Что такое синхрофазотрон

Синхрофазотрон: что такое, принцип действия и описание

В 1957 году СССР осуществил научный и технический прорыв в нескольких областях: произвел успешный запуск искусственного спутника Земли, а за несколько месяцев до данного события в Дубне начал работать синхрофазотрон. Что это такое и для чего нужна подобная установка? Этот вопрос волновал не только граждан СССР в то время, но и весь мир. Разумеется, в научном кругу понимали, что это такое, но обычные граждане приходили в недоумение, когда слышали это слово. Даже сегодня большинство людей не понимают сути и принципа синхрофазотрона, хотя не раз слышали это слово. Давайте разберемся, что это за устройство и для чего применялось.

Для чего нужен синхрофазотрон?

Разрабатывали эту установку для изучения микромира и познания структуры элементарных частиц, законов их взаимодействия друг с другом. Сам способ познания был чрезвычайно прост: поломать частицу и посмотреть, что находится внутри. Однако как можно поломать протон? Для этого и был создан синхрофазотрон, который разгоняет частицы и ударяет их о мишень. Последняя может быть неподвижной, а в современном Большом адронном коллайдере (он является усовершенствованной версией старого доброго синхрофазотрона) мишень является подвижной. Там пучки протонов с огромной скоростью движутся друг к другу и ударяются.

Считалось, что эта установка позволит осуществить научный прорыв, открыть новые элементы и способы получения атомной энергии из дешевых источников, которые превосходили бы по эффективности обогащенный уран и являлись бы более безопасными и менее вредными для окружающей среды.

Военные цели

Конечно, военные цели также преследовались. Создание атомной энергии в мирных целях – это лишь оправдание для наивных. Не зря проект синхрофазотрона вышел с грифом «Совершенно секретно», ведь строительство этого ускорителя осуществлялось в рамках проекта создания новой атомной бомбы. С его помощью хотели получить усовершенствованную теорию ядерных сил, которая необходима для расчета и создания бомбы. Правда, оказалось все гораздо сложнее, и даже сегодня эта теория отсутствует.

Что такое синхрофазотрон простыми словами?

Если обобщить, то данная установка представляет собой ускоритель элементарных частиц, протонов в частности. Синхрофазотрон состоит из немагнитной закольцованной трубы с вакуумом внутри, а также мощных электромагнитов. Поочередно магниты включаются, направляя заряженные частицы внутри вакуумной трубы. Когда они с помощью ускорителей достигают максимальной скорости, их направляют в специальную мишень. Протоны в нее ударяются, разбивают саму мишень и разбиваются при этом сами. Осколки разлетаются в разные стороны и оставляют следы в пузырьковой камере. По этим следам группа ученых анализирует их природу.

Так было ранее, однако в современных установках (типа Большого адронного коллайдера) применяются более современные детекторы вместо пузырьковой камеры, которые дают больше информации об осколках протонов.

Сама по себе установка является достаточно сложной и высокотехнологичной. Можно сказать, что синхрофазотрон – это «дальний родственник» современного Большого адронного коллайдера. По сути, его можно назвать аналогом микроскопа. Оба эти прибора предназначаются для изучения микромира, вот только принцип изучения разный.

Подробнее об устройстве

Итак, мы уже знаем, что такое синхрофазотрон, а также то, что здесь частицы разгоняются до огромных скоростей. Как оказалось, для разгона протонов до огромной скорости необходимо создать разность потенциалов в сотни миллиардов вольт. К сожалению, сделать такое человечеству не под силу, поэтому частицы придумали разгонять постепенно.

В установке частицы двигаются по кругу, и на каждом обороте их подпитывают энергией, получая ускорение. И хотя подобная подпитка невелика, за миллионы оборотов можно набрать необходимую энергию.

В основу работы синхрофазотрона положен именно этот принцип. Разогнанные до небольших значений элементарные частицы запускаются в туннель, где располагаются магниты. Они создают перпендикулярное кольцу магнитное поле. Многие ошибочно полагают, что эти магниты ускоряют частицы, но на самом деле это не так. Они лишь меняют их траекторию, заставляя двигаться по окружности, однако не ускоряют их. Само ускорение происходит на определенных разгонных промежутках.

Разгон частиц

Подобный промежуток ускорения представляет собой конденсатор, на который подается напряжение с высокой частотой. Кстати, это основа всей работы данной установки. Пучок протонов влетает в данный конденсатор в момент, когда напряжение в нем равно нулю. По мере того как частицы пролетают по конденсатору, напряжение успевает возрасти, что подгоняет частицы. На следующем кругу это повторяется, так как частота переменного напряжения специально подбирается равной частоте обращения частицы по кольцу. Следовательно, синхронно и в фазе осуществляется ускорение протонов. Отсюда и название – синхрофазотрон.

Кстати, при таком способе ускорения есть определенный полезный эффект. Если вдруг пучок протонов летит быстрее необходимой скорости, то он влетает в разгонный промежуток при отрицательном значении напряжения, из-за чего немного притормаживает. Если скорость движения меньшая, то эффект будет обратным: частица получает ускорение и догоняет основной сгусток протонов. В результате плотный и компактный пучок частиц движется с одной скоростью.

Проблемы

В идеале частицы необходимо разогнать до максимально возможной скорости. И если протоны на каждом круге движутся быстрее и быстрее, то почему нельзя их разогнать до максимально возможной скорости? Причин несколько.

Во-первых, рост энергии предполагает увеличение массы частиц. К сожалению, релятивистские законы не позволяют ни один элемент разогнать выше скорости света. В синхрофазотроне скорость протонов практически достигает скорости движения света, что сильно увеличивает их массу. В результате их становится трудно удерживать на круговой орбите радиуса. Еще со школы известно, что радиус движения частиц в магнитном поле обратно пропорционален массе и прямо пропорционален величине поля. И так как масса частиц растет, то радиус необходимо увеличивать и делать магнитное поле сильнее. Эти условия и создают ограничения в реализации условий для исследования, так как технологии даже сегодня ограничены. Пока что не удается создать поле с индукцией выше нескольких тесла. Поэтому и делают туннели большой длины, ведь при большом радиусе тяжелые частицы на огромной скорости удается удерживать в магнитном поле.

Вторая проблема – движение с ускорением по окружности. Известно, что заряд, который движется с определенной скоростью, излучает энергию, то есть теряет ее. Следовательно, частицы при ускорении постоянно теряют часть энергии, и чем выше их скорость, тем больше энергии они расходуют. В какой-то момент наступает равновесие между получаемой энергией на участке разгона и потерей этого же количества энергии за один оборот.

Исследования, проводимые на синхрофазотроне

Теперь мы понимаем, какой принцип лежит в основе работы синхрофазотрона. Он позволил провести ряд исследований и совершить открытия. В частности ученые смогли изучить свойства ускоренных дейтронов, поведение квантовой структуры ядер, взаимодействие тяжелых ионов с мишенями, а также разработать технологию утилизации урана-238.

Применение результатов, полученных в ходе испытаний

Полученные по этим направлениям результаты применяются на сегодняшний день в строительстве космических кораблей, проектировании атомных электростанций, а также при разработке специального оборудования и робототехники. Из всего этого следует, что синхрофазотрон – такое устройство, вклад в науку которого переоценить сложно.

Заключение

В течение 50 лет подобные установки служат на благо науки и активно применяются учеными всей планеты. Ранее созданный синхрофазотрон и подобные ему установки (они создавались не только в СССР) являются всего лишь одним звеном в цепочке эволюции. Сегодня появляются более совершенные устройства – нуклотроны, обладающие огромной энергией.

Одним из самых совершенных среди подобных устройств является Большой адронный коллайдер. В отличие от действия синхрофазотрона, он встречными курсами сталкивает два пучка частиц, в результате чего выделяемая от столкновения энергия во много раз превышает энергию на синхрофазотроне. Это открывает возможности для более точного изучения элементарных частиц.

Пожалуй, теперь вы должны понимать, что такое синхрофазотрон и для чего он вообще нужен. Эта установка позволила сделать целый ряд открытий. Сегодня из него сделали ускоритель электронов, и на данный момент он работает в ФИАНе.

Что такое синхрофазотрон: принцип работы и полученные результаты

Синхрофазотрон простыми словами

Отвечая на вопрос, что такое синхрофазотрон, следует сказать, что это высокотехнологическое и наукоемкое устройство, которое предназначалось для исследования микрокосмоса. В частности, идея синхрофазотрона состояла в следующем: необходимо было с помощью мощных магнитных полей, создаваемых электромагнитами, разогнать до больших скоростей пучок элементарных частиц (протонов), а затем направить этот пучок на находящуюся в покое мишень. От такого столкновения протоны должны будут «разломаться» на части. Недалеко от мишени находится специальный детектор — пузырьковая камера. Этот детектор позволяет по трекам, которые оставляют части протона, исследовать их природу и свойства.

Для чего нужно было строить синхрофазотрон СССР? В этом научном эксперименте, который проходил под категорией «совершенно секретно», советские ученые пытались найти новый источник более дешевой и более эффективной энергии, чем обогащенный уран. Также преследовались и чисто научные цели более глубокого изучения природы ядерных взаимодействий и мира субатомных частиц.

Принцип работы синхрофазотрона

Приведенное выше описание задач, которые стояли перед синхрофазотроном, может многим показаться не слишком сложным для их реализации на практике, но это не так. Несмотря на всю простоту вопроса, что такое синхрофазотрон, чтобы ускорить протоны до необходимых огромных скоростей, нужны электрические напряжения в сотни млрд вольт. Такие напряжения невозможно создать даже в настоящее время. Поэтому было решено распределить во времени вкачиваемую в протоны энергию.

Принцип работы синхрофазотрона заключался в следующем: пучок протонов начинает свое движение по кольцеобразному туннелю, в некотором месте этого туннеля стоят конденсаторы, которые создают скачек напряжения в тот момент, когда пучок протонов пролетает через них. Таким образом, на каждом витке происходит небольшое ускорение протонов. После того, как пучок частиц совершит несколько миллионов оборотов по туннелю синхрофазотрона, протоны достигнут желаемых скоростей, и будут направлены на мишень.

Стоит отметить, что используемые во время ускорения протонов электромагниты выполняли направляющую роль, то есть они определяли траекторию пучка, но не участвовали в его ускорении.

