Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие

Введение

Изучение окружающего мира человеком началось с момента его первого появления и продолжается по сей день, становясь причиной создания новейших изобретений в лице мельчайших микропроцессоров до исполинский коллайдеров, которые позволяют человеку изучать как необъятные просторы космоса, так и проникать в самую глубину атомных и даже ядерных структур. Среди различных методов изучения окружающего мира часто преобладало наблюдение за определённым экспериментом, что позволяло учёным определить различные постоянные, закономерности, вывести их математическую интерпретацию.

Но с уменьшением размеров и входом уже на молекулярных, атомных и ядерные уровни, наблюдения часто оказываются невозможными из-за предельных возможностей глаза, лупы, микроскопа и именно тут на помощь приходят ускорители частиц, которые и позволяют разбить сами частицы давая возможность по определению продуктов их распада построить модель их структуры. Именно по этой причине на сегодняшний день развитие физики ускорителей, физики ядерных реакций и иных областей физики связанных с изучением мельчайших структур становиться максимально актуальным и важна максимальная популяризация этой области знаний.

Данный курс предназначен для студентов, которые будут заниматься ядерной физикой, физикой элементарных частиц и атомного ядра, а также новоявленной физикой резонансных ядерных реакций. Каждый специалист обязан полностью понимать и знать все явления и природу экспериментов, проводимых на ускорителях, а также саму физику ускорителей. Сами по себе ускорители заряженных частиц представляются довольно сложными устройствами, действующие поэтапно и генерирующие пучки самых различных заряженных частиц, среди которых известными являются протоны, дейтроны, электроны, тритоны и прочие. Наряду с перечисленным экспериментатор обязан полноценно понимать все теоретические расчёты и математический аппарат физики, с которой он контактирует, что позволяет ему действовать также самостоятельно без какой бы то ни было дополнительной консультации.

Читаемый курс является вводным в физику ускорителей, с представлением начальных характеристик, видов и принципов действия самих устройств, а также с редким упоминанием примером физических явлений, а именно ядерных реакций, осуществляемые на них. Будет также представлен и начальный математический аппарат относительно некоторых физических явлений, которые будут представляться слушателям. Необходимо наличие у слушателей записных тетрадей лекций, а также рекомендуется наличие записных книжек для специальной терминологии и формул.

Также рекомендуется для личностей, посветивших свою жизнь в одну из самых величественных областей человеческой деятельности, как наука, ознакомиться и с художественной литературой по этой области.

Рекомендуемая литература

1. И. Б. Иссинский. Введение в физику ускорителей заряженных частиц. 2012.

2. А. Н. Лебедев, А. В. Шальной. Основы физики и техники ускорителей. 1991.

3. Ахмедова Г., Холбаев И., Маматкулов О. Б. Атомная физика. 2012.

4. Алиев И. Х., Шарофутдинов Ф. М. Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проекта «Электрон». 2021.

5. Алиев И. Х. Новые параметры по ядерным реакциям для осуществления на ускорителях заряженных частиц типа ЛЦУ-ЭПД-300. Проект «Электрон». 2022.

Тема: Зарождение ускорителей заряженных частиц

История ускорительной техники берёт своё начало ещё во времена самых первых исследований в области изучения строения вещества, и, хотя вопрос о строении материи был поставлен ещё в глубокой древности, его активное развитие начинается лишь чуть ранее открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Самые первые попытки в области увеличения энергии генерируемых частиц были приложены ещё во времена первых трубок Крукса, в которых обеспечивался высокий вакуум, что позволяло обеспечить вылет приличного потока электронов под действием термоэлектронной эмиссии.

Но если исходить из самого начала, то в истории ускорителей можно найти немало выдающихся изобретений, новых и ярких физических идей, в некоторых случаях, имеющих характер научного открытия. Однако развитие методов ускорения заряженных частиц и стремление ко всё большим энергиям никогда не были самоцелью и обязательно подчинялись в основном, логике развития ядерной физики и возникшей из неё физики высоких энергий.

Ранее проводимые исследования и постройки в области ускорительной физики можно изобразить при помощи диаграммы, таким образом в существовании объективных закономерностей развития ускорительной техники просто и наглядно убеждает такая зависимость от времени максимальной энергии, достигнутой в лабораторных условиях. В логарифмическом масштабе эта зависимость отражается прямой линией, на которую с некоторыми оговорками попадают и существующие установки, и проектируемые машины. То есть, энергия искусственно ускоренных элементарных частиц экспоненциально возрастает на порядок каждые семь-восемь лет, что отражает объективную закономерность развития науки и физики высоких энергий. При всей важности новых идей в физике ускорителей нельзя отметить, что заметных изломов на этой прямо их появление не вызвало и не привело к подобному случае, наличия каких-либо явных отклонений.

Вероятно, первые соображения о получении искусственно ускоренных частиц появились вместе с зарождением экспериментальной ядерной физики после исторических опытов Э. Резерфорда в 1919 г., хотя к этому времени уже существовали высоковольтные рентгеновские трубки и установки для получения «канальных лучей», в определённой степени, заслуживающие названия ускорителей. Возможности высоковольтной техники того времени, и энергия альфа-частиц естественных радиоактивных изотопов, с которыми ускорители были призваны конкурировать, определяли и ближайшую цель – получение частиц с энергией порядка нескольких МэВ. Впрочем, были, конечно, ясны и принципиальные преимущества ускорителей – возможность ускорения протонов, иных элементарных частиц, а также направленность и большая интенсивность пучка, эквивалентная десяткам и сотням килограмм естественных радиоактивных препаратов. Интересно, что в 20-е годы было высказано довольно много идей ускорения до большой энергии, опередивших своё время и воплощённых в конкретных установках лишь по прошествии многих лет.

Тем не менее, первая искусственная ядерная реакция – расщепление ядра лития протонами с энергией 700 кэВ – была осуществлена сотрудниками Резерфорда Дж. Кокрофтом и Э. Уотсоном в 1931 году и сразу же повторена в нескольких лабораториях. Эту дату и можно считать началом истории ускорителей.

Умножитель Кокрофта-Уолтона

Установка Кокрофта-Уолтона состояла из двух основных элементов – генератора высокого напряжения и ускорительной трубки. Оба они в техническом отношении претерпели в дальнейшем существенные модификации. Одним из основных этапов в развитии электростатических ускорителей было изобретение в 1929 году Р. Ван-де-Граафом из Пристонского университета в США генератора высокого напряжения с механическим переносом заряда. Повышение энергии в этих машинах сдерживалось в основном электрической прочностью опорных изоляторов и ускорительной трубки, по применение принудительного распределения потенциала позволило вскоре получить энергию 2,5 МэВ. В СССР в 1938 году в Харькове был запущен электростатических ускоритель на 3,6 МэВ. Важно также отметить, что к концу 50-х годов ускорительная трубка серийного электростатического ускорителя выдерживала уже на порядок больше, а именно 16 МВ.

Тем не менее, ограниченные возможности метода электростатического ускорения были очевидны, а развитие физики ядра настоятельно требовало перехода к энергиям порядка десятка МэВ, сравнимой со средней энергией связи нуклона в ядре. Поэтому качественно новым этапов в развитии ускорителей следует считать появление резонансных методов, не требующих высоких напряжений. Первые идеи такого рода были высказаны, как показывают исследования, шведским учёным Изингом в 1924 году, но не привели к созданию работоспособной модели. Линейным вариантом резонансного ускорителя занимался также шведский физик Р. Видерое, внёсший вклад и для разработки бетатрона. В их схемах не было никаких принципиальных недостатков, но увы, лишь отсутствие в конце 20-х годов мощных коротковолновых генераторов не позволило осуществить их на практике. Выше уже упоминалось об обилии появившихся в то время идей, к большому сожалению, не нашедших технического воплощения. В этой связи следует упомянуть и имя американского инженера Дж. Слепяна, в патентах которого можно найти прообразы некоторых будущих ускорителей, в том числе известного бетатрона и линейного резонансного ускорителя.

На реальную основу резонансное ускорение было поставлено в работах Э. Лоуренса, проводившихся в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли. Практически одновременно в 1930—1932 гг. в этой лаборатории появились работающие модели циклотрона – первого циклического ускорителя, в создании которого важную роль сыграл М. Ливингстон, и линейного резонансного ускорителя с трубками дрейфа (Д. Слоан). Однако линейные системы вскоре отошли на второй план из-за недостаточного развития техники СВЧ по сравнению с циклотроном, который уже начал поистине своё большое триумфальное шествие.

Уже в 1935 году была получена энергия альфа-частиц, равная 11 МэВ и впервые превысившая максимальную энергию естественных радиоактивных изотопов, а в 1938 году был запущен циклотрон с диаметром полюсов 1,52 м, на котором были получены альфа-частицы с энергией 32 МэВ. Перед началом второй мировой войны было начато сооружение циклотрона для дейтронов на энергию 100 МэВ. Первый циклотрон в Европе был запущен в Ленинграде в 1936 году в Радиевом институте на энергию 6 МэВ.

Говоря же об общей роли циклотрона в развитии ядерной физики, то её трудно переоценить. Особенно важным этапом стало ускорение в циклотроне дейтронов, сначала из-за того интереса, который представляет дейтрон как простейшая ядерная система, а затем из-за открывшихся возможностей генерации интенсивных потоков нейтронов с помощью легко идущих реакций типа (d-n), то есть дейтрон-нейтронных реакций. Значение последнего указанного обстоятельства не требует комментариев, поскольку благодаря ему были впоследствии получены точные количественные сведения о сечениях реакции захвата и деления, ибо реакции с нейтронами привлекли в дальнейшем большое внимание за счёт урановой технологии.

Проблема ускорения электронов стояла несколько особняком и не могла быть решена на пути развития циклотрона, принципиально не пригодного для ускорения релятивистских частиц. Линейные же ускорители пережили своё настоящее второе рождение лишь после второй мировой воны в связи с бурным развитием техники генерации СВЧ-колебаний для целей радиолокации. Однако в 1940 году Д. Керстом в США был запущен циклический индукционный, то есть не резонансный ускоритель – бетатрон на 2,3 МэВ, основная идея которого содержалась в патентах Слепяна. Близко к созданию бетатрона подошёл Видерое, впервые сформулировавший так называемое бетатронное условие, позволяющее сохранить при ускорении радиус орбиты почти постоянным, что оказалось важным с практической точки зрения. Кроме того, в начале 40-х годов были чётко выяснены условия устойчивости движения электронов в бетатроне, что имело принципиальное значение. Дело в том, что ускоряющее электрическое поле в бетатроне в практических условиях оказывается очень малым и для достижения одной и той же энергии частица вместо сотен метров, как в циклотроне, должна пройти полный путь в тысячи километров, на котором, естественно, сильно сказываются даже малые возмущения движения.

Работа Керста была повторена, хотя и не сразу, в нескольких лабораториях, в том числе и в СССР, и бетатрон вскоре стал надёжным и простым источником тормозного излучения, используемым в физики фотоядерных реакций и в технике. Однако главный недостаток циклотрона – небольшое ускоряющее поле, почти неизбежно следующий из нерезонансного характера ускорения, он и определял максимальную энергию на уровне 100 МэВ, когда же крупнейший бетатрон Иллинойского университета в США давал энергию 300 МэВ. Принципиальный характер этого ограничения связан с магнитотормозным или точнее синхротронным излучением частиц, двигающихся по окружности в самой вакуумной камере.

Теория синхротронного излучения, развитая в начале 40-х годов и хорошо подтверждённая экспериментально, указывала на неизбежное возрастание с энергией радиационных потерь, которые не могли быть восполнены относительно малым ускоряющим полем бетатрона. Таким образом, в начале 40-х годов сложилась внешне тупиковая ситуация: казалось, что резонансные методы достигли своего потолка, связанного с релятивистскими эффектами, а нерезонансные сталкивались с непреодолимыми техническими трудностями. В то же время переход в диапазон энергий порядка сотен МэВ был необходим в связи с появлением новой отрасли науки – физики элементарных частиц и требованиями генерации недавно открытых мезонов, когда же энергия покоя μ-мезона составляет 106 МэВ, а π-мезона целых 140 МэВ. Новый качественный этап в истории ускорителей связан с именем В. И. Векслера, работавшего тогда в ФИАН имени П. Н. Лебедева.

Владимир Иосифович Векслер

В 1944 году В. И. Векслер сформулировал свой знаменитый принцип автофазировки, согласно которому резонансное ускорение может быть продлено до сколь угодно больших энергий при весьма умеренных требованиях к параметрам ускоряющего поля. Этот принцип независимо был открыт в США Э. Мак-Милланом в 1945 году. Интересно отметить, что принцип автофазировки использует те самые эффекты зависимости частоты обращения от энергии, которые казались препятствием для повышения энергии частиц в циклотроне. Кроме того, применение основной идеи В. И. Векслера оказалось необходимым для более глубокого понимания работы и линейного резонансного ускорителя, а впоследствии и ряда других физических приборов, где существенно взаимодействие между образуемой в системе электромагнитной волной и ускоряемыми заряжёнными частицами.

Таким образом представляется начальный этап развитие ускорительной техники, с началом собственного зарождения, разделения на несколько видов и образованием первым физико-математических теорий, которые уже нашли свою реализацию. В дальнейшем в при помощи 2 дополнительных тем по истории ускорительной техники будет полностью рассмотрен вопрос о последующих проведённых работах до сегодняшнего дня, после чего можно будет переходить непосредственно к описанию конструкции самих ускорителей и их математического аппарата.

Контрольные вопросы

1. Опыты какого учёного стали основополагающими в начале работ по проведению ядерных реакций без ускорителей?

2. Когда и кем была осуществлена первая ядерная реакция?

3. Запишите уравнение первой искусственной ядерной реакции.

4. Какой учёный разработал метод генерации высокий напряжений при механического типа в 1929 году?

5. В каком году был сформулирован принцип автофазировки В. И. Векслера?

6. Из каких частей состояла установка Кокрофта-Уолтона?

7. Где был запущен один из первых электростатических ускорителей в 1938 году на энергию 3,6 МэВ?

8. Когда и где был создан первый циклотрон?

9. Укажите энергию покоя μ и π-мезонов.

10. Какие учёные независимо друг от друга разработали принцип автофазировки в 1944 году?

Тема: Физика ускорительной техники с половины XX века

В прошлый раз было завершено изучение первого этапа развития физики ускорителей, после чего можно переходить к последующему изучению, в частности этот этап начинается с идей В. И. Векслера.

Исходя из основной физической идеи автофазировки, В. И. Векслер предложил несколько конкретные ускорительные схемы. В первую очередь, к ним относится синхротрон – ускоритель с переменным магнитным полем и постоянной частотой ускоряющего поля и фазотрон – модифицированный циклотрон с постоянным полем и переменной частотой, о которых будет подробно рассказано. В синхротроне для тяжёлых частиц, к примеру протонов, чтобы сохранить радиус орбиты постоянным, надо менять и магнитное поле, и частоту, что дало основание назвать его синхрофазотроном, который также будет подробно описываться. Кроме того, В. И. Векслером был предложен микротрон – своеобразный циклотрон для ускорения лёгких частиц, примером которых являются электроны.

Выдвинутые идеи быстро начали претворяться в жизнь, и уже к началу 1947 году в Великобритании, СССР и в США были запущены первые небольшие синхротроны. В 1949 году в Москве под руководством В. И. Векслера и П. А. Черенкова в ФИАН имени П. Н. Лебедева был запущен электронный синхротрон на энергию 280 МэВ, позволивший начать планомерные исследования по фото-рождению мезонов. Уже к 1960 году в мире существовало несколько огромных электронных синхротронов этого поколения на энергию порядка 1 ГэВ.

Для оценки развития ускорителей техники в те годы важно иметь в виду два обстоятельства.

Во-первых, создание ускорителей перестало быть делом одной лаборатории. Быстро возрастающие вес и мощность питания магнитов, потребность в специализированных защищённых помещениях, новые требования к вакуумным и высокочастотным системам, наконец, большая стоимость и трудоёмкость ускорительных установок привели, по существу, к появлению специализированной промышленности. В СССР значительную роль сыграл Радиотехнический институт, возглавляемый А. Л. Минцем, НИИ электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова в Ленинграде, работавший под руководством Е. Г. Комара и другие. Нельзя не отметить также выдающуюся роль людей, координировавших эту деятельность – Д. В. Ефремова, А. М. Петросьянца, К. Н. Мещерякова и многих других.

Во-вторых, этот этап развития ускорительной техники и исторически, и по существу совпадал с развитием работ по прикладной ядерной физике. Это обусловило известную ограниченность информации о конкретных технических проектах и решениях, в значительной мере самостоятельный характер развития ускорительной техники в Советском Союзе.

