Знаете ли вы, что самый большой в мире ускоритель частиц, БАК (Большой адронный коллайдер), находится в ЦЕРНе недалеко от Женевы, точнее, на границе Франции и Швейцарии? На рисунке 1 показана аэрофотосъемка с окружностью туннеля, находящегося на глубине 100 м под землей, длиной около 27 км, в котором протоны разгоняются до скорости — 0,999999991 от скорости света.
ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) была создана в 1953 году и объединяет 20 государств-членов.
Ученые со всего мира приезжают в ЦЕРН, проводят эксперименты по столкновениям частиц на БАК, на основе которых они хотят ответить на главный вопрос: «Какова природа нашей Вселенной, из чего она состоит?».
На рисунке 2 показаны снимки из туннеля БАК. Именно вдоль проложенной «трубы», в ее центральной части, параллельно друг другу проходят встречные вращающиеся пучки протонов. В определенных точках этого пути, где расположены детекторы, протоны пересекаются и происходят их столкновения.
На рисунке 3 показан «открытый» (фото относится к периоду сборки этой мощной конструкции) детектор CMS. Кроме него, есть еще три: ATLAS, ALICE и LHCb.
Очень интересно, но как это связано с названием этой статьи… Ну, циклотрон — это, можно сказать, прототип ускорителя в ЦЕРНе. Циклотрон, о котором мы будем говорить здесь, является простейшим циклическим ускорителем.
Циклотрон — это резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы движутся в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
Википедия
Циклотрон не подходит для получения энергий, значительно превышающих энергию покоя частиц. Поэтому он не используется для ускорения электронов.
Циклотрон используется в физике для запуска ядерных реакций. Но его также используют в медицине. Здесь он используется для получения радионуклидов в диагностических целях. В Германии, например, имеется около 25 циклотронных установок для производства этих радионуклидов.
Принцип работы циклотрона
В наиболее часто используемых ускорителях заряженных частиц — циклических ускорителях — для ускорения частиц мы используем как электрические, так и магнитные поля. Сначала это может показаться странным, ведь магнитное поле не способно ускорить частицу.
Магнитная сила, часто называемая силой Лоренца, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле, перпендикулярна вектору скорости υ и, следовательно, перпендикулярно вектору перемещения Δr . Если мы напишем определение работы силы F в виде AF = F * Δr * cos∡( F , Δr ), то мы видим, что работа силы, действующей под углом 90° к перемещению тела, равна нулю. Поэтому и работа магнитной силы (всегда!) равна нулю. Эта сила не может изменить кинетическую энергию заряженной частицы — она не может ускорить ее. Вместо этого она меняет направление своего движения! И именно этот факт используется в циклических ускорителях — циклотронах.
Циклотрон
Идея ускорения заряженной частицы в электрическом поле показана на рисунке 4.
Положительно заряженная частица попадает в электрическое поле. На нее действует электрическая сила, направленная в виде линий поля (вектор напряженности электрического поля E ) в соответствии со скоростью частицы — частица ускоряется.
Давайте воспользуемся энергетическим подходом. Электрическая сила совершает положительную работу над частицей. Эта работа, как работа результирующей силы, действующей на частицу, равна увеличению кинетической энергии частицы. Мы можем записать: Ael = ΔEk .
Мы можем выразить работу электрического поля через разность потенциалов между точками поля, пересекаемыми частицей: Ael = q * ( V + — V — ) где V + — потенциал положительного электрода, а V — — потенциал отрицательного электрода. Разность этих потенциалов равна U.
Наибольшее генерируемое напряжение, полученное с помощью генераторов Ван де Граафа, примененных к модулю ускорения частиц, составляет около 10 МВ. Поэтому протон, выходящий из такого модуля, будет иметь кинетическую энергию 10 МэВ. Если мы хотим придать ему больше энергии, мы должны много раз «пропустить» его через модуль ускорения. Это происходит, например, в линейном ускорителе, в котором модули расположены последовательно.
