Ускорители элементарных частиц

Ускорители элементарных частиц

Не все известные учёным элементарные частицы обнаружены на самом деле. Некоторые из них описаны теоретически, и их ещё предстоит открыть. А некоторые частицы, например, кварки, обнаружить в свободном состоянии не удастся вообще. Однако, для понимания фундаментальных законов природы изучать элементарные частицы и их взаимодействие необходимо.

Большинство известных науке элементарных частиц не встречаются в естественных условиях на нашей Земле. Начиная с 30-х годов прошлого столетия информацию о них физики получали, изучая воздействие комических лучей, которые, как известно, представляют собой поток быстрых частиц с высокими энергиями, на ядра-мишени. Однако, уже в 50-е годы были созданы первые ускорители элементарных частиц, значительно упростившие работу учёных и ставшие главным источником научной информации о частицах, не встречающихся в природе.

Если элементарные частицы разогнать до высоких энергий, то при их столкновении с ядрами-мишенями можно получить новые элементарные частицы. Этот процесс происходит в установках, называемых ускорителями элементарных частиц.

В принципе не очень важно, где происходит это событие, в космосе или в ускорителе. Конечно, энергия космических протонов намного больше энергии протонов, разгоняемых в ускорителях, но сути дела это не меняет.

Что происходит в ускорителях

Все частицы рождаются при столкновении любых двух частиц, например, протонов высокой энергии и ядер атомов.

Мир элементарных частиц в ускорителях исследуют с помощью других элементарных частиц, которые разгоняют до сверхвысоких энергий и сталкиваются с ядрами-мишенями. Основная задача ускорителя – разогнать элементарные частицы до очень высоких скоростей.

В основе работы ускорителя элементарных частиц лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле совершает работу над частицей и увеличивает её энергию, тем самым ускоряя её, а магнитное поле создаёт силу Лоренца и изменяет форму траектории частицы, не меняя её энергии.

Чаще всего в ускорителях используют протоны и электроны. Простейший ускоритель частиц -электронная «пушка». Она работает по тому же принципу, что и кинескоп. Катод (отрицательно заряженный электрод), находящийся в вакууме, разогревается до нужной температуры, при которой электроны начинают отрываться от атомов и притягиваться к аноду (положительно заряженному электроду.

В ускорителях заряженных частиц электрическое поле, существующее между положительными и отрицательными потенциалами, ускоряет частицу, её скорость и энергия увеличиваются. Но так происходит только в вакууме. В обычном воздухе частицы теряют энергию, сталкиваясь с другими атомами.

Энергия, приобретаемая частицей, зависит от разности потенциалов между начальным и конечным положениями частицы. К примеру, при разности потенциалов 1 В частица приобретает энергию, равную 1 эВ. Энергии, получаемые частицами в ускорителях, достигают величин, которые измеряются мега-, гигаэлектрон-вольтами.

В зависимости от траектории заряженной частицы конструктивно различают линейные и циклические ускорители.

Линейные ускорители

Ускорители элементарных частиц

Схема линейного ускорителя

Понятно, что при использовании постоянных электрических полей для разгона частиц нужно создать огромную разность потенциалов. В некоторых самых ранних ускорителях эта разность достигала миллиона вольт. Такие высокие напряжения создавать непросто. Поэтому появилась идея прогонять заряженные частицы через последовательно расположенные ускоряющие электрические поля, созданные низкими потенциалами. Так устроены линейные ускорители. Частица в них движется по прямолинейной траектории, проходя через последовательно расположенные трубки, называемые трубками дрейфа. Это электроды в виде трубок. На них подаётся переменное напряжение. Так как трубки внутри изолированы, то электрическое поле существует только снаружи. Частица внутри движется равномерно по инерции (дрейфует). Соседние трубки имеют противоположную полярность. Поэтому как только частица попадает в промежуток между трубками (его называют ускоряющим промежутком), она получает ускорение. Размеры трубок подбираются таким образом, чтобы полярность трубок менялась в тот момент, когда частицы подходили к зазору между трубками. Таким образом, пролетая через трубки дрейфа, частица получает многократно ускоряется. В итоге ускорением частицы является сумма ускорений, полученных ею на всём протяжении своего пути.

Скорость электронов очень быстро растёт до скорости света, поэтому для их разгона применяют дрейфовые трубки одинаковой длины. А вот протоны разгоняются не так быстро, поэтому для их разгона используют трубки постепенно нарастающей длины.

Циклические ускорители

Циклотрон

Ускорители элементарных частиц

Схема циклического ускорителя

1 - точка поступления заряженных частиц; 2 - траектория движения частиц; 3 - дуанты; 4 - генератор переменного напряжения. 

Первый в мире линейный ускоритель был создан в 1946 г. Альварес и Вольфганг Панофски. Ускоряющее поле в нём создавалось деталями радиолокаторов.

Однако, задолго до этого, ещё в 1929 г. профессор Калифорнийского университета Эрнест Орландо Лоуренс решил, что частицы можно ускорять и другим способом. Это можно делать, заставляя их двигаться не по прямолинейной, а по круговой траектории под воздействием магнитного поля.

Разрезав вдоль оси полый металлический цилиндр, он раздвинул половинки и поместил их между полюсами электромагнита в высоком вакууме. Если в центр зазора между половинками (их называют дуантами) поместить источник заряженных частиц, то внутри дуантов частицы начнут двигаться по окружностям фиксированного радиуса. А при переходе из одного дуанта в другой под влиянием электрического поля они будут разгоняться.

Таким образом, Лоуренс создал прототип кольцевого, или циклического, ускорителя. Первую схему ускорителя он опубликовал в 1930 г, а первая модель была им создана в 1931 г. Конечно, это была лабораторная установка, которую он назвал «протонной каруселью». Впоследствии она получила название «циклотрон», а сам учёный стал лауреатом Нобелевской премии в 1939 г.

В кольцевом, или циклическом, ускорителе поток ускоряемых заряженных частиц двигается по круговой или спиралевидно траектории под воздействием сильного магнитного поля, многократно проходя ускоряющий промежуток. В одном дуанте скорость частица постоянна, а её траектория – полуокружность. При переходе через промежуток её скорость увеличивается, и в другом дуанте она описывает полуокружность бόльшего радиуса. Таким образом частица получает ускорение на каждом обороте при прохождении промежутка между дуантами, а её траектория напоминает раскручивающуюся спираль. Энергия частицы увеличивается с каждым оборотом, следовательно, увеличивается и радиус её траектории. Так она ускоряется, пока не вылетит из циклотрона.

Синхрофазотрон

В отличие от циклотрона в синхрофазотроне вместо дисков частицы запускаются в длинную немагнитную свёрнутую кольцом трубу. На кольцевой орбите в процессе ускорения они удерживаются мощным изменяющимся электромагнитным полем. Это поле не разгоняет частицы, а лишь меняет их траекторию. А ускорение происходит в ускоряющих секциях, в которые пучок частиц подается в фазе с электрическим полем высокой частоты.

В зависимости от характера ускоряемых частиц различают ускорители электронов и ускорители тяжёлых частиц – протонов, альфа-частиц и др.

Практическое применение ускорителей заряженных частиц

Эти устройства широко применяются в науке и промышленности. С их помощью физики проводят исследования структуры атомов, атомных ядер, как существующих, так и не встречающихся в природе. Геологи используют излучение для бурения горных пород, инженеры – для резки и плавки металла. Применяются они в медицине в лучевой терапии, в диагностике.