Синхрофазотрон - таинственное слово из мира физики высоких энергий. Что оно означает? Давайте разберемся!
Определение синхрофазотрона
Синхрофазотрон - это циклический ускоритель заряженных частиц, в котором поддерживается постоянная длина орбиты ускоряемых частиц. Для этого одновременно изменяется ведущее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля. Цель - чтобы частицы всегда попадали в фазу с электрическим полем для эффективного ускорения.
Название "синхрофазотрон" состоит из трех частей:
- Синхро - синхронизация, совпадение по фазе
- Фаза - фаза электрического поля
- Трон - ускоритель частиц (от электрон)
По сути, синхрофазотрон - это резонансный ускоритель протонов и других частиц, в котором происходит их разгон при строгом соблюдении фазы частиц и электрического поля. Это позволяет достичь очень высоких энергий пучка.
История изобретения
Синхрофазотрон - это революционное изобретение советских ученых, которое опередило весь мир. Идея принадлежит Владимиру Векслеру, выдающемуся физику и одному из пионеров ускорительной техники. В 1944 году Векслер предложил принцип автофазировки - метода постоянной синхронизации частиц с ускоряющим электрическим полем.
Это позволило преодолеть ограничения предыдущих конструкций и разогнать частицы до прежде недоступных энергий. Уже через 5 лет Векслер возглавил проект по созданию первого в мире синхрофазотрона в подмосковном институте ОИЯИ.
15 марта 1957 года состоялся запуск ускорителя. 10 апреля стало известно, что синхрофазотрон вышел на мировой рекорд энергии - 8,3 миллиарда электронвольт. Это почти вдвое превосходило лучшие зарубежные аналоги того времени.
Успех синхрофазотрона вызвал большой ажиотаж в научном сообществе. Новость облетела весь мир и попала на первые полосы газет. Советские физики опередили западных коллег по всем фронтам.
Принцип работы синхрофазотрона
В чем же значение этого изобретения и принцип работы синхрофазотрона? Разберем пошагово:
- В вакуумную камеру впрыскивается пучок заряженных частиц из линейного ускорителя
- Частицы начинают двигаться по замкнутой орбите под воздействием магнитного поля
- Одновременно к ним прикладывается высокочастотное электрическое поле, которое постепенно разгоняет частицы
- При этом магнитное поле тоже наращивается, чтобы сохранить длину орбиты
- Частота электрического поля синхронизирована с частотой вращения пучка частиц
Такой механизм позволяет бесконечно разгонять заряженные частицы до релятивистских скоростей, поддерживая их строгую фокусировку в пучке.
Области применения синхрофазотрона
Для чего нужен синхрофазотрон и где он применяется? Эти гигантские установки используются в фундаментальных исследованиях:
- Изучение строения атомного ядра
- Поиск новых элементарных частиц
- Исследование взаимодействия излучения с веществом
- Проверка теорий физики высоких энергий
Прикладное значение:
- Радиационная модификация материалов
- Производство радиоизотопов
- Радиационная стерилизация
- Медицинская диагностика и лечение опухолей
Устройство синхрофазотрона
Как устроен этот гигантский атомный «миксер»? Рассмотрим основные элементы:
Рассмотрим основные элементы:
- Вакуумная камера, в которой движутся частицы. Создается сверхвысокий вакуум порядка 10^-9 торр
- Магнитная система, создающая кольцевую траекторию движения частиц
- Электроды, генерирующие высокочастотное ускоряющее электрическое поле (до 500 МГц)
- Система питания и охлаждения магнитов общей массой в тысячи тонн
- Вспомогательные линейные ускорители для инжекции частиц
- Высокоточные системы управления для обеспечения синхронизации и фокусировки пучка
Рекорды и достижения
За 60 лет существования синхрофазотроны прошли путь от первых скромных моделей до гигантских комплексов размером с небоскреб. Рассмотрим самые выдающиеся достижения этих уникальных установок.
Самый большой в мире
Крупнейший в мире действующий синхрофазотрон находится на территории ЦЕРН в Швейцарии. Его диаметр составляет 8,6 км, что сравнимо с размером Парижа внутри кольцевой автодороги!
Самый мощный в мире
Рекорд энергии принадлежит Большому адронному коллайдеру (БАК) в ЦЕРН. Максимальная энергия столкновения протонов в нем достигает 14 ТэВ (тераэлектронвольт)!
Синхрофазотрон ОИЯИ
Первенец Векслера до сих пор работает в подмосковном ОИЯИ. Его энергия «всего» 10 ГэВ, но с момента запуска в 1957 году он продолжает приносить новые открытия.
Открытие новых частиц
Благодаря колоссальной энергии, синхрофазотроны позволили открыть множество ранее неизвестных элементарных частиц и резонансов.
- Пи-мезоны, К-мезоны, гипероны
- Тау-лептон, кварки очарования и правды
- Бозон Хиггса
Эти открытия значительно расширили Стандартную модель физики элементарных частиц и наше понимание микромира.
Изучение кварк-глюонной плазмы
При соударении тяжелых ионов в синхрофазотроне возникают экстремальные условия, близкие по параметрам к первичной Вселенной спустя доли микросекунды после Большого взрыва.
Это позволяет моделировать образование кварк-глюонной плазмы и изучать одно из величайших загадок астрофизики и космологии.
Производство радиоактивных изотопов
Пучки протонов и ионов, ускоренные в синхрофазотроне, активно используются для облучения мишеней с целью наработки короткоживущих радиоактивных изотопов для ядерной медицины.