Вы можете использовать магнитное поле, чтобы развернуть частицу и заставить ее пройти через тот же ускоряющий модуль. Конечно, вы можете делать это многократно, вызывая многократное увеличение кинетической энергии частицы. В конце концов, частица приобретет кинетическую энергию Ek = n * e * U, где n — число эпизодов прохождения частицы через электрическое поле. Этой блестящей идеей мы обязаны создателю циклотрона Эрнесту Лоуренсу (см. рисунок 5), который в 1939 году получил за свое изобретение Нобелевскую премию.
Циклотроны
Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).
Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.
Первый циклотрон (справа), построенный Эрнестом Лоуренсом (слева) в 1931 году, умещался на ладони и разгонял протоны всего до 0,08 МэВ. Фото с сайтов nuclphys.sinp.msu.ru и www.scienceclarified.com
Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.
Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.
К концу 1940-х годов циклотроны выросли до размеров небольшого здания. На фото — 184-дюймовый циклотрон в Университете Беркли в Калифорнии, разгонявший частицы до 100 МэВ
Синхрофазотроны
В. И. Векслер придумал, как разгонять частицы до еще больших энергий. Так появились синхротроны
Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.
В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.
Циклотрон
Циклотро́н (от цикло. и . трон ), циклический резонансный ускоритель заряженных частиц ( протонов и ионов ). Представляет собой кольцеобразный электромагнит , между полюсами которого помещена вакуумная камера с ускоряющими электродами внутри. Частицы ускоряются локализованным между электродами высокочастотным электрическим полем постоянной частоты с напряжённостью порядка 10 кВ/см, многократно проходя ускоряющий зазор и двигаясь по спиральной траектории в постоянном по времени магнитном поле, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц. Частота обращения частиц в циклотроне почти не зависит от их скорости (энергии): при многократном прохождении ускоряющего зазора вместе со скоростью частицы увеличивается и радиус её движения, а также средняя (по азимуту) величина магнитного поля.
Циклотрон изобретён в 1929 г. Э. О. Лоуренсом ; в 1931 г. в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета (ныне Берклиевская национальная лаборатория ) осуществлена первая экспериментальная демонстрация его действия: на 4-дюймовом (по диаметру полюса электромагнита) циклотроне ионы молекулярного водорода были ускорены до энергии 80 кэВ. В СССР первый циклотрон с диаметром полюса 1 м построен в Радиевом институте в 1937 г. Через год ускоритель был введён в эксплуатацию, ток ускоренных до 6 МэВ дейтронов составил примерно 40 мкА.
В циклотроне можно выделить следующие основные системы: магнитная (электромагнит с источником постоянного тока), ускоряющая (полые электроды и генератор высокочастотного напряжения), ионный источник , вакуумная камера со средствами откачки, система вывода. Ток пучка частиц на выходе из циклотрона составляет от нескольких сотен наноамперов до единиц миллиамперов, сам пучок является квазинепрерывным.
Циклотроны подразделяют на классические (с почти однородным, немного спадающим от центра к радиусу вывода частиц магнитным полем между полюсами) и изохронные (с пространственной вариацией магнитного поля и ростом его среднего по азимуту значения от центра к краям электромагнита). Вариация поля создаётся при помощи переменного по азимуту и радиусу зазора между полюсами электромагнита. Существуют циклотроны с т. н. разделёнными секторами, в которых магнитная система всего ускорителя состоит из нескольких отдельно расположенных магнитов-секторов.
Энергия пучка, получаемого на современных циклотронах, лежит в диапазоне от единиц до нескольких сотен мегаэлектронвольтов. Циклотроны производятся на коммерческой основе и используются преимущественно для решения прикладных задач, а не для фундаментальных исследований. Так, циклотроны применяют в радиационной медицине для облучения ионными пучками злокачественных опухолей , при производстве изотопов , изготовлении фильтров на основе трековых мембран, для улучшения свойств полимерных материалов, модификации кристаллов .
Опубликовано 17 августа 2023 г. в 17:05 (GMT+3). Последнее обновление 29 января 2024 г. в 12:31 (GMT+3). Связаться с редакцией
