Что такое ускоритель?

УСКОРИ́ТЕЛИ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц, ус­та­нов­ки, пред­на­зна­чен­ные для по­лу­че­ния на­прав­лен­ных по­то­ков (пуч­ков) за­ря­жен­ных час­тиц с энер­ги­ей, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щей энер­гию их те­п­ло­во­го дви­же­ния. Яв­ля­ют­ся ис­точ­ни­ка­ми пуч­ков как пер­вич­ных ус­ко­рен­ных за­ря­жен­ных час­тиц, так и вто­рич­ных час­тиц (ме­зо­нов, ней­тро­нов, фо­то­нов, ато­мов и др.), по­лу­чае­мых при взаи­мо­дей­ст­вии пер­вич­ных час­тиц с ми­ше­нью. К ус­ко­рит. ус­та­нов­кам от­но­сят так­же на­ко­пи­те­ли за­ря­жен­ных час­тиц, в ко­то­рых цир­ку­ли­ру­ют пуч­ки час­тиц по­сто­ян­ной энер­гии. В ря­де слу­ча­ев (при ре­ку­пе­ра­ции энер­гии ус­ко­рен­ных пуч­ков, в экс­пе­ри­мен­тах по по­лу­че­нию ан­ти­во­до­ро­да и др.) ус­ко­рит. ус­та­нов­ки ис­поль­зу­ют­ся для умень­ше­ния энер­гии пуч­ка.

Структура ускорителя

Лю­бая ус­ко­рит. ус­та­нов­ка вклю­ча­ет 3 осн. струк­тур­ных эле­мен­та: 1) ис­точ­ник час­тиц с сис­те­мой фор­ми­ро­ва­ния пуч­ка; 2) соб­ст­вен­но ус­ко­ри­тель – уст­рой­ст­во (или це­поч­ка по­сле­до­ва­тель­но рас­по­ло­жен­ных уст­ройств), уве­ли­чи­ваю­щее энер­гию час­тиц, а так­же фор­ми­рую­щее их тра­ек­то­рию; 3) уст­рой­ст­ва, осу­ще­ст­в­ляю­щие вы­вод и транс­пор­ти­ров­ку пуч­ка на ми­шень или взаи­мо­дей­ст­вие пуч­ка с ми­ше­нью, или со­уда­ре­ние встреч­ных пуч­ков в ус­ко­ри­те­ле.

Уст­рой­ст­ва для по­лу­че­ния пуч­ков за­ря­жен­ных час­тиц (элек­тро­нов, по­зи­тро­нов, про­то­нов, ан­ти­про­то­нов, мюо­нов, атом­ных ядер, ио­нов) мо­гут быть и от­но­си­тель­но про­сты­ми (напр., элек­трон­ная пуш­ка), и пред­став­лять со­бой слож­ный ком­плекс ус­ко­рит. уст­ройств, как, напр., ис­точ­ник ан­ти­про­то­нов Фер­ми­ев­ской на­цио­наль­ной ус­ко­ри­тель­ной ла­бо­ра­то­рии. В этой ус­та­нов­ке про­то­ны, пред­ва­ри­тель­но ус­ко­рен­ные до энер­гии 120 ГэВ, бом­бар­ди­ру­ют не­под­виж­ную ни­ке­ле­вую ми­шень. В ре­зуль­та­те ро­ж­да­ет­ся ог­ром­ное чис­ло час­тиц разл. ти­пов, вклю­чая ан­ти­про­то­ны. По­след­ние се­па­ри­ру­ют, а за­тем на­ка­п­ли­ва­ют и ох­ла­ж­да­ют в на­ко­пи­тель­ном коль­це. По­доб­ную струк­ту­ру име­ют и ис­точ­ни­ки по­зи­тро­нов, раз­ра­ба­ты­вае­мые для ли­ней­но­го кол­лай­де­ра.

По­ка­за­те­ля­ми ка­че­ст­ва пуч­ка, соз­да­вае­мо­го ис­точ­ни­ком, слу­жат его эмит­танс (про­из­ве­де­ние ра­диу­са пуч­ка на его уг­ло­вую рас­хо­ди­мость) и энер­ге­тич. раз­брос. Чем мень­ше эмит­танс, тем вы­ше ка­че­ст­во ко­неч­но­го пуч­ка час­тиц вы­со­кой энер­гии. По ана­ло­гии со све­то­вой оп­ти­кой вво­дят по­ня­тие яр­ко­сти пуч­ка (си­ла то­ка час­тиц, де­лён­ная на эмит­танс, что со­от­вет­ст­ву­ет плот­но­сти час­тиц, де­лён­ной на уг­ло­вую рас­хо­ди­мость). При прак­тич. при­ме­не­нии совр. У. з. ч. час­то тре­бу­ет­ся мак­си­маль­но воз­мож­ная яр­кость пуч­ков.

Ус­ко­ре­ние пуч­ка про­из­во­дит­ся в уст­рой­ст­вах разл. ти­пов с по­мо­щью элек­трич. по­ля (из­ме­няю­ще­го энер­гию за­ря­жен­ных час­тиц). Для фор­ми­ро­ва­ния тра­ек­то­рии час­тиц в У. з. ч. при­ме­ня­ют маг­нит­ное по­ле, ко­то­рое из­ме­ня­ет на­прав­ле­ние дви­же­ния за­ря­жен­ных час­тиц, не ме­няя ве­ли­чи­ны их ско­ро­сти. Совр. У. з. ч. вы­со­ких энер­гий – ог­ром­ные слож­ные ком­плек­сы. Так, ус­ко­ре­ние про­то­нов для про­ве­де­ния экс­пе­ри­мен­тов на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (БАК) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся сна­ча­ла в ли­ней­ном ус­ко­ри­те­ле, за­тем в 4 по­сле­до­ва­тель­ных цик­лич. ус­ко­ри­те­лях, пе­ри­метр по­след­не­го из них (соб­ст­вен­но БАК) со­став­ля­ет 26659 м.

Осн. за­да­чи вы­во­да и транс­пор­ти­ров­ки пуч­ков ус­ко­рен­ных час­тиц – со­хра­не­ние ин­тен­сив­но­сти пуч­ка и фор­ми­ро­ва­ние его по­пе­реч­ных раз­ме­ров. Для пре­дот­вра­ще­ния ухуд­ше­ния ка­че­ст­ва пуч­ка и по­терь час­тиц из-за со­уда­ре­ний с мо­ле­ку­ла­ми га­за транс­пор­ти­ров­ка, как пра­ви­ло, осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ва­куу­ме. Вдоль трак­та транс­пор­ти­ров­ки рас­по­ла­га­ют­ся элек­трич. или маг­нит­ные лин­зы, обес­пе­чи­ваю­щие фо­ку­си­ров­ку час­тиц. Здесь же раз­ме­ща­ют­ся уст­рой­ст­ва, по­во­ра­чи­ваю­щие пу­чок (как для из­ме­не­ния тра­ек­то­рии все­го пуч­ка, так и для вы­де­ле­ния час­тиц оп­ре­де­лён­но­го сор­та или энер­гии). Рас­пре­де­ле­ние час­тиц в по­пе­реч­ном на­прав­ле­нии не­од­но­род­но, и ино­гда бы­ва­ет не­об­хо­ди­мо умень­шить эту не­од­но­род­ность. Для это­го мо­гут при­ме­нять­ся кол­ли­ма­то­ры, вы­де­ляю­щие центр. часть пуч­ка та­ким об­ра­зом, что­бы раз­ни­ца в плот­но­сти по­то­ка в этой час­ти не пре­вы­ша­ла до­пус­ти­мую (при этом по­те­ри ин­тен­сив­но­сти пуч­ка бу­дут тем боль­ши­ми, чем жёст­че тре­бо­ва­ния к од­но­род­но­сти). Др. спо­соб по­вы­ше­ния од­но­род­но­сти пуч­ка – при­ме­не­ние уст­ройств раз­вёрт­ки пуч­ка.

Система «руления» пучком. Поворотные магниты

Когда физики говорят про движение частиц внутри ускорителя, то они называют их коллективно: пучок частиц. Этот пучок не размазан по всей длине трубы, а собран в отдельные сгустки частиц. Обычно сгусток представляет собой длинную (несколько сантиметров или десятков сантиметров) и тонкую (десятки микрон) «иголочку», состоящую из летящих рядом частиц.

По первому закону Ньютона, частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой. Поэтому для того, чтобы удерживать их внутри кольцевого ускорителя, их траекторию приходится заворачивать с помощью магнитного поля. Для этого вдоль ускорительного кольца на некотором расстоянии друг от друга устанавливают специальные поворотные магниты. В результате траектория пучка становится похожей на скругленный многоугольник: в его вершинах пучок поворачивается на небольшой угол, а затем летит до следующего магнита по прямой. Именно на прямых участках установлена вся остальная аппаратура.

Чем больше энергия частиц, тем труднее завернуть их в дугу нужного радиуса и тем более сильные поворотные магниты приходится использовать. На коллайдере LHC используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла (примерно в 100 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Такое сильное поле удается получать лишь в сверхпроводящих электромагнитах и только при очень низкой температуре. В результате всю установку (а это кольцо периметром в 27 км!) приходится охлаждать до очень низких температур (ниже 2 К). Это лишний раз подчеркивает, что ускорительное кольцо — это не просто «труба с магнитным полем», а сложнейшая техническая конструкция.

Магнитное поле в поворотных магнитах не однородное; оно чуть слабее во внутренней части и чуть сильнее во внешней части дуги. Это сделано для того, чтобы вернуть обратно пучок, слегка сбившийся с оптимальной орбиты.

Система контроля и «аварийный выход» для пучка

Несмотря на то, что пучок частиц содержит не так много частиц (суммарная масса всех частиц в пучке обычно составляет нанограммы и меньше!), в нём может быть запасена огромная кинетическая энергия. Например, протонный пучок на LHC обладает энергией, сопоставимой с кинетической энергией летящего реактивного самолета. Если будет потерян контроль над пучком, то он, вырвавшись на свободу, прожжет стенку вакуумной трубы, аппаратуру ускорителя и даже многометровые бетонные стены. Поэтому система слежения за положением пучка абсолютно необходима для безопасной работы ускорителя.

Система слежения в режиме реального времени контролирует, где именно внутри вакуумной трубы проходит в данный момент траектория пучка. Если она немного отклоняется от оси трубы, магнитные поля стараются выровнять его положение. Если же отклонение становится критическим, то происходит «сброс пучка» — специальный очень быстрый магнит резко включается и выводит пучок из кольца ускорителя по специальному «аварийному выходу» вдаль, где огромная бетонная мишень принимает на себя всю его энергию. Обычно достаточно сделать по одному аварийному выходу на каждый из двух встречных пучков: нестабильность пучка развивается не столь быстро, и пучок за это время успеет долететь до своего выхода.

Регулярный сброс пучка происходит также и в штатном режиме. Летая в ускорителе, пучок постепенно теряет частицы — некоторые выбывают при столкновениях в детекторе, некоторые просто рассеиваются на остаточных молекулах газа в вакуумной камере. Каждые несколько часов, когда пучок ослабевает в несколько раз, его «сбрасывают» на ту же стоящую поодаль мишень, а в ускоритель впрыскивается новая порция частиц.

Получение и обработка результатов экспериментов

Для ана­ли­за ре­зуль­та­тов экс­пе­ри­мен­тов в совр. ус­ко­рит. ком­плек­сах вы­со­ких энер­гий ис­поль­зу­ют­ся уни­вер­саль­ные де­тек­то­ры час­тиц, вклю­чаю­щие в се­бя, кро­ме боль­ших маг­нит­ных сис­тем, так­же мно­го­числ. сцин­тил­ля­ци­он­ные де­тек­то­ры, про­пор­цио­наль­ные ка­ме­ры, дрей­фо­вые ка­ме­ры, че­рен­ков­ские счёт­чи­ки, ка­ло­ри­мет­ры и др. Та­кие де­тек­ти­рую­щие сис­те­мы вме­сте с об­слу­жи­ваю­щей их элек­тро­ни­кой пред­став­ля­ют со­бой са­мо­сто­ят. инж. со­ору­же­ния и обыч­но по­лу­ча­ют собств. на­зва­ние. Напр., один из осн. де­тек­то­ров БАК – ATLAS (от англ. A Toroidal LHC ApparatuS) име­ет дли­ну 46 м, диа­метр 25 м, об­щую мас­су ок. 7000 т. В кол­ла­бо­ра­ции ATLAS ок. 2000 учё­ных и ин­жене­ров из 165 ла­бо­ра­то­рий и ун-тов 35 стран (в т. ч. из Рос­сии). По­ток дан­ных с 4 ос­нов­ных и 3 вспо­мо­гат. де­тек­то­ров БАК со­став­ля­ет ок. 300 ГБ/с (по­сле фильт­ра­ции – ок. 300 МБ/с), об­ра­бот­ка та­ко­го по­то­ка не­воз­мож­на без при­ме­не­ния совр. ком­пь­ю­тер­ных тех­но­ло­гий.

Не­об­хо­ди­мость про­ве­де­ния боль­шо­го объ­ё­ма рас­чё­тов при про­ек­ти­ро­ва­нии но­вых ус­та­но­вок и об­ра­бот­ке боль­ших по­то­ков дан­ных для ана­ли­за ре­зуль­та­тов экс­пе­ри­мен­тов, а так­же по­треб­ность в бы­ст­ром об­ме­не ин­фор­ма­ци­ей ме­ж­ду учё­ны­ми, ра­бо­таю­щи­ми в раз­ных стра­нах, при­ве­ла к то­му, что все ве­ду­щие уско­рит. ла­бо­ра­то­рии яв­ля­ют­ся так­же и цен­тра­ми по раз­ви­тию ин­фор­мац. тех­но­ло­гий, кон­цен­три­рую­щи­ми ре­сур­сы по хра­не­нию и об­ра­бот­ке ин­фор­ма­ции. Воз­ник­но­ве­ние и раз­ви­тие Ин­тер­не­та свя­за­но с ус­ко­рит. цен­тра­ми: пер­вый в ми­ре веб-сер­вер и пер­вый в ми­ре веб-брау­зер (WorldWideWeb, www) со­здан в Ев­ро­пей­ской ор­га­ни­за­ции по ядер­ным ис­сле­до­ва­ни­ям (ЦЕРН), рос. Ин­тер­нет (Ру­нет) воз­ник в Кур­ча­тов­ском ин­ститу­те, пер­вый веб-сер­вер в США – в Стан­форд­ско­го ли­ней­но­го ус­ко­ри­те­ля цен­тре. Для об­ра­бот­ки дан­ных, по­сту­паю­щих с БАК, соз­да­на од­на из круп­ней­ших грид-сис­тем, в ко­то­рой вир­туаль­ный су­пер­ком­пь­ю­тер об­ра­зу­ет­ся из кла­сте­ров ком­пь­ю­те­ров, со­еди­нён­ных в сеть и ра­бо­таю­щих над од­ной за­да­чей. В со­став грид-сис­те­мы БАК вхо­дит 170 вы­чис­лит. цен­тров из 36 стран. Сис­те­ма име­ет ие­рар­хич. струк­ту­ру: ну­ле­вой уро­вень – ЦЕРН (по­лу­че­ние ин­фор­ма­ции с де­тек­то­ров, сбор и хра­не­ние «сы­рых» на­уч. дан­ных), пер­вый уро­вень – 12 ин-тов, по­лу­чаю­щих вы­де­лен­ные под­мно­же­ст­ва ис­ход­ных дан­ных для ре­зерв­но­го хра­не­ния и, при не­об­хо­ди­мо­сти, про­ве­де­ния по­втор­ных рас­чё­тов (один из та­ких ин-тов рас­по­ло­жен в Рос­сии – в Объ­е­ди­нён­ном ин­сти­ту­те ядер­ных ис­сле­до­ва­ний, ОИЯИ). Мно­го­числ. цен­тра­ми вто­ро­го уров­ня слу­жат ор­га­ни­за­ции, об­ла­даю­щие хо­ро­ши­ми вы­чис­лит. ре­сур­са­ми. Бо­лее 85% всех вы­чис­лит. за­дач БАК вы­пол­ня­ет­ся вне ЦЕРН, из них бо­лее 50% – в цен­трах вто­ро­го уров­ня. Ана­ло­гич­ную грид-сис­те­му пла­ни­ру­ет­ся ис­поль­зо­вать для об­ра­бот­ки дан­ных экс­пе­ри­мен­та MPD (от англ. Multi Pur­pose Detector, мно­го­це­ле­вой де­тек­тор), про­ве­де­ние ко­то­ро­го пла­ни­ру­ет­ся на со­ору­жае­мом в ОИЯИ тя­же­ло­ион­ном кол­лай­де­ре.

Ускорительная секция

Когда частицы только-только «впрыснуты» из предварительного ускорителя в основной, они обладают еще слишком малой энергией, и их нужно ускорять. Это осуществляется в специальной ускорительной секции — клистроне. Клистрон — это специальная вакуумная камера причудливой формы, отдаленно напоминающий пустую микроволновку. В этой камере возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, частота и фаза которой тщательно согласованы с пролетающими сгустками: когда очередной сгусток влетает в ускорительную секцию, сильное электрическое поле его подталкивает вперед.

Литература

• Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И. Индукционный ускоритель электронов — бетатрон. Госатомиздат, 1961.
• Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.
• A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
• Бабат Г. И. Ускорители. — : Мол. гвардия, 1957. — 80 с. — 50 000 экз.
• Ратнер, Б. С. Ускорители заряженных частиц. — М.: Наука, 1966. — 151 с.
• Комар, Е. Г. Ускорители заряженных частиц. — М.: Атомиздат, 1964. — 388 с.
• Ливингстон, М. Стенли. Ускорители. Установки для получения заряженных частиц больших энергий. — М.: Изд-во иностр. лит., 1956. — 148 с.

• Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. — М.: Высшая школа, 1983. — 288 с.

Магнитные линзы

Частицы, летящие в пучке друг рядом с другом, имеют одинаковые электрические заряды и поэтому отталкиваются. В результате пучок стремится расплыться в поперечном направлении. Для предотвращения этого расхождения пучок приходится постоянно фокусировать. Этим занимаются специальные квадрупольные магниты, расставленные вдоль ускорительного кольца, — «магнитные линзы».

Самая важная пара магнитных линз установлена непосредственно перед входом встречных пучков в детектор — эти линзы называют «финальные квадруполи». Именно там частицы из встречных пучков должны будут столкнуться, чтобы породить новые тяжелые частицы. Вероятность столкновения тем выше, чем «туже» сфокусированы пучки в месте встречи: если диаметр «пятна фокусировки» в каждом пучке уменьшить в два раза, то частота столкновений возрастет в 16 раз.

Далее: Основные компоненты детектора

Читайте также:

Что такое объем двигателя?... Что такое независимая подвеска – многоры... Что такое лобовое стекло?... Что такое аварийные сигналы?...