интерес, но дальше предварительных дискуссий дело не пошло.

А после этого показались межконтинентальные ракеты, и эти дебаты ушли в область истории (кстати, до сих пор не рассекреченной).

Сильная и не сильный

В первый раз способ сильной фокусировки был заложен в конструкцию электронного синхротрона, запущенного в первой половине 50-ых годов XX века в Корнеллском университете. При очень скромных размерах (кольцевая вакуумная камера диаметром 760 см) он ускорял частицы приблизительно до до 1,5 ГэВ. По плотности пучка эта машина на два порядка опережала электронный синхротрон со не сильный фокусировкой на 300 МэВ, выстроенный в Корнелле тремя годами раньше. Скоро сильную фокусировку стали применять и на протонных автомобилях.

В СССР первый таковой ускоритель на 7 ГэВ был введен в воздействие в Университете теоретической и экспериментальной физики в первой половине 60-ых годов XX века. А дубнинский синхрофазотрон (на снимке) и по сей день остается наибольшим в мире ускорителем со не сильный фокусировкой.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№60, октябрь 2007).

Левиафан — огнедышащий дракон — Кент Ховинд / Kent Hovind


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: