Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Кафедра автоматики, контроля и диагностики

ОТЧЕТ

по научно-исследовательской работе

«Ускоритель заряженных частиц - Синхротрон»

Выполнил: студент гр. ЭиА-С11	____________________ подпись, дата	В.И.Королев
Принял: к. т. н., доц. каф. АКиД	____________________ подпись, дата	П.А. Белоусов

Обнинск, 2014 г.

Оглавление

Введение. 3

1.Основная часть. 6

1.1. Устройство синхротрон. 6

Общий вид. 6

Магнитная система. 9

Ускоряющая система. 12

Ввод и вывод частиц. 13

2. Физические установки в синхротроне. 17

2.1.Вершинный детектор. 18

2.2. Трековый детектор. 19

2.3. Калориметр. 19

3.Способ инжекции пучка накопительное кольцо. 20

4.Способ ускорения электронов. 20

4.1. Способы охлаждения пучка заряженных частиц. 21

5. Как на ускорителе изучают свойства частиц. 26

5.1. Режим работы ускорителя. 27

5.2. Анализ статистики. 27

5.3. Сравнение с теоретическими вычислениями. 28

6. Временной срез проблемной области. 29

7. Основные проблемы и пути их решения. 30

8. Научные группы.. 31

Заключение. 35

Список используемых источников. 36

Введение

Целью работы является анализ научно-технической информации по ускорителям заряженных частиц и в частности синхротрона:

Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

● Провести анализ различных баз данных научно-технической информации

● Провести отбор, ранжирование источников по важности и другим критериям

● Просмотреть и собрать список актуальных патентов

Ускори́тель заря́женных части́ц — класс устройств для получения заряженныхчастиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы. Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.

Задачи, стоящие перед ускорителями:

Ускорители заряженных частиц используются в основном для изучение строения атома, исследования состава и строения нашей вселенной, измерения космических расстояний и просто исследования времени как физической величины.

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:

● Ускоритель Ван де Граафа. Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.

● Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта-Уолтона, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.)

● Трансформаторный ускоритель. Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.

● Импульсный ускоритель. Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.

Линейный индукционный ускоритель

Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

Линейный резонансный ускоритель

Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.

Циклические ускорители

Бетатрон

Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Циклотрон

В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.

Микротрон

Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

FFAG

Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.

Фазотрон (синхроциклотрон)

Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.

Синхрофазотрон

Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.

1.Основная часть.

1.1. Устройство синхротрон.

Синхротро́н (от др.-греч. σύγχρονος — одновременный) — один из типов резонансных циклических ускорителей. Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц орбита пучка остаётся постоянного радиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает. Кроме того, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазатрона).

Общий вид

В синхротронах (рис. 1) 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 (в том числе и сверхпроводящих) кольцевых магнитов.Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц (отсюда происходит название этого типа ускорителя).

Рисунок 1 Общий вид ускорительного кольца.

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 четырёхполюсные (квадрупольные). Последние фокусируют частицы (как линзы свет), собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере.

На рис. 2 изображена типичная зависимость В и w от времени. Эта зависимость обычно носит периодический характер и называется рабочим циклом (или циклом ускорения). После паузы 1 магнитное поле начинает возрастать и при подходящем его значении происходит инжекция 2, в течение которой вакуумная камера синхротрона протонного заполняется частицами, поступающими от предварительного ускорителя. В синхротрон протонный на умеренную энергию в качестве инжекторов обычно используются резонансные линейные ускорители; в синхротрон протонный на высокую и сверхвысокую энергию широко применяют каскадные схемы, в которых инжектором основного синхротрона протонного является небольшой синхротрон протонный- бустер. Под действием ускоряющего ВЧ-поля инжектируемые частицы группируются в q сгустков; при этом теряется часть пучка, оказавшаяся вне сепаратис, ограничивающих области устойчивости продольных колебаний. Захваченные в режим ускорения частицы ускоряются ВЧ электрическим полем, частота которого синхронизуется с магнитным полем системами автоподстройки по пучку. Во время захвата и ускорения 3 частицы могут быть потеряны под действием ряда факторов: рассеяния на остаточном газе, влияния возмущений магнитного и ускоряющего полей, коллективных эффектов, вызванных собственным полем пучка, его взаимодействием со стенками вакуумной камеры и т. д. После окончания стадии ускорения частицы выводятся (4) из синхротрона протонного и направляются пользователям: для физических экспериментов, инжекции в другие ускоритель и т. д. В связи с тем что детекторы имеют ограниченную скорость счёта, на современных синхротронах протонных широко используются схемы медленного вывода, растягивающие процессы вывода частиц до нескольких секунд или более. Индукция магнитного поля в течение медленного вывода не меняется (выходит «на площадку»).

Рисунок 2 Зависимость В и w от t.

Магнитная система

Поскольку магнитное поле синхротрона переменно во времени, магнит выполняется из листовой электротехнической стали; изолированные друг от друга листы располагаются перпендикулярно к орбите для устранения вихревых токов, искажающих магнитное поле. Толщина листа определяется электротехническими характеристиками стали и временем нарастания магнитного поля; она равна нескольким миллиметрам для продолжительности цикла в несколько секунд и составляет доли миллиметра для ускорителя с большой частотой повторения, особенно для электронных синхротронов.

Системы питания магнитов протонных синхротронов представляют собой сложные инженерные сооружения. Полная энергия, запасаемая в магните, исчисляется десятками и сотнями мегаджоулей, а мощность генераторов должна составлять десятки и сотни тысяч киловольт-ампер. Большая потребляемая мощность и неравномерность нагрузки, связанная с импульсным характером работы, как правило, делают невозможным непосредственное питание обмоток магнита от энергетической электросети - приходится использовать промежуточные накопители энергии.Для протонных ускорителей, характеризуемых относительно длинным циклом и малой частотой повторения импульсов, используются массивные (в несколько десятков тонн) механические накопители - маховики, расположенные на валу генератора переменного тока и приводимые во вращение электродвигателями.

Рисунок 3 Магнитные линзы

В электронных синхротронах накопителями могут служить конденсаторные батареи, комбинированные с внешними индуктивностями - реакторами. Магнитное поле в них обычно синусоидально зависит от времени с частотой электросети.

Структура магнитной системы синхротрона зависит от многих обстоятельств. С уверенностью можно сказать, что для получения энергии, меньшей 1 ГэВ, предпочтительно использовать слабофокусирующий магнит с n = 0,6 - 0,7. Увеличение апертуры для небольших ускорителей не приводит к очень большому абсолютному весу магнита; в то же время конструкция магнита оказывается проще, легче допуски на его изготовление, упрощается система ввода и вывода частиц и т.д. Магнит выполняется с прямолинейными промежутками (так называемый рейстрек), длина которых варьируется в диапазоне от 20 - 30 % радиуса кривизны орбиты в магнитном секторе. Число промежутков, как правило, равно четырем (при двух промежутках сильно искажается огибающая бетатронных колебаний и уменьшается область устойчивости). незначительное увеличение габаритов машины, связанное с введением промежутков, вполне окупается удобством размещения ускоряющей станции, устройств ввода и вывода и т.д.

Применение сильной фокусировки (v >>1) в небольших магнитах нецелесообразно, поскольку число периодов системы должно быть велико (N = 4v). Каждый период системы состоит, как минимум, из двух магнитных блоков - фокусирующего и дефокусирующего, поэтому абсолютный размер каждого блока был бы очень мал, а влияние краевых эффектов на движение частиц велико. Кроме того, в малом магните довольно сложно получить большое значение показателя поля n. Градиент магнитного поля определяется формой полюсов и по техническим соображениям обычно ограничивается величиной 10 -20 Тл/м, так что достижимое значение показателя поля оказывается порядка n = 10R, где радиус измерен в метрах.

Наоборот, при энергии, большей 10 - 10 ГэВ, сильная фокусировка является единственным практически приемлемым решением. Значения бетатронных частот v обычно выбираются в пределах от 5 до 20; при меньших значениях применение знакопеременной фокусировки теряет смысл, а при больших резко возрастают трудности связанные с обеспечением необходимой точности параметров и с допусками на магнитное поле.

Необходимым требованием к большим магнитам является наличие длинных прямолинейных промежутков. Особенно ясно это стало в связи с широким использованием в физическом эксперименте пучков вторичных частиц - мезонов, гиперонов, антипротонов и т.д., генерируемых первичным пучком протонов на внутренней мишени ускорителя. В силу релятивистских законов сохранения вторичные частицы рождаются с большой энергией и в малом телесном угле относительно направления первичного протона, поэтому их вывод из машины, сепарация и разводка в экспериментальные залы требуют использования мощных и сложных импульсных систем располагаемых в прямолинейных промежутках. Кроме того, нужна достаточно большая геометрическая база для отвода вторичных пучков от орбиты протонов. Поэтому все современные большие ускорители имеют несколько длинных прямолинейных промежутков, кроме относительно коротких, имеющихся в каждом периоде и служащих для размещения разнообразного вспомогательного оборудования.

Ускоряющая система

Если энергия инжекции нерелятивистская, то перестройка частоты в течении цикла в протонном синхротроне оказывается довольно глубокой, как и в фазотроне. Правда, связанные с этим проблемы несколько снимаются малым ускоряющим напряжением и кольцевой геометрией ускорителя, позволяющей уменьшить размер ускоряющего электрода и его емкость. К тому же ускоряющий электрод можно разместить, как это обычно и делается, в прямолинейном промежутке вне магнита. Основные трудности, связанные с перестройкой частоты в протонных синхротронах, заключены в необходимости точного соответствия частоты магнитному полю в любой момент времени. независимое программирование частоты обычно дает плохие результаты из-за недостаточной повторяемости магнитного поля от цикла к циклу. Более совершенна система функциональной связи, когда измеренное значение магнитного поля является управляющим сигналом для задающего генератора.Наконец, в современных ускорителях большого радиуса изменением частоты управляет сам пучок. Напомним, что при рассогласовании частоты и поля меняется радиус равновесной орбиты. Эти изменения могут быть уловлены датчиками положения пучка - так называемыми сигнальными электродами, сигнал с которых поступает для обработки в быстродействующую ЭВМ и используется для коррекции частоты генератора. Кстати, принцип оперативного управления параметрами ускорителя по данным о движении самого пучка в последнее время применяется очень широко, что привело даже к появлению нового термина - кибернетический ускоритель.

Рисунок 4 Ускорительная секция.

Ввод и вывод частиц

Необходимость внешней инжекции, присущая большим синхротронам, кроме ускорителя-инжектора (или бустера), предполагает наличие системы формирования и ввода пучка в машину.

Ввод частиц на замкнутую орбиту совсем не так тривиален, как это может показаться с первого взгляда. Более того, в стационарных условиях он вообще принципиально невозможен, т.к. означал бы непрерывное увеличение плотности частиц в фазовом пространстве, запрещенное теоремой Лиувилля (можно показать, например, что частица, впущенная извне в область, занятую стационарным магнитным полем, через конечное время выйдет из этой области). Поэтому инжекция возможна лишь в результате изменения во времени параметров полей, приводящих новые частицы в еще не занятые области фазового пространства.

В слабофокусирующих ускорителях обычно используется так называемая многооборотная инжекция. Пучок с малым эмиттансом проходит через канал инфлектора, в котором действует поперечное электрическое поле, поворачивающее частицы, т.е. забрасывает их в аксептанс ускорителя. если бы орбита оставалась неподвижной, то через несколько оборотов эти частицы попали бы на инфлектор и погибли. однако вследствие роста магнитного поля и неизменности энергии (ВЧ-поле выключено) орбита сворачивается внутрь, отходя от инфлектора, ранее инжектированные частицы минуя его, а новые частицы инжектируются с большей амплитудой радиальных бетатронных колебаний, пока не будет полностью заполнен весь аксептанс. На приктике, в зависимости от скорости нарастания магнитного поля и размеров инфлектора процесс многооборотной инжекции может продолжаться от нескольких оборотов до нескольких десятков.

К сожалению, в сильнофокусирующих ускорителях многооборотная инжекция трудноосуществима, так как сворачивание орбиты оказывается слишком малым и большая часть пучка соударяется с инфлектором. В этих случаях прибегают к однооборотной импульсной инжекции, когда пучок с относительно большим эмиттансом выводится инфлектором на орбиту в течение одного оборота, после чего напряжение на инфлекторе должно быть снято, так как вторичное прохождение частиц через отклоняющее поле приведет к их потере. Существуют и более сложные схемы инжекции, использующие, например, накопление в фазовом пространстве z-колебаний; перезарядная инжекция, когда теорема Лиувилля неприменима и т.п.

Для вывода ускоренных частиц должна решаться в некотором смысле обратная задача. (Если пучок используется на внутренней мишени, то возникает во многом аналогичная проблема вывода вторичных частиц.) Однако технически это задача во многом сложнее, чем при инжекции, поскольку импульс частиц существенно больше и для их поворота на нужный угол требовались бы слишком большие электрические поля. Современные схемы вывода частиц являются многоступенчатыми и основаны на многолетних разработках специальных устройств - так называемых септум-магнитов с резко ограниченной областью магнитного поля и кикер-магнитов, дающих короткий импульс отклоняющего магнитного поля. Иногда эти устройства выполняются подвижными и вдвигаются в рабочую область только в конце цикла, чтобы не мешать эффективному заполнению аксептанса при инжекции. В системе вывода используется также предварительное отклонение на малый угол электростатическим дефлектором, поле в котором очень резко локализовано за тонкой перегородкой, практически прозрачной для пучка. Такик комбинированные системы позволяют осуществить быстрый вывод пучка за время меньше или порядка одного оборота и медленный в течение нескольких миллисекунд, что особенно важно в экспериментах с регистрирующей аппаратурой, не допускающей большой импульсной загрузки.

Помимо протонного синхротрона существует электронный синхротрон.

Синхротрон электронный - кольцевой резонансный ускоритель электронов (позитронов) на энергии от нескольких МэВ до десятков ГэВ, в котором частота ускоряющего электрического поля не меняется, ведущее магнитное поле увеличивается во времени и равновесная орбита не меняется в процессе ускорительного цикла. Обычно электроны уже при инжекции являются ультрарелятивистскими; если же ускорение начинается с энергии меньшей 5 - 7 МэВ, то в начале ускорительного цикла применяется бетатронный режим ускорения.

Траектории ускоряемых в синхротроне электронов (позитронов) заполняют кольцевую область в вакуумной камере ускорителя. Обращаясь в ней, частицы многократно возвращаются к одним и тем же ускоряющим промежуткам, на к-рые подано переменное напряжение с частотой, в целое число раз q (q >>1) превосходящей частоту обращения частиц по так называемой равновесной орбите. Число q называется кратностью ускорения. При каждом прохождении через промежуток фаза идеальной (равновесной) частицы остаётся неизменной, но фаза реальных частиц немного изменяется, колеблясь около равновесного (синхронного) значения. При ускорении пучок частиц разбивается на сгустки - банчи, заполняющие некоторую область около синхронных значений фазы. Максимальное число сгустков на орбите равно q.

На криволинейных участках траектории пучки электронов (позитронов) испускают синхротронное излучение,мгновенная мощность которого в расчёте на один электрон определяется формулой:

W = 2e²cɣ⁴/3R²(s)

где е - заряд частицы, ɣ - её лоренц-фактор (отношение полной энергии частицы к её энергии покоя), R(s) - радиус кривизны траектории на участке с координатой s. Мощность, рассеиваемая за оборот, пропорциональна ɣ⁴/R. При больших энергиях частиц потери на излучение могут достигать нескольких МэВ и на оборот. Чтобы уменьшить потери, приходится увеличивать размеры синхротрона электронного, что сопряжено с увеличением стоимости их строительства. Размеры реальных синхротронна электронного определяются разумным компромиссом между эксплуатационными и капитальными затратами. Потери на излучение приходится всё время компенсировать, поэтому процесс ускорения электронов выгодно вести быстро, за сравнительно небольшое число оборотов. Пиковая мощность ускоряющей ВЧ-системы синхротрона электронного на энергии в десятки ГэВ может достигать ~1 МВт.

Поскольку синхротронное излучение ускоряемых частиц направлено практически по вектору их скорости (составляет с ним углы 1/ɣ), в процессе ускорения происходит радиационное охлаждение пучка - уменьшение эмиттанса (фазового объёма) пучка как для поперечных, так и для продольной степени свободы. Аксиальные бета-тронные колебания затухают с декрементом:

λ_z=W/2έ

где έ - полная энергия частицы. Сумма декрементов затухания радиальных бетатронных (λ_r) и синхротронных(λ_s) колебаний равна 3λ_z. Квантовый характер излучения приводит к стохастической раскачке колебаний (нагреву пучка), которая ограничивает его охлаждение. В установившемся стационарном состоянии радиальный размер пучка обычно определяется связью радиальных бетатронных и синхротронных (радиально-фазовых) колебаний частиц. В типичных условиях размер пучка существенно превосходит теоретический предел из-за связи радиальных и аксиальных бетатронных колебаний, а также вследствие того, что несовершенство магнитной системы приводит к появлению зависимости аксиального положения частиц от их энергии - к паразитной аксиальной дисперсионной функции. Как правило, поперечные размеры пучка в начале ускорения не превышают нескольких сантиметров, а в конце могут уменьшаться до миллиметровых размеров.

В синхротроне электронном середина диапазона энергии (нескольких сотен МэВ) с коротким циклом ускорения радиационые эффекты могут не успевать проявляться. В таких ускорителях, как и в синхротронах протонных, уменьшение размеров пучка связано только с адиабатическим затуханием бетатронных и синхротронных колебаний частиц и не может использоваться для создания накопителей.

Ограничения интенсивности (числа частиц в одном цикле ускорения) в современном синхротроне электроном в основном связаны с когерентными микроволновыми неустойчивостями пучка, возникающими вследствие его взаимодействия с металлическими поверхностями, обращёнными к пучку (с неоднородностями вакуумной камеры, соединительными фланцами и сильфонами, с деталями ускоряющих резонаторов, с измерительными электродами и т. д.). Для борьбы с такими неустойчивостями изменяют собственную частоту резонирующих элементов, вводят обратные связи, используют широкополосные демпфирующие системы.

При одновременном ускорении в синхротроне электронном нескольких сгустков появляется ещё один тип неустойчивости - относительное движение сгустков.

2. Физические установки в синхротроне.

Детектор — это самая главная часть ускорительного эксперимента; это тот «окуляр микроскопа», с помощью которого физики могут разглядеть устройство ядра и элементарных частиц.

Внутри детектора частицы из встречных пучков сталкиваются и порождают новые нестабильные частицы. Они тут же распадаются на более стабильные частицы, которые разлетаются во все стороны. Эти продукты распада пролетают сквозь детектор и оставляют в нём свои следы — например, ионизируют вещество на своем пути и заставляют светиться специальные сцинтилляционные кристаллы. По этим следам физики узнают, что это были за частицы, под каким углом и с какой энергией они пролетели, какие у них были заряд и масса. Собрать всю эту информацию помогают разные компоненты детектора, расположенные слоями друг вокруг друга.

Рисунок 5 Вид детектора в разрезе.

2.1.Вершинный детектор

Вершинный детектор — это очень компактный детектор, который расположен вплотную к вакуумной трубе, очень близко к месту столкновения частиц. Его цель — как можно точнее восстановить первые сантиметры траекторий вылетевших частиц и найти их «вершины», то есть точки в пространстве, где эти частицы родились. Эта информация особенно полезна при рождении большого числа частиц — с ее помощью можно выяснить, какие из них являются продуктами распада нестабильных промежуточных частиц, а какие сразу родились в столкновении.

Вершинный детектор выглядит как тонкая «слойка» из полупроводниковых пластинок с множеством дорожек для стока заряда. Когда заряженная частица пронзает ее насквозь, в каждом слое, в том месте, где прошла частица, возникает и начинает двигаться облачко электронов, выбитых из полупроводника. Микроэлектроника собирает возникший заряд и позволяет с высокой точностью и очень быстро определить точки прохождения частицы. По нескольким таким точкам затем восстанавливается пространственная траектория частицы.

2.2. Трековый детектор

Следующим идет трековый детектор, размером порядка метра. Он измеряет то, как траектории вылетевших частиц («треки») изгибаются в магнитном поле, пронизывающем детектор. Зная радиус кривизны траектории, можно вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.

Если в столкновении родилось несколько частиц, то их траектории обычно легко восстанавливаются. Но когда из вершины разлетаются сотни частиц (так происходит, например, в столкновении тяжелых ядер), то в трековом детекторе появляется настоящая мешанина из сотен дуг. Для понимания того, что же произошло в момент столкновения, необходимо восстановить все траектории до единой и выяснить, какая дуга относится к какой частице. Это удается сделать благодаря специально разработанным сложным алгоритмам обработки «сырых» данных.

2.3. Калориметр

Следующими стоят многослойные калориметры — детекторы, измеряющие энергию частиц. Зная энергию частицы и ее импульс, можно по формулам релятивистской динамики вычислить ее массу — а значит, узнать, какого типа эта частица.

Энергию частицы можно измерить с хорошей точностью, если она полностью поглотится в веществе. Часть этой энергии потратится на рождение квантов света, которые можно уловить с помощью очень чувствительных фотодетекторов — фотоумножителей, — и с помощью этого восстановить энергию исходной частицы. В отличие от вершинного и трекового детектора, которые очень слабо влияют на частицу, калориметр ее полностью поглощает. Поэтому калориметры должны находиться во внешних слоях детектора.

3.Способ инжекции пучка накопительное кольцо

Обычный способ инжекции пучка частиц на замкнутую орбиту синхротрона осуществляется с помощью быстроцикличных магнитов либо импульсных дефлекторов. Длительность импульса магнитного поля (напряжения) должна составлять порядка микросекунд с фронтами 10-20 нс. С целью увеличения числа накопленных оборотов пучка производят заполнение бетатронного фазового пространства ускорителя, манипулируя сдвигом центральной орбиты с помощью дипольных магнитов и частот бетатронных колебаний квадрупольными линзами, применяя, например, "спиральную" инжекцию частиц, либо используя резонансы связи аксиальных и радиальных колебаний. Таким образом, основным требованием к условию получения интенсивного пучка на центральной орбите накопительного кольца является наличие яркого источника - инжектора ионов, например, линейного ускорителя, позволяющего в течение нескольких оборотов накопить интенсивный пучок частиц. При использовании в качестве инжектора ионов циклотрона, имеющего высокую среднюю интенсивность пучка (до 10¹⁴ г/с), эффективность захвата (обычная однооборотная инжекция) составляет величину 10^-6, т. е. недостаток в том, что возникает проблема получения интенсивного пучка в кольце.

4.Способ ускорения электронов.

Имеется два основных способа ускорения электронов, обеспечивающие достижение больших энергий в процессе их ускорения. Эти способы материализуются в схемах линейных и циклических ускорителей.Крупнейшее в мире накопительное кольцо (LEP, 10 ГэВ) с окружностью 27 км при общей длине 3400 магнитов удерживают пучки частиц на орбите при относительно слабом магнитном поле 0,1 Т и более 1300 квадрупольных, секступольных магнитов обеспечивают фокусировку. Уже виден предел возможностей современной технологии создания ускорителей. Для решения проблемы, связанной с синхротронным излучением накопителей на энергию LEP и более, ученные предлагают использовать линейные ускорители, стреляющие друг в друга одиночными сгустками электронов и позитронов с частотой ~10 Гц.

Способы ускорения электронов имеют принципиальные и неустранимые недостатки:

1. Процесс ускорения электронов в линейных ускорителях ограничивается длиной прямолинейной орбиты при ограниченном темпе ускорения.

2. Процесс ускорения электронов по кольцевой орбите в возрастающем магнитном поле циклического ускорителя ограничивается синхротронным излучением.

В будущем к ускорителям электронов в [4] выставлены следующие требования:

W ≥1 Т эВ; L ≥ 10³² см^-2с^-1,

W - кинетическая энергия;

L - светимость.

4.1. Способы охлаждения пучка заряженных частиц.

В установке управления пучком заряженных частиц формируют кольцевую траекторию движения пучка и производят уменьшение эмиттанса пучка в высокочастотном резонаторе, расположенном на оси пучка заряженных частиц, внутри основного соленоида для генерации магнитного поля, для чего в высокочастотном резонаторе генерируют высокочастотную волну, направляют ее вдоль траектории движения пучка сонаправлено с пучком или в противоположном направлении и возбуждают циклотронный мазер, обеспечивающий излучение кинетической энергии пучка заряженных частиц в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, тем самым уменьшая эмиттанс пучка.

Существует изобретение относящиеся к способу охлаждения пучка заряженных частиц в устройстве управления электронным пучком, таком как световой генератор синхротронного излучения, накопительное кольцо электронного пучка, электронный ускоритель и т. п. и устройстве управления ионным пучком, таком как ионный ускоритель, накопительное кольцо ионного пучка, кольцо охлаждения ионного пучка и т.п.

Для того, чтобы получить электронный пучок высокого качества, требуется осуществить унификацию энергии и сделать эмиттанс электронного пучка исключительно малым охлаждением электронного пучка, однако способ для улучшения эмиттанса не был изобретен до сих пор.Известен способ охлаждения пучка заряженных частиц, названный

Рисунок 6 Схема ускорителя с охлаждающим устройством

способом стохастического охлаждения и основанный на компенсирующем управлении ускорением.Для унификации энергии пучка заряженных частиц, других нежели электроны, т.е. ионов, и улучшения эмиттанса только способ, полагающийся на компенсирующее управление ускорением, называемый способом статистического охлаждения, был введен в практическое применение. Однако этот способ имеет продолжительный период времени для охлаждения ионного пучка и, таким образом, в ускорителе, в котором ускорение пучка заряженных частиц часто повторяется, а также в накопительном кольце пучка заряженных частиц, оборудованном внутренней мишенью, не может

применяться. Например, для того, чтобы унифицировать энергию протонного пучка вплоть до одной в нескольких тысячах, необходим период времени примерно несколько минут. Данная цель достигается способом охлаждения пучка заряженных частиц, согласно которому в установке управления пучком заряженных частиц формируют кольцевую траекторию движения пучка и производят уменьшение эмиттанса пучка, при этом уменьшение эмиттанса пучка производят в высокочастотном резонаторе, расположенном на оси пучка заряженных частиц внутри основного соленоида для генерации магнитного поля, для чего в высокочастотном резонаторе генерируют высокочастотную волну, направляют ее вдоль траектории движения пучка сонаправлено с пучком или в противоположном направлении и возбуждают циклотронный лазер, обеспечивающий излучение кинетической энергии пучка заряженных частиц в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, тем самым уменьшая эмиттанс пучка.

В устройстве управления электронным пучком, таком как кольцевой ускоритель, представленном электронным синхротроном, электронным накопительным кольцом и подобными устройствами, благодаря синхротронному излучению SR-излучение одновременно с восстановлением и унификацией энергии в направлении прохождения пучка имеет место эффект нарастания поперечного колебательного движения в пределах плоскости, перпендикулярной направлению пучка. Меняя формулировку нарастания поперечной вибрации точным выражением, таковое означает увеличение эмиттанса, которое определяется как произведение угла наклона относительно осевого направления электронного пучка и растяжки в пределах плоскости, перпендикулярной осевому направлению электронного пучка. Сопутствуя увеличению эмиттанса, амплитуда орбиты электронного пучка в кольце становится большой. В конечном счете, электроны, выпадающие из устойчивой орбиты, могут бомбардировать внутреннюю поверхность стенки вакуумной камеры кольца и выбрасывать адсорбированный газ и часть составного стеночного составляющего материала от внутренней стенки и представляют причины ухудшения качества электронного пучка, между тем как прямая причина ограничения времени накопления пучка внутри накопительного кольца электронного пучка состоит в ухудшении вакуума, основная причина которого свойственна увеличению эмиттанса электронного пучка, сопутствующего SR-излучению. Поэтому, если такой эмиттанс электронного пучка уменьшается до исключительно малой величины, улучшение периода времени накопления электронного пучка в накопительном кольце, высоколюминесцентный вариант SR-излучения и высокая характеристика пучка, эманирующего из ускорителя электронного пучка, могут достигаться.

Между тем как SR-излучение не образуется в устройстве управления пучком заряженных частиц, исключающих электроны, т.е. ионным пучком, эмиттанс ионного пучка, полученного от источника ионов, является исключительно большим в сравнении со случаем электронов и, следовательно, требованием для улучшения эмиттанса является сильным аналогично устройству управления пучком электронов. Согласно изобретению обеспечиваются следующие далее меры, которые являются общими для всех заряженных частиц, включая как электроны, так и ионы, т. е. в секции образования магнитного поля соленоида, расположенной внутри устройства управления пучком заряженных частиц, магнитное поле соленоида В₀ (тесла) образуется в осевом направлении пучка заряженных частиц и заряженные частицы могли бы совершать циклотронное вращательное движение с угловой частотойω_c^*=eB_o/m_o в пределах плоскости, перпендикулярной к оси. Здесь e и m_o соответственно представляют электрический заряд и статическую массу заряженной частицы и в дальнейшем описании подразумевается, что все физические величины даются в системе практических электрических и магнитных единиц. В это время кинетическая энергия T^* в пределах плоскости, перпендикулярной осевому направлению пучка заряженных частиц, излучается аналогично, используя принцип генерации циклотронного лазера заряженных частиц, согласно изобретению, который представляет продолжение принципа генерации электронного циклотронного мазера, и в силу этого достигается улучшение эмиттанса.

Возможность улучшения эмиттанса при описанном выше устройстве ограничивается электронным пучком очень малой энергии, порядка 1 МэВ, и его практическая доступность является очень слабой. Это потому, что время t*=L_o/βY_c (L_o длина полости резонатора), когда группа частиц проходит через высокочастотный резонатор, становится коротким в соответствии с увеличением энергии заряженных частиц, число раз когерентного циклотронного вращательного движения ограничивается до числа раз в пределах этого времени и благодаря увеличению числа v*=(t*)^-1=βY_c /L_o условие для возбуждения мазера (ω_c^*/2πv*)T^* /m_oc²)>>1 становится таким, что не удовлетворяется. Для того, чтобы поддерживать когерентность, т.е. интерферирующее свойство циклотронного вращательного движения в кольце, магнитное поле корректирующего соленоида, которое противоположно в направлении и равно по величине напряженности магнитного поля соленоида в секции охлаждения циклотронного мазера, вводится в кольцо пучка и возбуждающая мазер высокочастотная волна запускается с частотой кольцевой циркуляции заряженных частиц или синхронизируется с последней. В силу этого циклотронное вращательное движение пучка заряженных частиц всегда обеспечивается таким, чтобы оно совпадало по фазе с высокочастотной волной возбуждения мазера и теоретически v^* _￫ 0

На практике имеется целый ряд причин для ограничения v* до конечного значения. В качестве одной из причин может представляется то, что, когда высокоскоростные заряженные частицы проходят через сильную и слабую части магнитного поля в этом кольце, возникает явление резонанса и энергии в осевом направлении пучка и энергии в пределах фазы, нормальной к оси пучка, трансформируются друг в друга. Однако легко можно рассчитать кольцевое устройство управления пучком с тем, чтобы не получать такой тип резонанса, и эта проблема может решаться контрмерой, аналогичной той, которая применяется против явления резонансной деполяризации для пучка спин-поляризованных частиц v*.

Между тем как взаимное столкновение частиц в пучке также увеличивает предельное значение при плотности заряженных частиц внутри кольцевого устройства управления пучком порядка 10¹⁵ м^-3, подтверждается, что условие v^* ≲0,1S^-1 выполняется и не имеется совершенно никаких проблем.

Хотя может предполагаться, что электромагнитный удар в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, полученный заряженной частицей, пересекающей границу магнитного поля в кольце, может увеличивать значение v*, может пониматься, что, если группа заряженных частиц проходит в узком временном диапазоне, это также имеет небольшое влияние на когерентность.

При условии, что общая сумма по кольцу пучка составляющих B_s (S) вдоль оси пучка всех магнитных полей, систематизированных в кольце, составляет ноль, т. е. ∮B_s(S)dS ≅0 когерентность циклотронного вращательного движения может гарантироваться и v* становится таким, чтобы иметь значение примерно (2πv*/ω_c^*)≈∆ω /ω или (2πv*/ω_c^*) ∆F/F. Соответственно этому доля того, чтобы увеличить эффективность охлаждения циклотронного мазера, важно уменьшить изменение частоты ∆ω или∆F, и так как стоячая волна является достаточной в качестве высокочастотной волны возбуждения мазера, не представляется трудным установить лучшее условие, чем ∆ω/ ω≈10^-4.