Читайте также  Что такое финансово-хозяйственная деятельность

Проблемы, с которыми столкнулись ученые при проведении экспериментов

Чтобы лучше понять, что такое синхрофазотрон, и почему его создание является очень сложным и наукоемким процессом, следует рассмотреть проблемы, возникающие в процессе его работы.

Во-первых, чем больше скорость пучка протонов, тем большей массой они начинают обладать согласно знаменитому закону Эйнштейна. При скоростях близких к световым масса частиц становится настолько большой, что для их удержания на нужной траектории, необходимо иметь мощные электромагниты. Чем больше размер синхрофазотрона, тем большие магниты можно поставить.

Во-вторых, создание синхрофазотрона осложнялось еще и потерями энергии пучком протонов во время их кругового ускорения, причем, чем больше скорость пучка, тем более значительными становятся эти потери. Получается, что для разгона пучка до необходимых гигантских скоростей, необходимо иметь огромные мощности.

Какие результаты удалось получить?

Несомненно, эксперименты на советском синхрофазотроне внесли огромный вклад в развитие современных областей техники. Так, благодаря этим экспериментам ученые СССР смогли улучшить процесс переработки использованного урана-238 и получили некоторые интересные данные, сталкивая ускоренные ионы разных атомов с мишенью.

Результаты экспериментов на синхрофазотроне используются и по сей день в строительстве атомных электростанций, космических ракет и робототехники. Достижения советской научной мысли были использованы при строительстве самого мощного синхрофазотрона современности, которым является Большой Адронный Коллайдер. Сам же советский ускоритель служит науке РФ, находясь в институте ФИАН (Москва), где используется в качестве ускорителя ионов.

Синхрофазотрон — что это: определение, принцип действия, применение

Технологии в СССР развивались стремительно. Чего только стоит запуск первого искусственного спутника Земли, за которым наблюдал весь мир. Мало кто знает, что в тот же 1957 год в СССР заработал (то есть был не просто достроен и введен в эксплуатацию, а именно запущен) синхрофазотрон. Слово это обозначает установку для разгона элементарных частиц. Практически каждый сегодня слышал про Большой адронный коллайдер – он представляет собой более новую и усовершенствованную версию описанного в данной статье устройства.

Что это – синхрофазотрон? Для чего он нужен?

Эта установка представляет собой большой ускоритель элементарных частиц (протонов), который позволяет более глубоко изучить микромир, а также взаимодействие этих самых частиц друг с другом. Способ изучения очень прост: разбить протоны на мелкие части и посмотреть, что находится внутри. Звучит все просто, но сломать протон – это чрезвычайно сложная задача, для решения которой потребовалось строительство столь огромного сооружения. Здесь по специальному тоннелю частицы разгоняются до огромных скоростей и затем направляются на мишень. Ударившись о нее, они разлетаются на мелкие осколки. Ближайший «коллега» синхрофазотрона, Большой адронный коллайдер, действует приблизительно по такому же принципу, вот только там частицы разгоняются в противоположных направлениях и ударяются не о стоячую мишень, а сталкиваются друг с другом.

Теперь вы немного понимаете, что это – синхрофазотрон. Считалось, что установка позволит сделать научный прорыв в области исследования микромира. В свою очередь, это позволит открыть новые элементы и способы получать дешевые источники энергии. В идеале хотели открыть элементы, превосходившие по эффективности обогащенный уран и являющиеся при этом менее вредными и более простыми в утилизации.

Применение в военных целях

Стоит отметить, что создавалась данная установка для осуществления научно-технического прорыва, однако ее цели были не только лишь мирными. Во многом научно-технический прорыв обязан гонке военных вооружений. Синхрофазотрон был создан под грифом «Совершенно секретно», и его разработка и строительство проводились в рамках создания атомной бомбы. Предполагалось, что устройство позволит создать совершенную теорию ядерных сил, однако все оказалось не так просто. Даже сегодня эта теория отсутствует, хотя технический прогресс шагнул далеко вперед.

Что такое синхрофазотрон простыми словами?

Если обобщить и говорить понятным языком? Синхрофазотрон – это установка, где протоны можно разогнать до большой скорости. Она состоит из закольцованной трубы с вакуумом внутри и мощных электромагнитов, которые не дают протонам двигаться хаотично. Когда протоны достигают своей максимальной скорости движения, их поток направляется на специальную мишень. Ударяясь о нее, протоны разлетаются на мелкие осколки. Учены могут видеть следы разлетающихся осколков в специальной пузырьковой камере, и по этим следам они анализируют природу самих частиц.

Пузырьковая камера – это немного устаревшее устройство для фиксации следов протонов. Сегодня в подобных установках применяются более точные радары, дающие больше информации о движении осколков протонов.

Несмотря на простой принцип синхрофазотрона, сама эта установка является высокотехнологичной, и ее создание возможно только при достаточном уровне технического и научного развития, которым, безусловно, обладал СССР. Если приводить аналогию, то обычный микроскоп является тем устройством, предназначение которого совпадает с назначением синхрофазотрона. Оба прибора позволяют исследовать микромир, только последний позволяет «копнуть глубже» и имеет несколько своеобразный метод исследования.

