Синхрофазотрон - что это такое?

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:

1. В вакуумную камеру впрыскивается пучок заряженных частиц из линейного ускорителя
2. Частицы начинают двигаться по замкнутой орбите под воздействием магнитного поля
3. Одновременно к ним прикладывается высокочастотное электрическое поле, которое постепенно разгоняет частицы
4. При этом магнитное поле тоже наращивается, чтобы сохранить длину орбиты
5. 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.