В качестве примера, что касается электронов Y = 400, т.е. имеющих энергию порядка 200 МэВ при B_o=6 Т, возбуждающая высокочастотная волна, имеющая частоту ω/2 π=210 МГц, соответствующая бегущей волне в противоположном направлении от оси пучка, генерируется в качестве стоячей волны в секции охлаждения циклотронного мазера и ее электрическая мощность выбирается при I(ω) ≃11 кВт*м², тогда получается время охлаждения η_-1t ≃1 мс мс, где η=0,07 отношение длины секции охлаждения циклотронного мазера к общей длине кольца. Здесь используется стандартизированная величина (2πv*/ω_c^*)≈10^-4.

Что касается протонов Y= 2,8, т.е. имеющих энергию порядка 1,7 ГэВ, в случае, когда магнитное поле с магнитной индукцией порядка B_o=6 Т и возбуждающая высокочастотная волна, имеющая частоту 0,50 ГГц, образующая бегущую волну в направлении пучка, генерируется в качестве стоячей волны с электрической мощностью I(ω) = 1,1 МВт*м^-2 в секции охлаждения циклотронного мазера, для системы с высоким КПД (2 πv*/ω_c^*)≈10^-5 время охлаждения η_-1t≈10 мс ожидается для η=0,04.

В случае того же самого пучка протонов, если частота возбуждающей высокочастотной волны выбирается 17 МГц в качестве бегущей волны в противоположном направлении направлению оси пучка, приблизительно одинаковое время охлаждения может ожидаться при электрической мощности I(ω) ≃2,1 кВт*м^-2. Соответственно этому, каким образом образуется резонанс установкой частоты возбуждающей высокочастотной волны, совпадающей с бегущей волной в направлении вперед или в обратном направлении по отношению к оси пучка, могло бы определяться в качестве проблемы в технологии образования магнитного поля соленоида и высокочастотного резонатора.

5. Как на ускорителе изучают свойства частиц

5.1. Режим работы ускорителя

Когда вы сталкиваете частицы из встречных пучков, вы не можете заставить их 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.

5.2. 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.

5.3. 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 со 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.

6. Временной срез проблемной области

Исходя из анализа количества научных публикаций, изображенных на рисунке 3, можно сделать вывод, что до 1940 года проблемам Синхротронов не уделялось должного внимания. Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем, и в связи с этим с появилось большое количество научных статей и публикаций. В связи с использованием ускорителя для экспериментов, которые проводятся и по настоящее время, открытий становится все больше и больше. Таким образом, проблема использования Синхротронов является актуальной и будет такой еще очень долгое время. Т.к. на его основе построен БАК.

Рисунок 7 Временной срез проблемной области.

7. Основные проблемы и пути их решения

В разные периоды времени перед учеными стояли определенные проблемы по изготовлению, применению и внедрению физических установок в ускоритель, но с каждой из них они, так или иначе, справлялись.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 (Edwin McMillan) 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.

8. Научные группы

Два больших протонных синхротрона с переменным градиентом поля в Женеве (ЦЕРН, Швейцария) и в Брукхэвене (США) ускоряют протоны до энергий 28 и 33 Бэв соответственно. Несмотря на свою, казалось бы, крайнюю сложность, эти машины уже продемонстрировали свою чрезвычайную плодотворность, надежность и многогранность как исследовательского инструмента. В СССР работает протонный синхротрон на 7 Бэв и сооружается машина на 70 Бэв.

Бирмингемский синхротрон — циклический ускоритель протонов на энергию 1 ГэВ, один из первых в мире синхротронов (реально — синхрофазотронов), построенный в Бирмингемском университете в 1953 году под руководством Марка Олифанта.

Синхрофазотрон ОИЯИ — слабофокусирующий протонный ускоритель типа синхрофазотрон на энергию до 10 ГэВ, находящийся в Объединённом институте ядерных исследований. Синхрофазотрон был сооружён в Дубне под руководством академика АН СССР В. И. Векслера в конце 1950-х годов и позволил ускорять пучки протонов до энергии 10 ГэВ с апреля 1957 года, что было рекордной энергией, достигнутой на ускорителях в это время. Он занимает отдельное здание, большую часть которого занимает гигантское кольцо магнита. Диаметр магнита достигает почти 60 м, вес равен 36000 т, и общая мощность генераторов в импульсе — 140 МВт. Максимальная напряжённость магнитного поля — 13000 эрстед, время цикла ускорения — 3,3 сек. В 1970 году в Синхрофазотроне были также получены первые пучки релятивистских дейтронов энергии 10 ГэВ, впоследствии ускорялись также ядра различных химических элементов вплоть до серы. В 2002 году прекратил работу и демонтируется. Ярмо магнита планируется оставить, внутри него расположится бустерное кольцо для проектируемого коллайдера NICA.

Протонный суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron, SPS, Супер-протонный синхротрон) — кольцевой ускоритель частиц ЦЕРН с длиной кольца 6.9 км.[1] Первоначально рассчитанный на 300 ГэВ, SPS был реально сконструирован на энергию 400 ГэВ. Официальной датой вывода на полную энергию считается 17 июня 1976 года. Однако к тому моменту эту энергию уже удалось превзойти ускорителю из Фермилаба, достигшему 14 мая того же года энергии 500 ГэВ.

SPS был разработан командой, возглавляемой Джоном Адамсом.

В настоящее время кроме протонных синхротронов используют электронные синхротроны, в качестве накопителей частиц и источников синхро тронного излучения.

Электронный синхротрон может ускорять электроны до еще больших энергий. После запуска электронного синхротрона (1967 г.) в Ереванском физическом институте Алиханяном, Испиряном, Лорикяном, Оганесяном и др. были проведены систематические исследования свойств РПИ. Там же впервые было наблюдено РПИ, образованное в нерегулярной среде-пенопласте.

Первыми ускорителями, основанными на принципе автофазировки, были электронные синхротроны, заработавшие в 1947 г. в Москве (создан в ФИАНе под руководством Векслера3) и в США.

Решающий эксперимент осуществили Штейнбергер, Пановский и Стеллер на электронном синхротроне в Беркли. Схема их установки приведена на рис. 2.20. Пучок фотонов с энергией до 330 МэВ, образованный электронным пучком из ускорителя, падал на бериллиевую мишень.

Фазовая фокусировка частиц в процессе ускорения происходит так же, как в электронном синхротроне. Для фокусировки по направлению в больших приборах одного спадания магнитной индукции с увеличением радиуса траектории явно недостаточно. Действительно, если магнитное поле спадает при увеличении радиуса (отрицательный градиент), то частицы будут фокусироваться в радиальном направлении, но будут сильно расфокусированы в аксиальном. Томский ускоритель Сириус обладает наибольшей энергией (1 2 Гэв) из существующих электронных синхротронов с мягкой фокусировкой.

Таблица 1.Синхротроны мира

Ускоритель	Месторасположение	Годы работы	Сталкивающиеся частицы	Кинетическая энергия	Записи
Космотрон	Брукхейвенская национальная лаборатория	1953—1968	Протон	3.3 GeV	Появление мезонов.
Бирмингемский синхротрон	Бирмингемский университет	1953—1967	Протон	1 GeV
Беватрон	Berkeley Rad Lab i.e. LBNL	1954-~1970	Протон	6.2 GeV	Антипротоны
	Беркли	~1970—1993	стабильные ядра		.
Сатурн	Саклу, Франция			3 GeV
Синхрофазотрон	Дубна, Россия	Декабрь 1957—2003		10 GeV
Zero Gradient Synchrotron	Argonne National Laboratory	1963—1979		12.5 GeV
Proton,Synchrotron	ЦЕРН	1959 — н. в.	Протон	28 GeV	Используется БАК
Proton Synchrotron Booster	ЦЕРН	1972 — н. в.	заряженные частицы	1.4 GeV
SPS	ЦЕРН	1980 — н. в.	Заряженные частицы	480 GeV	Компас, OPERA и ICARUS
Alternating Gradient Synchrotron	Брукхейвенская национальная лаборатория	1960-	протон, дейтерий, тритий, медь	33 GeV	J/ψ, мюонное нейтрино,CP-нарушение в каонs, injects heavy ions and polarized protons into RHIC

Рисунок 8 Соотношение патентов во странам

Анализируя диаграмму, не сложно заметить, что лидирующее место по числу патентов с неприличным отрывом держат Соединенные Штаты Америки.

Рисунок 9 Соотношение научных работ

Заключение

В настоящее время ученые всего мира пытаются понять, как зарождалась Вселенная, из чего состоит материя, как элементарные частицы приобретают массу и взаимодействуют друг с другом, а также ищут ответы на другие, не уступающие по значимости вопросы мироздания. В Европейской организации по ядерным исследованиям сейчас находится самый крупный и сложный в мире научный инструмент, ускорительный комплекс для разгона элементарных частиц — Большой адронный коллайдер.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 лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

Список используемых источников.

1. Ускоритель - [Электронный ресурс] // URL: http://elementy.ru/posters/collider (Дата обращения: 27.12.2014).

2. Зачем нужен ускоритель - [Электронный ресурс] // URL: http://elementy.ru/posters/collider/1 (Дата обращения: 27.12.2014)

3. Краткая история ускорителей - [Электронный ресурс] // URL: http://elementy.ru/posters/collider/3 (Дата обращения: 27.12.2014)

4. Как работает ускоритель - [Электронный ресурс] // URL: http://elementy.ru/posters/collider/4 (Дата обращения: 27.12.2014)

5. Основные компоненты детектора - [Электронный ресурс] // URL:http://elementy.ru/posters/collider/5 (Дата обращения: 27.12.2014)

6. Изучение свойств частиц на ускорителе - [Электронный ресурс] // URL:http://elementy.ru/posters/collider/6

7. Патент US2599188 A, 3 июня 1952, Magnetic peeler for proton synchrotron

8. Патент US3412337 A, 19 ноября 1968, Beam spill control for a synchrotron

9. Патент US3303426 A, 7 февраля 1967, Strong focusing of high energy particles in asynchrotron storage ring

10. Патент EP2515621 A3, 26 марта 2014, Synchrotron and particle therapy system using the same

11. Патент US5036290 A, 30 июля 1991, Synchrotron radiation generation apparatus

12. Патент US3378778 A, 16 апраля 1968,Apparatus for damping axial coherent beam instabilities in a synchrotron particle accelerator

13. Патент EP0388123 A2, 19 сентября 1990, Synchrotron radiation generation apparatus

14. Патент US8436325 B2, 7 май 2013, Synchrotron and particle therapy system using the same

15. Патент US8637833 B2, 28 января 2014, S

Дата добавления: 2015-09-29