Подробно

Выше была описана работа прибора простыми словами. Разумеется, принцип действия синхрофазотрона является более сложным. Дело в том, что для разгона частиц до высоких скоростей необходимо обеспечить разность потенциалов в сотни миллиарды вольт. Это невозможно даже на нынешнем этапе развитии технологий, не говоря уже о предыдущем.

Поэтому было принято решение разгонять частицы постепенно и гонять их по кругу долго. На каждом кругу протоны подпитывались энергией. В результате прохождения миллионов оборотов удалось набрать требуемую скорость, после чего их направляли в мишень.

Именно такой принцип применялся в синхрофазотроне. Сначала по тоннелю частицы двигались с небольшой скоростью. На каждом круге они попадали на так называемые промежутки ускорения, где получали дополнительный заряд энергии и набирали скорость. Эти участки ускорения являются конденсаторами, частота переменного напряжения которых равна частоте прохождения протонов по кольцу. То есть частицы попадали на участок ускорения при отрицательном заряде, в этот момент напряжение резко возрастало, что придавало им скорости. Если же частицы попадали на участок ускорения при положительном заряде, то их движение притормаживалось. И это — положительная особенность, так как из-за нее весь пучок протонов двигался с одной скоростью.

И так повторялось миллионы раз, и когда частицы приобретали требуемую скорость, их направляли в специальную мишень, о которую те разбивались. После группа ученых изучала результаты столкновения частиц. Вот по такой схеме синхрофазотрон и работал.

Роль магнитов

Известно, что в этой огромной машине по ускорению частиц применялись также мощные электромагниты. Люди ошибочно полагают, что они использовались для разгона протонов, но это не так. Разгонялись частицы с помощью специальных конденсаторов (участков ускорения), а магниты лишь удерживали протоны в строго заданной траектории. Без них последовательное движение пучка элементарных частиц было бы невозможно. А высокая мощность электромагнитов объясняется большой массой протонов при высокой скорости движения.

С какими проблемами столкнулись ученые?

Одна из главных проблем при создании этой установки заключалась именно в разгоне частиц. Конечно, им можно было придавать ускорение на каждом круге, однако при ускорении их масса становилась выше. При скорости движения, близкой к скорости света (как известно, ничто не может двигаться быстрее скорости света), их масса становилась огромной, из-за чего удерживать их на круговой орбите было сложно. Из школьной программы нам известно, что радиус движения элементов в магнитом поле обратно пропорционален их массе, поэтому с ростом массы протонов приходилось увеличивать радиус и использовать большие сильные магниты. Подобные законы физики сильно ограничивают возможности для исследования. Кстати, ими же можно объяснить, почему синхрофазотрон получился таким огромным. Чем большим будет тоннель, тем большие магниты можно установить для создания сильного магнитного поля для удержания нужного направления движения протонов.

Вторая проблема – потеря энергии при движении. Частицы при прохождении по окружности излучают энергию (теряют ее). Следовательно, при движении на скорости часть энергии улетучивается, и, чем выше скорость движения, тем выше и потери. Рано или поздно наступает момент, когда величины излучаемой и получаемой энергии сравниваются, что делает невозможным дальнейший разгон частиц. Следовательно, возникают потребности в больших мощностях.

Можно сказать, что мы теперь более точно понимаем, что это – синхрофазотрон. Но чего именно добились ученые в ходе испытаний?

Какие исследования проводились?

Естественно, работа этой установки не прошла бесследно. И хотя от нее ожидали получить более серьезные результаты, некоторые исследования оказались крайне полезными. В частности, ученые изучили свойства ускоренных дейтронов, взаимодействий тяжелых ионов с мишенями, разработали более эффективную технологию для утилизации отработанного урана-238. И хотя для обычного человека все эти результаты мало о чем говорят, в научной сфере их значимость сложно переоценить.

Применение результатов

Результаты проводимых на синхрофазотроне испытаний применяются даже сегодня. В частности, они используются при строительства электростанций, работающих на атомном топливе, применяются при создании космических ракет, робототехники и сложного оборудования. Безусловно, вклад в науку и технический прогресс этого проекта достаточно большой. Некоторые результаты применяются и в военной сфере. И хотя ученым не удалось открыть новые элементы, которые можно было бы использовать для создания новых атомным бомб, на самом деле никто не знает, правда это или нет. Вполне возможно, что от населения скрывают некоторые результаты, ведь стоит учитывать, что данный проект был реализован под грифом «Совершенно секретно».

Заключение

Теперь вы понимаете, что это – синхрофазотрон, и какова его роль в научно-техническом прогрессе СССР. Даже сегодня подобные установки активно используются во многих странах, вот только есть уже более усовершенствованные варианты – нуклотроны. Большой адронный коллайдер является, пожалуй, самой лучшей на сегодняшний день реализацией идеи синхрофазотрона. Применение этой установки позволяет ученым точнее познавать микромир за счет сталкивания двух пучков протонов, движущихся на огромных скоростях.

Что касается нынешнего состояния советского синхрофазотрона, то он был переделан в ускоритель электронов. Сейчас работает в ФИАНе.

Читайте также  Что такое моделирование одежды

Синхрофазотрон

Синхрофазотрон — резонансный циклический ускоритель с неизменной в процессе ускорения длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Последнее необходимо, чтобы пучок приходил в ускоряющую секцию всегда в фазе с высокочастотным электрическим полем. В том случае, если частицы ультрарелятивистские, частота обращения, при фиксированной длине орбиты, не меняется с ростом энергии, и частота ВЧ-генератора также должна оставаться постоянной. Такой ускоритель уже называется синхротроном.