В 1949 году в хорошо известном ныне городе Дубна был запущен крупнейший в мире ускоритель – фазотрон или же синхроциклотрон на энергию 680 МэВ. Сравнимой по масштабу установкой был в то время также синхроциклотрон Калифорнийского университета в Беркли. Даже к 80-м годам эти установки сохраняют лидирующее, хотя уже и не рекордное, положение в своём классе машин. Крупнейшим синхроциклотроном на момент 80-х годов является машина Института ядерной физики имени Б. П. Константинова в Гатчине под Ленинградом. Диаметр магнитных полюсов этой установки, рассчитанной на энергию 1 ГэВ, составляет около 7,5 м.

Первыми крупными протонными синхротронами были космотрон на 3 ГэВ в Брукхейвенской лаборатории под Нью-Йорком, созданный в 1952 году, синхротрон Бирмингамского университета в Англии на 1 ГэВ, построенный уже в 1953 году и беватрон в Беркли 1954 года. Последняя машина заслуживает особого упоминания, так как максимальная энергия протонов в ней составляющая 6,3 ГэВ, была специально рассчитана на возможность генерации пар протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон. Искусственное создание тяжёлых античастиц, впервые осуществлённое Э. Сегре в сотрудничестве, стало триумфом ускорительной физики.

Несколько позже в Дубне завершилось строительство крупнейшего в мире ускорителя – синхрофазотрона на энергию 10 ГэВ. Некоторые цифры, связанные с этой установкой, впечатляли даже в 80-х годах – по прошествии более 20 лет. Кольцевой магнит ускорителя радиусом 28 м по орбите и шириной 7,5 м весит 36 000 тонн, собран из шихтованной тщательно отсортированной стали и установлен с очень высокой точностью. Система питания магнита имеет реактивную мощность порядка 140 МВ*А, а поперечное сечение вакуумной камеры составляет 200*40 см. Говоря же о синхрофазотроне в Дубне, принадлежащий Объединённому институту ядерных исследований (ОИЯИ), он был запущен в 1956 году.

Параллельно циклическим ускорителям в послевоенные годы начали развиваться и линейные ускорители, сразу же разбившиеся на два подкласса, – электронные и ионные машины. Для первых характерной особенностью было постоянство скорости ускоряемых частиц, практически равной скорости света. Наиболее эффективной ускоряющей системой для них оказался диафрагмированный волновод с бегущей электромагнитной волной, возбуждаемой от магнетрона, а позднее от клистронного усилителя мощности, как правило, 10-сантиметрового диапазона.

Без принципиальных изменений физического характера эти системы применяются и теперь. Первый ускоритель на бегущей волне был запущен в 1948 году У. Уолкиншоу с сотрудничеством в Англии, однако максимальная энергия, полученная на таких машинах, долгое время оставалась небольшой, и только в конце 50-х начале 60-х годов в США, СССР и во Франции были построены электронные ускорители на несколько сот МэВ. Крупнейший в СССР линейный ускоритель электронов на энергию 1,8 ГэВ находится в Харьковском Физико-техническом институте (ФТИ). Для развития физики линейного ускорения электронов много сделали Е. Гинцтон, Л. Смит, В. Пановский, Р. Нил, а в СССР – А. И. Ахиезер, В. В. Владимирский, Я. Б. Фейнберг, И. А. Гришаев, О. А. Вальднер, Н. А. Хижняк, Р. М. Воронков и другие.

На развитие линейных ускорителей протонов и иных тяжёлых частиц решающее влияние оказала работа Л. Альвареца – сотрудника Э. Лоуренса, использовавшего в 1947 года для ускорения протонов до 32 МэВ многозазорный резонатор, или систему трубок дрейфа, расположенных в общем баке. Система эта оказалась настолько удачной, что с малосущественными изменениями применяется и теперь для ускорения до средних энергий, меньших 200 МэВ. Однако при ускорении протонов до энергий свыше 100—200 МэВ система Альвареца оказывается малоэффективной, а система типа диафрагмированного волновода, работающая при скоростях порядка скорости света, ещё не может быть применена. Именно из-за этого долгое время энергия в линейных протонных ускорителях не превышала 100 МэВ, а сами они служили, главным образом, как инжекторы для больших протонных синхрофазотронов.

Одновременно с созданием крупных ускорительных установок резко увеличился интерес к теории ускорителей. Это вполне объяснимо, так как без чёткого понимания всех особенностей движения частиц проектирование и сооружение дорогостоящих уникальных машин было бы просто невозможным.