Ускорители

    Для того чтобы исследовать свойства материи на расстояниях меньше чем 10^-12 см. необходимо иметь пучки ускоренных частиц, энергия которых превышает десятки МэВ. Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетической энергии налетающей частицы в результате взаимодействия с другой частицей. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.
    Создание первых ускорителей Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном, Р. Ван-де-Графом, Э. Лоуренсом в 1931-32 гг. открыло новую эру в ядерной физике. Экспериментаторы получили в свое распоряжение удобные инструменты, на которых можно было получать пучки ускоренных заряженных частиц с энергией от нескольких десятков кэВ до десятков МэВ. Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ.
    В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы.
    В ускорителях прямого действия (ускоритель Ван-де-Граафа) заряженная частица имеющая заряд Ze ускоряется в постоянном электромагнитном поле, приобретая кинетическую энергию T соответствующую высокому напряжению V создаваемому источником.

T = ZeV.

В таких ускорителях частицы могут приобретать энергию до ~10 МэВ. Их существенным преимуществом является непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка (~0.01%) .
    Ток пучка на ускорителях Ван-де-Граафа может достигать нескольких миллиампер. В циклотроне частицы ускоряются переменным электромагнитным полем постоянной частоты. Частицы ускоряются от нулевых энергий до максимальных, двигаясь по раскручивающейся спирали увеличивающегося радиуса R, в постоянном магнитном поле B.

R = cp/300ZB.

где cp - импульс частицы, умноженный на скорость света, измеряется в МэВ, B - индукция магнитного поля, измеряется в Теслах, R - измеряется в метрах. Обычно циклотроны используются для ускорения протонов и ионов. Предельная энергия для протонов в циклотронах составляет ~20 МэВ при поле В ~ 2 Тесла и частоте ускоряющего поля 30 МГц.
    Первый бетатрон для ускорения электронов был построен в 1940 г. Д. Керстом. Бетатрон - это индукционный ускоритель, в котором электроны удерживаются на равновесной круговой орбите растущим синхронно с увеличением энергии магнитным полем. Ускорение происходит за счёт вихревого электрического поля создаваемого переменным магнитным потоком внутри равновесной орбиты. В бетатронах энергия ускоренных электронов может достигать сотни МэВ. Дальнейший рост энергии электронов ограничивается электромагнитным излучением. Наибольшее распространение получили бетатроны на энергию 20 - 50 МэВ.

    Электроны высоких энергий получают в ускорителях двух типов

-электронных синхротронах.

-электронных линейных ускорителях.

    В 1944-45 годах В. Векслер и независимо от него Э. Макмиллан открыли принцип автофазировки, что привело к появлению новых типов ускорителей - синхротронов. Разработка метода сильной фокусировки позволило получать уникальные по своим параметрам пучки (с малыми поперечными размерами, высокой интенсивностью, большими энергиями).
    Первые ускорители высоких энергий были построены в Дубне (ОИЯИ), вблизи Женевы (CERN) и Брукхевене (BNL).
    В синхротронах ускоряемые частицы двигаются в магнитном поле по постоянному радиусу. Частота ускоряющего поля тоже постоянна. В процессе ускорения увеличивается величина магнитного поля. Энергии электронов, полученные на синхротронах, составляют десятки ГэВ и ограничиваются синхротронным излучением электронов движущихся по круговой орбите.
    Для того чтобы избежать потерь энергии на синхротронное излучение строят линейные ускорители электронов длиной несколько км. Ускорение частиц в таких ускорителях достигается за счет того, что движущаяся частица попадает в ускоряющий зазор в ускоряющую фазу. Движение частицы синхронизировано так, чтобы время прохождения от одного ускоряющего зазора до другого было кратно периоду ускоряющего поля. Самый большой линейный ускоритель электронов построен в Стэнфорде. Он имеет длину более 3 км. и ускоряет электроны до энергии 20 ГэВ.
    Для ускорения протонов высокой энергии используют протонные синхротроны. В протонных синхротронах частота ускоряющего напряжения увеличивается синхронно с величиной магнитного поля так, что протоны двигаются по круговой траектории постоянного радиуса. Преимуществом синхротронов является то, что в этих ускорителях магнитное поле создаётся в виде узкой кольцевой дорожки. В1972 г. наибольшая энергия была получена на ускорителе ИФВЭ (Серпухов) - 76 ГэВ. В 1987 г. на протонном синхротроне лаборатории Э. Ферми (США) была получена энергия ~1000 ГэВ.
    В таблице приведено несколько примеров ускорителей протонов и электронов с энергией больше 1 ГэВ. Во всех случаях за исключением ускорителя SLAC это синхротроны. Ускоритель SLAC является линейным ускорителем. В табл. 1 приведены типы ускоряемых частиц и энергии.

Таблица 1

    В этих ускорителях ускоряемый пучок падает на неподвижную мишень. Однако по мере увеличения энергии налетающих частиц все большая часть энергии пучка бесполезно расходуется на движение центра масс образующейся системы. Если же сталкиваются между собой два пучка этого можно избежать, так как при лобовом столкновении двух пучков частиц с одинаковыми массами и одинаковыми энергиями центр масс будет оставаться неподвижным. Однако, чтобы при этом сталкивающиеся пучки эффективно взаимодействовали, необходимо создать в области столкновения высокую плотность частиц. Ускорители такого типа были созданы и получили название ускорителей на встречных пучках или коллайдеров. Первые электронные коллайдеры были построены в 1965 году в ИЯФ (Новосибирск) и Стенфордской национальной лаборатории. В 1971 году был построен первый протонный коллайдер, а в 1985 году - протон-антипротонный коллайдер. Основной недостаток ускорителей на встречных пучках малая плотность сталкивающихся частиц по сравнению с ускорителями с неподвижной мишенью. В табл. 2 приведены примеры нескольких коллайдеров физики высоких энергий.

Таблица 2

    На ускорителе HERA (Германия) сталкиваются встречные пучки электронов (позитронов) с энергией 30 ГэВ и протонов с энергией 820 ГэВ. Для повышения интенсивности сталкивающихся пучков используют накопительные кольца, в которых ускоренные пучки перед столкновением накапливаются в течение сотен циклов ускорения.
    Современные ускорители - это комплексы, состоящие из нескольких ускорителей. На рис. 1 показан ускорительный комплекс CERN, он носит название LHC (Large Hadron Collider), в котором планируется сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ в системе центра масс. Предполагается также ускорять ядра свинца с суммарной энергией столкновения 1150 ТэВ. Кинетическая энергия летящего москита приблизительно 1 ТэВ.

    Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в протонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в LHC, где до недавнего вреени ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP. Ускоритель LEP был остановлен в 2000 г. на реконструкцию. После реконструкции в ускорителе LHC, расположенном в том же туннеле, что и LEP, будут ускоряться протоны 7х7 ТэВ. Инжектором протонов является линейный ускоритель Proton ion linacs.
    Одной из важных характеристик ускорителя является отношение длительности импульса излучения t_изл к длительности интервала времени Т между последовательными импульсами излучения. Ускорители, в которых t_изл ~ Т   называются ускорителями с непрерывными пучками. На ускорителях с непрерывными пучками наиболее удобно проводить эксперименты, в которых необходимо регистрировать большое число частиц образующихся в одном цикле ускорения.
    На рис. 2 схематически показан крупнейший в мире ускоритель электронов, на котором получены непрерывные пучки электронов. Основным элементом ускорителя электронов непрерывного действия CEBAF являются сверхпроводящие ускоряющие структуры. Электроны испущенные инжектором с энергией 40 МэВ ускоряются в двух линейных ускорителях, соединенных с обоих концов пятью поворотными арками. Ускорение в каждом из линейных ускорителей обеспечивается 40 ниобиевыми ускоряющими структурами разделенными на 8 криомодулей, охлаждаемых жидким гелием. Ускоряющие структуры имеют минимальный градиент ускорения 5 МэВ на метр и частоту 1.5 ГГц. На каждом круге электроны получают ускорение около 800 МэВ, что позволяет достичь максимальной энергии пучка 6 ГэВ после пяти оборотов.

Пучок электронов одновременно доставляется в три экспериментальных зала А, В и С. Пучок состоит из микросгустков разделенных приблизительно на 0.67 нс, которые могут быть ускоренны до различных энергий проходя различное количество оборотов в ускорителе. Таким образом, экспериментальные залы могут получать пучок различными величинами энергии, кратными энергии получаемой за один оборот. Кроме того, сгустки могут иметь различную плотность электронов, что дает возможность доставлять в экспериментальные залы пучок с различными значениями тока. Из за отсутствия синхротронного излучения размывание энергии пучка очень маленькое ΔЕ/Е ~ 10^-4. Ускоритель позволяет получать любые величины тока пучка в пределах от 100 нА до 100 мкА.
    Экспериментальные залы оборудованы различными спектрометрами для выполнения их физических программ:

1. Зал А оборудован двумя спектрометрами высокой разрешающей способности (HRS) с
   Δр/р < 10^-4 и максимальным импульсом регистрируемых электронов и адронов до 4 ГэВ.
2. Зал С содержит два магнитных спектрометра среднего разрешения Δр/р < 10^-3, но для различных импульсов регистрируемых частиц: спектрометр больших импульсов (HMS) и спектрометр малой орбиты (SOS) имеют максимальные импульсы регистрируемых частиц
   7 ГэВ и 1.8 ГэВ соответственно.
3. Зал В оборудован спектрометром большого аксептанса (CLAS) предназначенным для измерений эксклюзивных, многочастичных реакций.

    Планируется к 20 существующим криогенным ускорительным модулям в каждом из ускорителей добавить по 5 криогенных модуля, что повысит энергию ускоренных электронов до 12 ГэВ.

    Для исследований также используются вторичные пучки частиц, которые рождаются после взаимодействия первичного ускоренного пучка частиц с мишенью. Используя электромагнитные сепараторы и коллиматоры из огромного числа частиц образующихся на мишени можно выделить частицы определённого типа и определенного импульса. Так, в частности, могут быть получены вторичные пучки π- и K- мезонов. Вторичные пучки π-мезонов можно использовать для образования нейтринных пучков, которые получаются при распаде π-мезонов.

π^-μ^- + _μ,
π⁺μ⁺ + ν_μ.

Чистый пучок нейтрино можно получить, фильтруя образующиеся частицы через толстый поглотитель.
    В ядерной физике таким способом получают вторичные пучки радиоактивных ядер, время жизни которых может составлять несколько миллисекунд.

Более подробно об ускорителях можно прочитать в разделе "Эксперимент".

15.12.13