В физичеcкой энциклопедии приводится следующее определение: синхрофазотрон — выходящее из употребления название протонного синхротрона со слабой фокусировкой [1] .

В настоящее время под словом «синхрофазотрон», как правило, понимается конкретный ускоритель Синхрофазотрон ОИЯИ с энергией пучков протонов 10 ГэВ, сооружённый под руководством В. И. Векслера в Объединённом институте ядерных исследований в 1957 году [2] .

Примечания

  1. Синхрофазотрон в Физической энциклопедии
  2. Запрос по слову «synchrophasotron» в базе данных INSPIRE

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Синхронный электродвигатель
  • Синхроциклотрон

Полезное

Смотреть что такое «Синхрофазотрон» в других словарях:

синхрофазотрон — синхрофазотрон … Орфографический словарь-справочник

СИНХРОФАЗОТРОН — циклич. резонансный ускоритель тяжёлых ч ц (протонов, ионов), в к ром управляющее магн. поле и частота ускоряющего электрич. поля одновременно изменяются во времени таким образом, чтобы радиус равновесной орбиты ч ц оставался постоянным. С. для… … Физическая энциклопедия

синхрофазотрон — синхротрон, ускоритель, гигатор Словарь русских синонимов. синхрофазотрон сущ., кол во синонимов: 3 • гигатор (1) • … Словарь синонимов

СИНХРОФАЗОТРОН — (от греч. synchronos одновременный и фазотрон) (протонный синхротрон), ускоритель протонов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и переменной частотой ускоряющего электрического поля.… … Большой Энциклопедический словарь

СИНХРОФАЗОТРОН — СИНХРОФАЗОТРОН, а, муж. (спец.). Ускоритель протонов. | прил. синхрофазотронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель протонов с орбитой постоянного радиуса греч.: synchronos + фазотрон Греция, греч., физ. Источник: http://encycl.accoona.ru/?id=57594 … Словарь сокращений и аббревиатур

СИНХРОФАЗОТРОН — (протонный сиихротрон) установка для циклического ускорения тяжёлых заряженных частиц (в основном протонов млн. ионов) до энергий в сотни миллиардов электронвольт. Инжекция (впуск) частиц производится из линейного ускорителя непосредственно в… … Большая политехническая энциклопедия

синхрофазотрон — а; м. [от греч. synchronos одновременный и сл. фазотрон] Один из видов устройств для ускорения заряженных частиц (протонов) электрическим полем изменяющейся частоты. ◁ Синхрофазотронный, ая, ое. * * * синхрофазотрон (от греч. sýnchronos … … Энциклопедический словарь

синхрофазотрон — (гр. synchronos одновременный + фазотрон) установка для ускорения (ускоритель) протонов до энергий в сотни миллиардов электрон вольт, в которой протоны ускоряются высокочастотным электрическим полем изменяющейся частоты, а стабилизация их орбит… … Словарь иностранных слов русского языка

синхрофазотрон — sinchrofazotronas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Ciklinis rezonansinis protonų greitintuvas. atitikmenys: angl. proton synchrotron; synchrophasotron vok. Protonensynchrotron, n; Synchrophasotron, n rus. протонный… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Синхрофазотрон: что такое, принцип действия и описание

Подробно

Выше была описана работа прибора простыми словами. Разумеется, принцип действия синхрофазотрона является более сложным. Дело в том, что для разгона частиц до высоких скоростей необходимо обеспечить разность потенциалов в сотни миллиарды вольт. Это невозможно даже на нынешнем этапе развитии технологий, не говоря уже о предыдущем.

Поэтому было принято решение разгонять частицы постепенно и гонять их по кругу долго. На каждом кругу протоны подпитывались энергией. В результате прохождения миллионов оборотов удалось набрать требуемую скорость, после чего их направляли в мишень.

Именно такой принцип применялся в синхрофазотроне. Сначала по тоннелю частицы двигались с небольшой скоростью. На каждом круге они попадали на так называемые промежутки ускорения, где получали дополнительный заряд энергии и набирали скорость. Эти участки ускорения являются конденсаторами, частота переменного напряжения которых равна частоте прохождения протонов по кольцу. То есть частицы попадали на участок ускорения при отрицательном заряде, в этот момент напряжение резко возрастало, что придавало им скорости. Если же частицы попадали на участок ускорения при положительном заряде, то их движение притормаживалось. И это — положительная особенность, так как из-за нее весь пучок протонов двигался с одной скоростью.

И так повторялось миллионы раз, и когда частицы приобретали требуемую скорость, их направляли в специальную мишень, о которую те разбивались. После группа ученых изучала результаты столкновения частиц. Вот по такой схеме синхрофазотрон и работал.

Принцип работы синхрофазотрона

Приведенное выше описание задач, которые стояли перед синхрофазотроном, может многим показаться не слишком сложным для их реализации на практике, но это не так. Несмотря на всю простоту вопроса, что такое синхрофазотрон, чтобы ускорить протоны до необходимых огромных скоростей, нужны электрические напряжения в сотни млрд вольт. Такие напряжения невозможно создать даже в настоящее время. Поэтому было решено распределить во времени вкачиваемую в протоны энергию.

Принцип работы синхрофазотрона заключался в следующем: пучок протонов начинает свое движение по кольцеобразному туннелю, в некотором месте этого туннеля стоят конденсаторы, которые создают скачек напряжения в тот момент, когда пучок протонов пролетает через них. Таким образом, на каждом витке происходит небольшое ускорение протонов. После того, как пучок частиц совершит несколько миллионов оборотов по туннелю синхрофазотрона, протоны достигнут желаемых скоростей, и будут направлены на мишень.

Стоит отметить, что используемые во время ускорения протонов электромагниты выполняли направляющую роль, то есть они определяли траекторию пучка, но не участвовали в его ускорении.

Подробнее об устройстве

В установке частицы двигаются по кругу, и на каждом обороте их подпитывают энергией, получая ускорение. И хотя подобная подпитка невелика, за миллионы оборотов можно набрать необходимую энергию.

В основу работы синхрофазотрона положен именно этот принцип. Разогнанные до небольших значений элементарные частицы запускаются в туннель, где располагаются магниты. Они создают перпендикулярное кольцу магнитное поле. Многие ошибочно полагают, что эти магниты ускоряют частицы, но на самом деле это не так. Они лишь меняют их траекторию, заставляя двигаться по окружности, однако не ускоряют их. Само ускорение происходит на определенных разгонных промежутках.

Синхрофазотрон простыми словами

Отвечая на вопрос, что такое синхрофазотрон, следует сказать, что это высокотехнологическое и наукоемкое устройство, которое предназначалось для исследования микрокосмоса. В частности, идея синхрофазотрона состояла в следующем: необходимо было с помощью мощных магнитных полей, создаваемых электромагнитами, разогнать до больших скоростей пучок элементарных частиц (протонов), а затем направить этот пучок на находящуюся в покое мишень. От такого столкновения протоны должны будут «разломаться» на части. Недалеко от мишени находится специальный детектор — пузырьковая камера. Этот детектор позволяет по трекам, которые оставляют части протона, исследовать их природу и свойства.

Для чего нужно было строить синхрофазотрон СССР? В этом научном эксперименте, который проходил под категорией «совершенно секретно», советские ученые пытались найти новый источник более дешевой и более эффективной энергии, чем обогащенный уран. Также преследовались и чисто научные цели более глубокого изучения природы ядерных взаимодействий и мира субатомных частиц.

Проблемы, с которыми столкнулись ученые при проведении экспериментов

Чтобы лучше понять, что такое синхрофазотрон, и почему его создание является очень сложным и наукоемким процессом, следует рассмотреть проблемы, возникающие в процессе его работы.

Во-первых, чем больше скорость пучка протонов, тем большей массой они начинают обладать согласно знаменитому закону Эйнштейна. При скоростях близких к световым масса частиц становится настолько большой, что для их удержания на нужной траектории, необходимо иметь мощные электромагниты. Чем больше размер синхрофазотрона, тем большие магниты можно поставить.

Во-вторых, создание синхрофазотрона осложнялось еще и потерями энергии пучком протонов во время их кругового ускорения, причем, чем больше скорость пучка, тем более значительными становятся эти потери. Получается, что для разгона пучка до необходимых гигантских скоростей, необходимо иметь огромные мощности.

Принцип работы синхрофазотрона

Приведенное выше описание задач, которые стояли перед синхрофазотроном, может многим показаться не слишком сложным для их реализации на практике, но это не так. Несмотря на всю простоту вопроса, что такое синхрофазотрон, чтобы ускорить протоны до необходимых огромных скоростей, нужны электрические напряжения в сотни млрд вольт. Такие напряжения невозможно создать даже в настоящее время. Поэтому было решено распределить во времени вкачиваемую в протоны энергию.

Принцип работы синхрофазотрона заключался в следующем: пучок протонов начинает свое движение по кольцеобразному туннелю, в некотором месте этого туннеля стоят конденсаторы, которые создают скачек напряжения в тот момент, когда пучок протонов пролетает через них. Таким образом, на каждом витке происходит небольшое ускорение протонов. После того, как пучок частиц совершит несколько миллионов оборотов по туннелю синхрофазотрона, протоны достигнут желаемых скоростей, и будут направлены на мишень.

Стоит отметить, что используемые во время ускорения протонов электромагниты выполняли направляющую роль, то есть они определяли траекторию пучка, но не участвовали в его ускорении.

Заключение

В течение 50 лет подобные установки служат на благо науки и активно применяются учеными всей планеты. Ранее созданный синхрофазотрон и подобные ему установки (они создавались не только в СССР) являются всего лишь одним звеном в цепочке эволюции. Сегодня появляются более совершенные устройства — нуклотроны, обладающие огромной энергией.

Одним из самых совершенных среди подобных устройств является Большой адронный коллайдер. В отличие от действия синхрофазотрона, он встречными курсами сталкивает два пучка частиц, в результате чего выделяемая от столкновения энергия во много раз превышает энергию на синхрофазотроне. Это открывает возможности для более точного изучения элементарных частиц.

Пожалуй, теперь вы должны понимать, что такое синхрофазотрон и для чего он вообще нужен. Эта установка позволила сделать целый ряд открытий. Сегодня из него сделали ускоритель электронов, и на данный момент он работает в ФИАНе.

Читайте также  Что такое жестикуляция

+ элек трон) — резонансный циклический ускоритель с неизменной в процессе ускорения длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите , изменяется как ведущее магнитное поле , так и частота ускоряющего электрического поля. Последнее необходимо, чтобы пучок приходил в ускоряющую секцию всегда в фазе с высокочастотным электрическим полем. В том случае, если частицы ультрарелятивистские, частота обращения, при фиксированной длине орбиты, не меняется с ростом энергии, и частота ВЧ-генератора также должна оставаться постоянной. Такой ускоритель уже называется синхротроном .

Что такое синхрофазотрон

§11. Синхрофазотрон

Ускорение тяжелых частиц в фазотроне, принципиально, можно осуществлять вплоть до очень высоких энергий. Однако имеются причины, которые заставили остановиться на сравнительно скромной энергии, не превышающей одного Бэв. Причины эти «веские» в самом буквальном смысле слова. Вес магнита фазотрона увеличивается пропорционально кубу энергии. Поэтому, чтобы построить фазотрон, например на 3 Бэв, пришлось бы изготовить магнит весом в 300 000 тонн. Экономическая и техническая нецелесообразность такого ускорителя — очевидны.

Вспомним синхротрон. Он обладает сравнительно с бетатроном нетяжелым магнитом потому, что в нем удается ускорять электроны в узком кольце. Нельзя ли и тяжелые частицы заставить вращаться в магнитном поле не по разворачивающейся спирали, а по узкой дорожке? Электроны в синхротроне движутся по окружности постоянного радиуса, потому что их скорость почти равняется скорости света. Скорость же тяжелых частиц непрерывно растет с увеличением энергии. Поэтому частота их обращения при постоянном радиусе орбиты тоже будет расти. Следовательно, для сохранения резонанса при постоянстве радиуса орбиты частицы необходимо обеспечить увеличение частоты ускоряющего электрического поля. Таким образом, ускорение тяжелых частиц в кольцевом ускорителе требует не только увеличения магнитного поля на орбите частиц, что следует из формулы

но также и увеличения частоты электрического поля. Ускорители подобного типа получили название синхрофазотронов. Известно, что в фазотроне не обязательно придерживаться одного определенного закона изменения частоты электрического поля. Ионы послушно подчиняются любому, не слишком быстрому изменению частоты. Иное дело в синхрофазотроне. Здесь, чтобы удержать ионы на постоянной орбите, частота электрического поля в процессе ускорения должна всегда равняться собственной частоте обращения иона. Стоит частоте внешнего поля несколько отклониться, например сделаться больше собственной частоты протонов, как орбита их начнет уменьшаться, грозя задеть внутреннюю стенку ускорительной камеры. Объясняется это свойством автофазировки: частота частиц следует за изменением внешней частоты, а увеличение собственной частоты при данной скорости протонов происходит за счет уменьшения радиуса их орбиты. Следовательно, изменение частоты должно строго следовать за изменением скорости частицы. Но фиксировать скорость трудно. Гораздо легче следить за изменением магнитного поля, которое благодаря автофазировке целиком определяет увеличение скорости иона. Поэтому в синхрофазотронах разработана система, при помощи которой частота электрического поля с большой точностью следует за изменением магнитного поля.

К настоящему времени частицы с наибольшей энергией получены на синхрофазотронах. Уже работают три гигантских ускорителя этого типа. Первый из них, рассчитанный на ускорение протонов до энергии 3 Бэв, был назван «космотроном». Это название подчеркивало тот факт, что скорости искусственно разогнанных частиц сравнимы со скоростями космических лучей. Синхрофазотрон на 10 Бэв построен в Советском Союзе и передан Объединенному институту ядерных исследований. В марте 1957 г. на этом ускорителе были получены протоны расчетной энергии. Совершим мысленную поездку в г. Дубну под Москвой и познакомимся с одним из интереснейших сооружений нашего времени. В нем гигантские размеры сочетаются с исключительной точностью сборки, с замечательной продуманностью отдельных узлов и агрегатов. Тысячи людей вложили свой труд в создание этого грандиозного сооружения. Мы подходим к большому круглому зданию, расположенному в сосновом лесу (рис. 49). Первое, что сразу бросается в глаза при входе в здание,- огромный, состоящий из отдельных секций, электромагнит (рис. 50). Вес его — 36 000 тонн. Магнит набран из отдельных изолированных друг от друга стальных листов толщиной 1 и 4 см. Несмотря на то, что магнитное поле нарастает от нуля до максимального значения сравнительно медленно — за 3,3 секунды, делать магнит из сплошного металла нельзя. Электромагнит ускорителя не является замкнутым кольцом — он состоит из четырех секций — квадрантов — отодвинутых друг от друга. Соответственно и орбита протонов получается не круговой, а комбинированной, состоящей из дуговых (90°) и прямолинейных участков (рис. 51). Как показали предварительные теоретические расчеты и испытания на моделях, движение по таким орбитам является вполне устойчивым.


Рис. 49. Общий вид здания, в котором размещается синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований на 10 Бэв


Рис. 50. Часть магнита синхрофазотрона на 10 Бэв


Рис. 51. План ускорителя

Зачем в синхрофазотроне нужны прямолинейные участки, свободные от действия магнитного поля? В первую очередь для облегчения впуска частиц. В отличие от других ускорителей, в синхрофазотрон впускаются уже сравнительно быстрые частицы. В синхрофазотрон поступают протоны, предварительно ускоренные сначала в высоковольтной трубке до 600 кэв, а затем в линейном ускорителе до энергии 9 Мэв. Делается это для того, чтобы сократить диапазон изменения высокой частоты. Скорость, а за ней и частота увеличиваются здесь более чем в 8 раз (от 182 кгц до 1,5 Мгц). Если же начинать ускорение внутри ускорителя с малых энергий, то потребовалось бы технически неосуществимое изменение частоты.

Разместить оборудование для внешнего впуска при расстоянии между полюсами, составляющем всего 40 см, очень трудно. Наличие прямолинейного промежутка значительно облегчает сложную задачу ввода частиц в ускоритель. Перед тем как попасть в фазотрон из линейного ускорителя, протоны проходят десятиметровый путь по вводной системе, состоящей из магнитных корректоров, поворотного магнита и магнитной линзы (рис. 52). На этом пути пучок протонов фокусируется и поворачивается на 75 градусов. «Впрыскивание» протонов в камеру происходит в момент, когда магнитное поле достигает 150 эрстед. Ошибиться с впуском нельзя даже на миллионные доли секунды! Магнитное поле другой величины завернет протоны на внутреннюю или на внешнюю стенку вакуумной камеры. Особенно точным должно быть выдержано направление впускаемого пучка, оно корректируется с точностью до сотых долей градуса! В двух других прямолинейных промежутках помещаются пролетные трубки — ускоряющие электроды — связанные с генератором высокой частоты. За один оборот протоны в среднем приобретают сравнительно небольшую энергию в 2200 электрон-вольт. Но таких оборотов по орбите длиной в 200 м протоны за время нарастания магнитного поля до 13 000 эрстед сделают около 4,5 миллионов! Всего за 3,3 сек протон проходит путь длиной в 900 000 км, т. е. в два с лишним раза больше расстояния от Земли до Луны. Весь этот длинный путь совершается в вакуумной камере. Сечение камеры составляет 2 м в ширину и 36 см в высоту. Вакуумная камера синхрофазотрона-двойная. Наружная камера образуется полюсными башмаками магнита, уплотненными текстолитом и резиной. В этой камере поддерживается давление в 1 мм рт. ст. Внутренняя камера выполнена из листов нержавеющей стали, чуть толще лезвия безопасной бритвы с уплотнением из специальной резины и в ней поддерживается давление 0,00001 мм рт. ст. Глядя на большое сечение камеры — в ней свободно может улечься человек высокого роста-можно подумать что не так уж трудно обеспечить успешное движение по ней протонов. Однако это не так. Существенной является не ширина камеры, а ее отношение к радиусу орбиты оно составляет всего четыре процента.


Рис. 52. Вводная система, по которой протоны попадают из линейного ускорителя в ускорительную камеру синхрофазотрона

Прежде чем строить огромный ускоритель, физики провели сложнейшие теоретические расчеты. В них было детально рассмотрено движение протонов с момента впуска до конца ускорения. Поведение частиц оказалось очень сложным. Во-первых, они участвуют в движении по равновесной орбите с резонансной частотой Другое движение частиц-это колебания около равновесной орбиты, связанные с автофазировкой частиц Эти радиально-фазовые колебания-медленные, период их в тысячу раз больше периода обращения частиц Благодаря радиально-фазовым колебаниям протоны движутся по «мгновенным» орбитам. Наконец, существует третий вид колебании частиц — свободные или бетатронные Они происходят при отклонении частиц от орбиты при впуске в ускоритель, при рассеянии на остатках газа или по другим причинам. Под действием фокусирующих сил свободные колебания быстро затухают Расчеты теоретиков позволили выбрать оптимальные условия впуска, форму магнитного поля, выяснить причины возможных потерь частиц. Были определены наилучшие параметры ускорителя, в частности размеры дорожки, по которой движутся протоны. Чтобы добиться движения по такой дорожке, огромный магнит собран с точностью до долей миллиметра! Специальные корректирующие обмотки на нем компенсируют искажения, вызванные влиянием остаточного магнетизма и насыщения стали. Связь частоты электрического поля и магнитного поля поддерживается с точностью до 0,1 процента.

Электромагнит синхрофазотрона потребляет огромную мощность в 140 000 киловольтампер. Четыре питающих агрегата снабжены массивными маховиками. В них запасается энергия, необходимая для создания импульса тока в электромагните. К ним же возвращается энергия магнитного поля (за вычетом потерь на тепло) при его спадании. Преобразование механической энергии в электрическую и обратное преобразование осуществляются при помощи синхронных машин, непосредственно связанных с ионными преобразователями.

На выходе синхрофазотрона получают короткие импульсы протонов, ускоренных до 10 Бэв. Эти импульсы появляются 5 раз в минуту. В следующей главе мы остановимся на некоторых результатах, достигнутых физиками, работающими на синхрофазотронах.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: