Циклічні прискорювачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

План

Вступ

Розділ 1. Загальна характеристика прискорювачів

1.1 Історія розвитку прискорювачів

1.2 Класифікація прискорювачів

Розділ 2. Циклічні прискорювачі зі сталим полем

2.1 Циклотрон

2.2 Ізохронний циклотрон

2.3 Фазотрон

2.4 Мікротрон

Розділ 3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти

3.1 Бетатрон

3.2 Синхротрон

3.3 Синхрофазотрон

3.4 Колайдер

Висновок

Література



Вступ

В ядерних дослідженнях основними джерелами частинок високих енергій у наш час є прискорювачі. Збільшення енергії заряджених частинок у прискорювачах відбувається внаслідок дії на них електричного поля. Прискорювальні частинки не повинні зазнавати зіткнень з молекулами повітря. З цією метою їх прискорюють у вакуумі, а тому всі прискорювачі є вакуумними установками. За способом розгону частинок прискорювачі можуть бути нерезонансними та резонансними. За формою траєкторії руху прискорених частинок прискорювачі поділяють на лінійні і циклічні.

Прискорювачі - це досить складні установки. За обладнанням і принципом дії вони відносяться до фізичної електроніки і радіотехніки надвисоких частот. Залежно від прискорювальних частинок розроблені різні типи прискорювачів. Так, прискорювачі для протонів, б-частинок та важких іонів непридатні для прискорення електронів. Енергія прискорених заряджених частинок змінюється в межах від декількох МеВ до сотень гігаелектрон-вольт (ГеВ). Верхня межа визначається не принциповими утрудненнями, а рівнем розвитку техніки прискорювачів. Ця межа постійно підвищується приблизно на порядок за десятиріччя.

Актуальністю моєї курсової роботи є те, що роль прискорювачів у ядерній фізиці і особливо у фізиці елементарних частинок вирішальна. Крім застосування у фізиці ,прискорювачі використовуються в хімії, біофізиці, геофізиці, медицині та ін.

Метою моєї курсової роботи є з'ясувати основні принципи роботи циклічних прискорювачів та розглянути їх будову, історію розвитку та класифікацію. В даній курсовій роботі три. В першому описується історія розвитку прискорювачів та їх класифікація. В другому розглянуто циклічні прискорювачі зі сталим полем, в третьому - циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти.



Розділ 1. Загальна характеристика прискорювачів

1.1 Історія розвитку прискорювачів

Поштовхом до розвитку прискорювачів заряджених частинок послужили дослідження будови ядра, що вимагали потоків заряджених частинок високої енергії. Природні джерела заряджених частинок, що застосовувалися спочатку, - радіоактивні елементи - були обмежені як по інтенсивності, так і по енергії частинок, що випускаються. З моменту здійснення першого штучного перетворення ядер (1919 р., Э. Резерфорд ) за допомогою потоку б-частинок від радіоактивного джерела почалися пошуки способів отримання пучків прискорених частинок.

У початковий період (1919-1932 рр.) розвиток прискорювачів йшов по шляху отримання високої напруги і їх використання для безпосереднього прискорення заряджених частинок. У 1931 р. американським фізиком Р. Ван-де-Граафом був побудований електростатичний генератор, а в 1932 р. англійським фізики Дж. Кокрофт і Э. Уолтон в лабораторії Резерфорда розробили каскадний генератор. Ці установки дозволили отримати потоки прискорених частинок з енергією близько мільйона електрон-вольт (Мев). У 1932 р. вперше була здійснена ядерна реакція, що порушується штучно прискореними частинками, - розщеплювання ядра літію протонами.

Період 1931-1944 років - час зародження і розквіту резонансного методу прискорення, при якому прискорювані частинки багато разів проходять прискорюючий проміжок, набираючи велику енергію навіть при помірній прискорюючій напрузі. Засновані на цьому методі циклічні прискорювачі - циклотрони - незабаром обігнали в своєму розвитку електростатичні прискорювачі. До кінця періоду на циклотронах була досягнута енергія протонів близько 10-20 МеВ. У 1940 р. американський. фізик Д. У. Керст реалізував циклічний індукційний прискорювач електронів (бетатрон), ідея якого раніше вже висувалася (амер. фізик Дж. Слепян, 1922; швейц. фізик Р. Відерое, 1928). Розробка прискорювачів сучасного типу почалася з 1944 р., коли радянський фізик В. И. Векслер і незалежно від нього (дещо пізніше) американський фізик Э.М. Макміллан відкрили механізм автофазування, що діє в резонансних прискорювачах і дозволяє істотно підвищити енергію прискорених частинок. На основі цього принципу були запропоновані нові типи резонансних прискорювачів - синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, мікротрон. В цей же час розвиток радіотехніки зробив можливим створення ефективних резонансних лінійних прискорювачів електронів і важких заряджених частинок.

На початку 50-х рр. був запропонований принцип знакозмінного фокусування частинок (амер. учений Н. Крістофілос, 1950; Е. Курант, М. Лівінгстон, Х. Снайдер, 1952), істотно підвищила технічну межу досяжних енергій, в циклічних і лінійних прискорювачах заряджених частинок . В 1956 р. Векслер опублікував роботу, в якій була висунута ідея когерентного, або колективного, методу прискорення частинок.

Наступні два десятиліття можна назвати роками реалізації цих ідей і технічного удосконалення прискорювачів заряджених частинок. Для прискорення електронів перспективнішими виявилися лінійні резонансні прискорювачі. Найбільший з них, на 22 ГеВ, був запущений в 1966 р. американським фізиком В. Панофським (США, Стенфорд). Для протонів найбільші енергії досягнуті в синхрофазотронах. У 1957 р. в СРСР (Дубна) був запущений найбільший для того часу синхрофазотрон - на енергію 10 ГеВ. Через декілька років в Швейцарії і США вступили в лад синхрофазотрони з сильним фокусуванням на 25-30 ГеВ, а в 1967 р. в СРСР під Серпуховом - синхрофазотрон на 76 ГеВ, який протягом багатьох років був найбільшим в світі. У 1972 р. в США був створений синхрофазотрон на 200-400 ГеВ. У СРСР і США розробляються проекти прискорювачів на 1000-5000 ГеВ. В середині 1990-х років найбільшим протонним синхротроном був «Теватрон» Національної прискорювальної лабораторії ім. Э.Фермі в Батавії (США). Як підказує сама назва, «Теватрон» прискорює згустки протонів в кільці діаметром 2 км. до енергії близько 1 ТеВ. Сучасний розвиток прискорювачів йде як по шляху збільшення енергії прискорених частинок, так і по шляху нарощування інтенсивності (сили струму) і тривалості імпульсу прискореного пучка, поліпшення якості пучка (зменшення розкиду по енергії, поперечним координатам і швидкостям). Паралельно з розробкою нових методів прискорення удосконалюються традиційні методи: досліджуються можливості застосування надпровідних матеріалів (і відповідної ним техніки низьких температур) в її прискорюючих системах, що дозволяють різко скоротити розміри систем і енергетичні витрати; розширюється область застосування методів автоматичного управління в прискорювачах; прискорювачі доповнюються нагромаджувальними кільцями, що дозволяє досліджувати елементарні взаємодії в стрічних пучках. При цьому особлива увага приділяється зменшенню вартості установок.

1.2 Класифікація прискорювачів

Прискорювачі заряджених частинок можна класифікувати за різними ознаками.

За типом прискорюваних частинок розрізняють електронні прискорювачі, протонні прискорювачі і прискорювачі іонів.

По характеру траєкторій частинок розрізняють лінійні прискорювачі (точніше, прямолінійні прискорювачі), в яких траєкторії частинок близькі до прямої лінії, і циклічні прискорювачі, в яких траєкторії частинок близькі до кола (або спіралі).

По характеру прискорюючого поля прискорювачі заряджених частинок ділять на резонансні прискорювачі, в яких прискорення проводиться змінним високочастотним (ВЧ) електромагнітним полем і для успішного прискорення частинки повинні рухатися в резонанс із зміною поля, і нерезонансні прискорювачі, в яких напрям поля за час прискорення не змінюється. Останні у свою чергу діляться на індукційні прискорювачі, в яких електричне прискорююче поле створюється за рахунок зміни поля , і високовольтні прискорювачі, в яких прискорююче поле обумовлене безпосередньо прикладеною різницею потенціалів.

Більш детальна характеристика прискорювачів заряджених частинок представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 - Класифікація прискорювачів заряджених частинок



Розділ 2. Циклічні прискорювачі зі сталим полем

2.1 Циклотрон

Циклотрон - циклічний прискорювач нерелятивістських важких заряджених частинок (протонів, іонів), в якому частинки рухаються в постійному і однорідному магнітному полі, а для їх прискорення використовується високочастотне електричне поле незмінної частоти.

Рис. 2.1 - Перша працююча модель циклотрона

Рис. 2.2 - Модель циклотрона С. Лівінгстоун і Э. Лоуренс



У 1930 році Э. Лоуренсом (США) був створений перший циклічний прискорювач - циклотрон на енергію протонів 1 МеВ (його діаметр був 25 см). На рис. 2.1 показана перша модель працюючого циклотрона. С.Лівінгстоун і Э. Лоуренс створили 27-дюймовий циклотрон, який широко використовували в експериментальних дослідженнях ядерних реакцій і штучної радіоактивності. У винайденому ними циклотроні пучок екранується від дії електричного поля в той напівперіод, коли воно діє заторможуючи.

Заряджена частинка з масою m і зарядом q, рухається із швидкістю v в магнітному полі H, направленому перпендикулярно її швидкості, описує в цьому полі коло радіусом R = mv/qH. Оскільки прискорення приводить до збільшення швидкості v, зростає і радіус R. Таким чином, протони і важкі іони рухаються по спіралі, що розкручується, все зростаючого радіусу. При кожному оберті по орбіті пучок проходить через щілину між дуантами - високовольтними порожнистими D-подібними електродами, де на нього діє високочастотне електричне поле (рис.2.3 та рис. 2.4).

Рис. 2.3 - Схема циклотрона



Рис. 2.4 - Схема циклотрона

На рис. 2.3. зображені порожнисті дуанти циклотрона. Полярність напруги на дуантах міняється після кожного півоберта, так що частинки прискорюються в щілині, досягнувши точки А, потім точки В і т.д. впродовж великого числа обертів.

Лоуренс поміркував, що час між проходженнями пучка через щілину у разі нерелятивістських частинок залишається постійним, оскільки зростання їх швидкості компенсується збільшенням радіусу. Впродовж тієї частини періоду звернення, коли високочастотне поле має невідповідну фазу, пучок знаходиться поза щілиною. Частота звернення задається виразом:

(2.1)

де f - частота змінної напруги [Мгц], Н - напруженість магнітного поля [Тл], а m - маса частинки [МеВ]. Якщо величина H постійна в тій області, де відбувається прискорення, то частота f, очевидно, не залежить від радіусу.

Для прискорення іонів до високих енергій необхідно лише, щоб магнітне поле і частота високовольтної напруги відповідали умові резонансу; тоді частинки двічі за поворот проходитимуть через щілину між дуантами в потрібний момент часу. Для прискорення пучка до енергії 50 МеВ при прискорюючій напрузі 10 КеВ буде потрібно 2500 оборотів. Робоча частота протонного циклотрона може складати 20 Мгц, так що час прискорення - близько 1 мс.

Як і в лінійних прискорювачах, частинки в процесі прискорення в циклотроні повинні фокусуватися в поперечному напрямі, інакше всі вони, окрім інжектованих з швидкостями, паралельними полюсним наконечникам магніта, випадуть з циклу прискорення. У циклотроні можливість прискорення частинок з кінцевим розкидом по кутах забезпечується магнітним полем особливої конфігурації, при якій на частинки, що виходять з площини орбіти, діють сили, що повертають їх в цю площину. На жаль, на вимоги стабільності згустка прискорюваних частинок фокусуючий компонент магнітного поля повинен зменшуватися із збільшенням радіусу. А це суперечить умові резонансу і приводить до ефектів, що обмежують інтенсивність пучка. Інший істотний чинник, що знижує можливості простого циклотрона, - релятивістське зростання маси, як необхідний наслідок збільшення енергії частинок:

(2.2)

У разі прискорення протонів синхронізм порушуватиметься із-за релятивістського приросту маси приблизно при 10 МеВ. Один із способів підтримки синхронізму - модулювати частоту прискорюючої напруги так, щоб вона зменшувалася у міру збільшення радіусу орбіти і збільшення швидкості частинок. Частота повинна змінюватися згідно із законом

(2.3)



Такий синхроциклотрон може прискорювати протони до енергії в декілька сотень МеВ. Після того, як частинки досягають вищої енергії і виводяться з прискорювача, частота повертається до свого початкового значення і в прискорювач вводиться новий згусток частинок.

Але навіть при оптимальній конструкції магніта і якнайкращих характеристиках системи підведення високочастотної потужності можливості циклотронів обмежуються практичними міркуваннями: для утримання на орбіті прискорюваних частинок з високою енергією потрібні надзвичайно великі магніти. Так, маса магніта циклотрона на 600 МеВ, спорудженого в лабораторії ТРІУМФ в Канаді, перевищує 2000 т, і він споживає електроенергію близько декілька мегават. Тому для досягнення вищих енергій при практично прийнятних витратах потрібні нові принципи прискорення.

Недоліком циклотрона є обмеження істотно нерелятивістськими енергіями частинок, так як не дуже великі релятивістські поправки порушують синхронність прискорення на різних витках і частинки з істотно збільшеними енергіями вже не встигають опинитися у зазорі між дуантами в потрібній для прискорювача фазі електричного поля. В звичайних циклотронах протони можна прискорювати до 20-25МеВ.

Для прискорення важких частинок в режимі спіралі яка розкручується до енергії в десятки разів більших ( до 1000 МеВ) використовують модифікацію циклотрона, яка називається ізохронним циклотроном, а також фазотрон. В ізохронних циклотронах релятивістські ефекти компенсуються радіальним збільшенням магнітного поля.

2.2 Ізохронний циклотрон

Розроблені на основі принципу жорсткого фокусування циклотрони отримали назву ізохронних - частинка витрачає один і той же час на обертання навколо центральної осі, незалежно від радіуса траєкторії, по якій вона рухається. Ізохронні циклотрони повинні включати в себе по-різному фокусуючі поля, що знаходяться по довжині шляху слідування частинки. На відміну від синхротронів магнітне поле циклотронів створюється не на коловій орбіті , а в широкій області, що містить центр прискорювача. Аналіз показує, що області однакового поля вірогідніше розташовуються не вздовж радіусів, а вздовж викривлення, збігаючись в центрі ліній, що створює нагадування розетки. Немає ніякої потреби щоб магніт такого циклотрона цілком накривав його вакуумну камеру. Магніти можуть займати окремі - зігнуті - сектора, між якими розташовують зони, вільні від поля. При цьому прискорювач залишається циклотроном, тобто працює з постійним магнітним полем і з високочастотним полем незмінної частоти.

Рис. 2.5 - Ізохронний циклотрон У-240

Магнітне поле повинно змінюватися з радіусом так же, як і релятивіська маса частинки, тобто

H=HO/ (2.4)

Тоді частота обертання ? буде залишатися сталою, рівною частоті прискорюючого поля. Так як в=v/c=?r/c, то вказаній вимозі задовольняє магнітне поле виду:



H= (2.5)

При сталій ? прискорювачі, які використовують цей принцип, називають ізохронними циклотронами. Вони працюють в неперервному режимі і дають можливість отримувати сильні струми 0,1- 1 мА, що і звичайні циклотрони. Ізохронні циклотрони мають великі магніти, а тому досить дорогі.

Здавалося, що такі прискорювачі працювати не можуть, так як в них магнітне поле зростає з радіусом. Але виникаючу із-за цього вертикальну нестійкість вдається компенсувати азимутальною неоднорідністю магнітного поля досить складної форми. Розрахунки показують що це можна зробити до енергії не вище 1 ГеВ. Більшість ізохронних циклотронів проектуються і будуються для прискорення протонів до 50 - 100 МеВ.

2.3 Фазотрон

Фазотрон - це циклічний прискорювач важких заряджених частинок (протонів, іонів), в якому частинки рухаються в постійному и однорідному магнітному полі і прискорюються у високочастотному електричному полі, яке зменшується по частоті.

У фазотроні використовується спосіб зміни частоти електричного поля. Фазотрон, або, як його іноді називають, синхроциклотрон, зберігає в собі майже всі риси свого попередника - циклотрона. Тут є електромагніт, але тільки збільшених розмірів, високочастотний генератор і вакуумна камера. Як і в циклотроні, прискорення починається від центру магніта. У момент впускання іонів в камеру частота електричного поля на дуантах близька до максимальної (точка t1 рис. 2.6). Вона відповідає нульовим швидкостям іонів і, отже, постійній масі. У міру збільшення швидкості іонів, частота зменшується до свого мінімального значення, яке відповідає найбільшій енергії іонів. Дещо раніше цього моменту прискорені частинки або ударяються у мішень, або виводяться назовні (точка t2). Після того, як частота досягне знову максимального значення, починається новий цикл прискорення.

Рис. 2.6 - Зміна частоти у фазотроні

Збільшення маси частинок при підвищенні їх швидкості не дозволяє в циклотронах повідомляти іонам енергію більше декількох десятків МеВ. При енергії 5 Мев швидкість протонів досягає 1/10 швидкості світла. Маса протона росте при цьому лише на 0,5 %, але цього достатньо щоб при кожному оберті протон відстав по фазі на 2° від змінної напруги; в результаті після декількох десятків обертів протон буде потрапляти в щілину між дуантами при протилежній фазі напруги, тобто електричне поле буде гальмувати його рух. Якщо до цього часу енергія протона досягла 15-20 МеВ, то далі вона буде зменшуватись и радіус спіралеподібної траєкторії протона почне зменшуватись.

Вихід з цього принципового затруднення (його називають релятивістським) був знайдений в 1944 р., коли В. І. Векслер в СРСР и незалежно від нього Мак-Миллан в США відкрили явище автофазування частинок в прискорювачах. Якщо частинка по якимось причинам пролітає між електродами, які створюють змінне прискорюючи поле, в «невідповідний» момент часу (в «невідповідну» фазу зміни цього поля), то при подальших прольотах ситуація стає кращою за рахунок автоматично виникаючих прискорювання чи сповільнювання частинок. Автофазування має місце при не дуже великих відхиленнях фази прольоту від нормального значення.

Тільки завдяки використанню явища автофазування стало можливим створення прискорювачів релятивістських частинок, які дають достатньо потужні пучки. В фазотроні зростання періоду обертання частинок за рахунок зростання її маси з енергією відповідно співвідношення (3.1) компенсується ростом періоду прискорюю чого поля

(2.6)

Т - період повного оберту іона; е - заряд іона; m - маса іона; Н - однорідне магнітне поле.

З цією метою в ланцюг високочастотного генератора вводять конденсатор, що обертається. Зміна його об'єму змінює частоту напруги, що подається на прискорюючі електроди. Завдяки автофазуванню період оберту частинок коливається біля значення періоду прискорюю чого поля, що змінюється.

Синхронізацію можна забезпечити і способом збільшення напруженості магнітного поля Н (пропорційно збільшенню масі іонів) до тих пір, доки прискорюючи група іонів не буде виділена з апарату. При такій синхронізації частота напруги, що подається на дуанти може бути постійною. Більш розповсюдженим є перший з указаних методів - зміна частоти при постійності магнітного поля.

Щоб отримати протони з енергією порядку 100 МеВ, використовуючи циклотрон, необхідно б було підвисити амплітуду напруги, що підводиться до дуантів, до 2 % млн. в. Фазотрон дозволяє отримувати протони з енергією 100 Мев при амплітуді високочастотної напруги всього 10-15 кев. Але фазотрон дає в десятки разів меншу іонну силу струму, чім циклотрон, так як в фазотроні прискорюється кожний раз тільки невелика група іонів, а саме тільки ті іони, рух яких починається в початку циклу зміни частоти.

Конструктивно фазотрони були розроблені в 1947р. Бробеком. Фазотрон, побудований в 1948 р. Каліфорнійським університетом в Беркли, дає протони з енергією порядка 300 МеВ і б- частинки з енергією 400 МеВ. Електромагніт цього фазотрона має полюси діаметром 4,6 метрів и важить 4000 т. На рис. (2.7) зображений фазотрон ФИАН СРСР. Він є одним з найбільших фазотронів, працюючого в СРСР з 1949 р., який належить Об'єднаному інституту ядерних досліджень. У цьому прискорювачі протони розганяються до енергії 680 МеВ. Магніт прискорювача має висоту триповерхового будинку і важить 7000 тонн. Діаметр його полюсів складає 6 метрів.

Рис. 2.7 - Фазотрон ФІАН СРСР: 1 - ярмо основного електромагніту; 2 - полюси електромагніту; 3 - вакуумна камера; 4 - потужний високочастотний генератор; 5 - потужний насос для створення високого вакууму в середині камери фазотрону; 6 - котушки електромагніту; 7 - вентиляційний трубопровід; 8 - експериментальна лабораторія, складена з бетонних плит; 9 - допоміжний відхилюючий електромагніт; 10 - захисна бетонна стіна



За допомогою фазотронів проводяться найважливіші дослідження взаємодії елементарних частинок і ядер. Були детально вивчені властивості р-мезонів і їх взаємодія. Одним з найбільш важливих результатів, отриманих на фазотронах, є висновок про зарядову незалежність ядерних сил. Досліди по розсіянню протонів і нейтронів на протонах показали, що протон і нейтрон можна рахувати як би двома станами однієї і тієї ж частинки нуклона. Якщо не враховувати ті явища, в яких позначається присутність у протона електричного заряду, обидві частинки поводяться абсолютно однаковим чином в самих різних ядерних процесах.

2.4 Мікротрон

Мікротрон - це циклічний прискорювач зі змінною кратністю прискорення.

Рис. 2.8 - Схема мікротрона

У циклотронах не можна прискорювати електрони по тій же схемі, як і протони, оскільки вони швидко досягають релятивістських швидкостей. Проте існують прискорювачі (мікротрони), в яких електрони, також як і протони в циклотроні, багато разів прискорюються імпульсами високочастотного електричного поля в постійному однорідному магнітному полі (принцип дії мікротрону запропонований в 1944 р. В. Векслером). У мікротроні (рис.2.8) частинки вводяться в прискорювальну камеру не в центральній частині магнітного поля, як в циклотроні, а на його краю. У місце введення частинок поміщається порожнистий прискорюючий резонатор. При кожному оберті електрони отримують енергію ? 0.5 МеВ і потрапляють в резонатор точно у момент прискорення на кожному витку (період n-го оберту кратний періоду першого оберту). Електрони рухаються по колу радіуса, що збільшується, причому всі кола торкаються усередині резонатора. Енергії електронів в “класичних” мікротронах зазвичай не перевищують 30 МеВ і обмежуються розмірами постійного магніта і зростаючими вимогами до однорідності його поля при збільшенні габаритів прискорювача.

Рис. 2.9 - Схема розрізного мікротрону

В даний час обмеження на енергії мікротронів зняті використанням його варіанту, названого розрізним мікротроном (запропонований А. Коломенським). Перехід від класичного мікротрону до розрізного можна пояснити за допомогою рис. 2.9. Якщо магніт класичного мікротрону “розрізати” на дві однакові частини уздовж пунктирної лінії АА і дві ці частини розсунути, залишивши прискорюючий резонатор між половинками магніта, то приходимо до схеми розрізного мікротрону. Тепер простір між магнітами дозволяє замінити невеликий резонатор, що допускає лише малий (?0.5 МеВ) приріст енергії, за оберт, на самостійний (лінійний) прискорювач з енергією 10 МеВ і більший і це дозволяє в багато разів збільшити кінцеву енергію електронів (є розрізні мікротрони на енергію 1 ГеВ).

Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону або схожою з нею в даний час використовується для генерації пучків електронів великої енергії в безперервному режимі. Річ у тому, що прискорювачі, як правило, працюють в імпульсному режимі, наприклад, електрони в них прискорюються протягом короткого тимчасового проміжку t, коли можливе прискорення, після чого слідує порівняно тривала пауза для повернення в режим нового циклу прискорення. Період часу Т між циклами прискорення зазвичай набагато більше тривалості електронного імпульсу (Т >> t). Характерна величина D = ?t/T, названа робочим циклом, ?10-3. Таким чином, для фізичних експериментів вдається використовувати лише 0.1% часу роботи прискорювача. Прискорення електронів по схемі розрізного мікротрону дозволяє здійснити безперервний режим роботи прискорювача, коли D рівний або близький до одиниці. Це досягається безперервністю режиму роботи основної прискорювальної структури (лінійного прискорювача), розташованої між розділеними частинами постійного магніту мікротрону. У мікротроні безперервної дії вся прискорювальна камера заповнена електронами, що знаходяться на всіх стадіях прискорення, - від початкової (тобто з найменшою енергією) до максимально можливої. Безперервний режим роботи такого прискорювача дозволяє використовувати для експериментів весь час його роботи і, тим самим, підвищити кількість актів взаємодії, що вивчається, за фіксований час в 1/D?103 рази, що особливо важливе для дослідження рідкісних подій.



Розділ 3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти

3.1 Бетатрон

Бетатрон - це індукційний прискорювач, в якому енергія електронів збільшується за рахунок вихрового електричного поля, що створюється магнітним потоком , що змінюється, направленим перпендикулярно до площини орбіти частинок. Електрони рухаються по круговій орбіті постійного радіусу в наростаючому в часі по синусоїдальному закону в магнітному полі (зазвичай промислової частоти 50 Гц). Утримання електронів на орбіті постійного радіусу забезпечується певним чином підібраним співвідношенням між величинами магнітного поля на орбіті і усередині неї.

Рис. 3.1 - Бетатрон: 1 - полюси магніта; 2 - розріз кільцевої вакуумної камери; 3 - центральний сердечник; 4 - електромагніт; 5 - ярмо магніта

Бетатрон конструктивно є великим електромагнітом, між полюсами якого розташована тороїдальна вакуумна камера. Електромагніт створює в зазорі між полюсами змінне магнітне поле напруженістю, яке в площині вакуумної камери створює вихрове електричне поле. У вакуумну камеру за допомогою інжектора на початку кожного періоду наростання магнітного поля (з частотою 50 Гц) вприскуються електрони, які захоплюються вихровим електричним полем в процес прискорення по круговій орбіті. В мить, коли магнітне поле досягає максимального значення, процес прискорення електронів припинявся і змінювався їх уповільненням, оскільки вихрове поле змінює напрям, а е.р.с. індукції - знак. Електрони, що досягли найбільшої енергії, зміщуються з рівноважної орбіти і або виводяться з камери, або прямують на спеціальну мішень усередині камери, названу гальмівною. Гальмування електронів в цій мішені в кулонівському полі ядер і електронів приводить до виникнення електромагнітного гальмівного випромінювання, максимальна енергія якого E? max рівна кінетичній енергії Ее її електронів в кінці прискорення: E? max = Ее. Гальмівні фотони летять у напрямі руху первинних електронів у вузькому конусі. Їх енергетичний спектр безперервний, причому, чим менша енергія фотонів, тим їх більше в гальмівному випромінюванні. Формування високоенергетичного електромагнітного ?-випромінювання гальмуванням високо енергійних електронів в мішені - найбільш простий і ефективний спосіб створення пучка ?-квантів високої енергії для експериментів в області ядерної фізики і фізики елементарних частинок.

Бетатрони переважно і використовуються як джерела гальмівного випромінювання. Завдяки простоті конструкції і управління, а також дешевизні бетатрони отримали широке застосування в прикладних цілях в діапазоні енергій 20-50 Мев. Створення бетатронів на вищі енергії зв'язане з необхідністю використання електромагнітів дуже великого розміру і ваги.



3.2 Синхротрон

Синхротрон - кільцевий циклічний прискорювач заряджених частинок, в якому частинки рухаються по орбіті незмінного радіусу за рахунок того, що темп наростання їх енергії в прискорюючих проміжках синхронізовананий із швидкістю наростання магнітного поля на орбіті. Він дозволяє прискорювати як легкі заряджені частинки (електрони, позитрони), так і важкі (протони, антипротони, іони) до найбільших енергій. В даний час всі циклічні прискорювачі на максимальні енергії - це прискорювачі синхротронного типу.

Рис. 3.2 - Схема синхротрона

У синхротронах (рис. 3.2) магнітне поле змінне і частинки рухаються по одній і тій же замкнутій траєкторії, багато разів проходячи прямолінійні проміжки з прискорюючим електричним полем радіочастотного діапазону. Частинки, що збільшують свою енергію, утримуються на фіксованій орбіті за допомогою наростаючого поля могутніх відхиляючих (у тому числі і надпровідних) кільцевих магнітів. Для утримання частинок на орбіті постійного радіусу темп наростання поля синхронізований з темпом наростання енергії частинок. Після досягнення максимального магнітного поля прискорені частинки або прямують на нерухому мішень, або стикаються із стрічним пучком, після чого цикл прискорення повторюється. У синхротронах є два типи кільцевих магнітів, що чергуються: відхиляючі двополюсні (дипольні), такі, що утримують частинки на орбіті, і фокусуючі чотирьохполюсні (квадрупольні). Останні фокусують частинки, збираючи їх у вузький пучок, циркулюючий у вакуумній камері.

Коли швидкість частинки близька до швидкості світла, співвідношення між кінетичною енергією частинки Е і радіусом траєкторії R має в системі СІ вигляд

E = cqHR (3.1)

где H - величина напруженості магнітного поля, а q - заряд частинки. Тому максимально досяжна енергія частинки пропорційна радіусу траєкторії і величині магнітного поля. Скоротити розміри установки можна, збільшуючи величину поля, а вона обмежена ефектом насичення металу, використовуваного як матеріал сердечника електромагніту. У найсучасніших прискорювачах, в зв'язку з цим, використовуються електромагніти з котушкою з надпровідного матеріалу, що працюють при температурі рідкого гелію.

Синхротрони використовують як для прискорення важких заряджених частинок (протонів, іонів), так і для прискорення електронів. Проте у разі електронів при високих енергіях стають істотними втрати ними енергії на випромінювання (назване синхротронним) при криволінійному русі по орбіті. Потужність синхротронного випромінювання Р для релятивістської частинки таким чином залежить від її маси m, енергії Е і радіусу траєкторії R.

Висока вартість циклічних прискорювачів пов'язана з великим радіусом магніту. Але можна утримувати частинки на орбіті з постійним радіусом, збільшуючи напруженість магнітного поля у міру збільшення їх енергії. Лінійний прискорювач інжектує на цю орбіту пучок частинок порівняно невеликої енергії. Оскільки утримуюче поле необхідне лише у вузькій області поблизу орбіти пучка, немає необхідності в магнітах, що охоплюють всю площу орбіти. Магніти розташовані лише уздовж кільцевої вакуумної камери, що дає величезну економію засобів. Такий підхід був реалізований в протонному синхротроні. Першим прискорювачем подібного типу був «Космотрон» на енергію 3 Гев (рис. 3.3), який почав працювати в Брукхейвенській національній лабораторії в 1952 в США.

Рис. 3.3 - Космотрон в Брукхейвені

Прискорював протони до енергії 3 Гев. Внизу - поперечний перетин прискорюючої системи. 1 - 90°-й магніт; 2 - мішень; 3 - прямолінійна ділянка; 4 - рівноважна орбіта; 5 - інжектор; 6 - прискорююча система; 7 - феритовий сердечник; 8 - пучок частинок; 9 - прискорююча напруга.

У синхротронах першого покоління, побудованих в США, Великобританії, Франції і СРСР, фокусування було слабким. Тому була велика амплітуда радіальних коливань частинок в процесі їх прискорення. Ширина вакуумних камер складала приблизно 30 см, і в цьому все-таки великому об'ємі потрібно було ретельно контролювати конфігурацію магнітного поля. У 1952 було зроблено відкриття, що дозволило різко зменшити коливання пучка, а отже, і розміри вакуумної камери. Це був принцип сильного, або жорсткого, фокусування. У сучасних протонних синхротронах з надпровідними квадрупольними магнітами, розташованими по схемі сильного фокусування, вакуумна камера може бути менше 10 см в поперечнику, що приводить до значного зменшення розмірів, вартості і споживаної потужності фокусуючих і відхиляючих магнітів. Першим синхротроном, заснованим на цьому принципі, був «Синхротрон із змінним градієнтом» на енергію 30 Гев в Брукхейвені. Аналогічна установка була побудована в лабораторії Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) в Женеві. В середині 1990-х років обидва прискорювачі все ще знаходилися в експлуатації. Апертура «Синхротрона із змінним градієнтом» була приблизно в 25 разів менше, ніж у «Космотрона». Споживана магнітом потужність при енергії 30 Гев приблизно відповідала потужності, споживаній магнітом «Космотрона» при 3 Гев. «Синхротрон із змінним градієнтом» прискорював 6Ч1013 протони в імпульсі, що відповідало найвищій інтенсивності серед установок цього класу. Фокусування в цьому прискорювачі здійснювалося тими ж магнітами, що і відхиляли пучок; це досягалося доданням полюсам магніту форми. У сучасних прискорювачах для відхилення і фокусування пучка, як правило, використовуються окремі магніти. В середині 1990-х років найкрупнішим протонним синхротроном був «Теватрон» Національної прискорювальної лабораторії ім. Э.Ферми в Батавії (США). (Рис. 3.4) Як підказує сама назва, «Теватрон» прискорює згустки протонів в кільці діаметром 2 км. до енергії близько 1 Тев. Прискорення протонів здійснюється цілою системою прискорювачів, починаючи з генератора Кокрофта - Уолтона як інжектор, з якого негативні іони водню з енергією 750 Кэв вводяться в лінійний прискорювач на енергію 400 Мев. Потім пучок лінійного прискорювача пропускається через вуглецеву плівку для обдирання електронів і інжектується в проміжний синхротрон - бустер - діаметром 150 м. У бустері протони здійснюють приблизно 20 000 обертів і набувають енергії 8 Гев. Зазвичай бустер виконує 12 швидконаступаючих один за одним робочих циклів, в результаті яких в «Головне кільце», - ще один протонний синхротрон з протяжністю кільця 6,3 км. - інжектується 12 згустків протонів. «Головне кільце», в якому протони прискорюються до енергії 150 Гев, складається з 1000 звичайних магнітів з мідними обмотками, що відхиляють і фокусують протони. Безпосередньо під «Головним кільцем» розташований крайовий синхротрон «Теватрон», що складається з 1000 надпровідних магнітів. Пучок може виводитися по багатьом каналам на відстань 1,5-3 км. для проведення досліджень в зовнішніх експериментальних залах. Призначені для суб'ядерної «мікроскопії» протонні синхротрони на енергії більше 1 Тев вимагають тисяч надпровідних і фокусуючих магнітів завдовжки 5-15 м з апертурою шириною в декілька сантиметрів, що забезпечують виключно високу точність полів і стабільність їх в часі.

Рис. 3.4 - Лабораторія ім. Е. Фермі поблизу Батавії (США)

Довжина кола «Головного кільця» прискорювача складає 6,3 км. Кільце розташоване на глибині 9 м. під колом в центрі

Основними чинниками, стримуючими створення протонних синхротронів на вищі енергії, є велика вартість і складність управління, пов'язані з їх величезними розмірами. У 80-і роки ХХ століття було запропоновано відразу декількох проектів будівництва колайдерів з енергією зіткнення, що досягає десятків Тев. Проте складність їх реалізації привела до того, що в даний час споруджено лише один такий коллайдер, де стикатимуться протони з сумарною енергією зіткнення 14 Тев в системі центру інерції. Він носить назву “Великий адронний коллайдер” (LHC - Large Hadron Collider) і створений в CERN. Запуск його був здійснений в 2007-2008 роках. Довжина його кільця 26.7 км. Найбільші протонні синхротрони, призначені для експериментів з нерухомою мішенню, приведені в таблиці 3.1.

Табл. 3.1 - Протонні синхротрони для експериментів з нерухомою мішенню

Прискорювач	Центр, місце розташування	Рік запуску	Максимальна енергія протонів, Гев
PS	ЦЕРН Женева, Швейцарія	1960	28
У-70	ИФВЕ Протвіно, Росія	1967	76
SPS	ЦЕРН Женева, Швейцарія	1976	450

прискорювач фазотрон бетатрон колайдер

ЦЕРН - Європейський центр ядерних досліджень, ІФВЕ - Інститут фізики високих енергій.

3.3 Синхрофазотрон

Рис. 3.5



Прискорення важких частинок у фазотроні, принципово, можна здійснювати аж до дуже високих енергій. Проте є причини, які примусили зупинитися на порівняно скромній енергії, що не перевищує одного Гев. Причини ці «вагомі» в самому буквальному сенсі слова. Вага магніта фазотрону збільшується пропорційно кубу енергії. Тому, щоб побудувати фазотрон, наприклад на 3 Гев, довелося б виготовити магніт вагою в 300 000 тонн. Економічна і технічна недоцільність такого прискорювача - очевидні. Пригадаємо синхротрон. Він володіє порівняно з бетатроном неважким магнітом тому, що в нім вдається прискорювати електрони у вузькому кільці. Чи не можна і важкі частинки примусити обертатися в магнітному полі не по спіралі, що розгортається, а по вузькій доріжці? Електрони в синхротроні рухаються по колах постійного радіусу, тому що їх швидкість майже дорівнює швидкості світла. Швидкість же важких частинок безперервно росте із збільшенням енергії. Тому частота їх звернення при постійному радіусі орбіти теж буде рости. Отже, для збереження резонансу при постійності радіусу орбіти частинки необхідно забезпечити збільшення частоти прискорюючого електричного поля. Таким чином, прискорення важких частинок в кільцевому прискорювачі вимагає не тільки збільшення магнітного поля на орбіті частинок, що виходить з формули:

(3.2)

але також і збільшення частоти електричного поля. Прискорювачі подібного типу отримали назву синхрофазотронів. Відомо, що у фазотроні не обов'язково дотримуватися одного певного закону зміни частоти електричного поля. Іони слухняно підкоряються будь-якому, не дуже швидкому зміненню частоти. Інша справа в синхрофазотроні. Тут, щоб утримати іони на постійній орбіті, частота електричного поля в процесі прискорення повинна завжди дорівнювати власній частоті іона. Якщо частота зовнішнього поля дещо відхилитися, наприклад зробитися більше власної частоти протонів, як орбіта їх почне зменшуватися, загрожуючи зачепити внутрішню стінку прискорювальної камери. Пояснюється це властивістю автофазування: частота частинок слідує за зміною зовнішньої частоти, а збільшення власної частоти при даній швидкості протонів відбувається за рахунок зменшення радіусу їх орбіти. Отже, зміна частоти повинна строго слідувати за зміною швидкості частинки. Але фіксувати швидкість важко. Набагато легше стежити за зміною магнітного поля, яке завдяки автофазуванню цілком визначає збільшення швидкості іона. Тому в синхрофазотронах розроблена система, за допомогою якої частота електричного поля з великою точністю слідує за зміною магнітного поля.

До теперішнього часу частинки з найбільшою енергією отримані на синхрофазотронах. Вже працюють три гігантські прискорювачі цього типу. Перший з них, розрахований на прискорення протонів до енергії 3 Гев, був названий «космотроном». Ця назва підкреслювала той факт, що швидкості штучно розігнаних частинок порівнянні з швидкостями космічних променів. Синхрофазотрон на 10 Гев побудований в Радянському Союзі і переданий Об'єднаному інституту ядерних досліджень. У березні 1957 р. на цьому прискорювачі були отримані протони розрахункової енергії він знаходиться у м. Дубні під Москвою. Його електромагніт складається з окремих секцій. Вага його - 36 000 тонн. Магніт набраний з окремих ізольованих один від одного сталевих листів завтовшки 1 і 4 см. Не дивлячись на те, що магнітне поле наростає від нуля до максимального значення порівняно поволі - за 3,3 секунди, робити магніт з суцільного металу не можна. Електромагніт прискорювача не є замкнутим кільцем - він складається з чотирьох секцій - квадрантів - відсунутих один від одного. Відповідно і орбіта протонів виходить не кругом, а комбінованою, такою, що складається з дугових (90°) і прямолінійних ділянок (рис. 3.5).

Як показали попередні теоретичні розрахунки і випробування на моделях, рух по таких орбітах є цілком стійким.

Навіщо в синхрофазотроні потрібні прямолінійні ділянки, вільні від дії магнітного поля? В першу чергу для полегшення впускання частинок. На відміну від інших прискорювачів, в синхрофазотрон впускаються вже порівняно швидкі частинки. У синхрофазотрон поступають протони, заздалегідь прискорені спочатку у високовольтній трубці до 600 Кев, а потім в лінійному прискорювачі до енергії 9 Мев. Робиться це для того, щоб скоротити діапазон зміни високої частоти. Швидкість, а за нею і частота збільшуються тут більш ніж в 8 разів (від 182 Кгц до 1,5 Мгц). Якщо ж починати прискорення усередині прискорювача з малих енергій, то було б потрібно технічно нездійсненну зміну частоти.

Розмістити устаткування для зовнішнього впускання при відстані між полюсами, що становить всього 40 см, дуже важко. Наявність прямолінійного проміжку значно полегшує складне завдання введення частинок в прискорювач.

Перш ніж потрапити у фазотрон з лінійного прискорювача, протони проходять десятиметровий шлях по ввідній системі, що складається з магнітних коректорів, поворотного магніта і магнітної лінзи.

На цьому шляху пучок протонів фокусується і повертається на 75 градусів. «Вприскування» протонів в камеру відбувається в ту мить, коли магнітне поле досягає 150 ерстед. Помилитися з впусканням не можна навіть на мільйонні долі секунди! Магнітне поле іншої величини заверне протони на внутрішню або на зовнішню стінку вакуумної камери. Особливо точним повинен бути витриманий напрям пучка, що впускається, воно коректується з точністю до сотих частинок градуса! У двох інших прямолінійних проміжках поміщаються пролітні трубки - прискорюючи електроди, - пов'язані з генератором високої частоти. За один оберт протони в середньому набувають порівняно невеликої енергії в 2200 електрон-вольт. Але таких обертів по орбіті завдовжки в 200 м протони за час наростання магнітного поля до 13 000 ерстед зроблять близько 4,5 мільйонів! Всього за 3,3 сек протон проходить шлях завдовжки в 900 000 км, тобто більш, ніж в два рази більше відстані від Землі до Місяця. Весь цей довгий шлях здійснюється у вакуумній камері. Перетин камери складає 2 м завширшки і 36 см у висоту.

Вакуумна камера синхрофазотрона - подвійна. Зовнішня камера утворюється полюсними черевиками магніту, ущільненим текстолітом і гумою. У цій камері підтримується тиск в 1 мм. рт. ст. Внутрішня камера виконана з листів нержавіючої сталі, трохи товще за лезо бритви з ущільненням із спеціальної гуми, і в ній підтримується тиск 0,00001 мм.рт.ст. Дивлячись на великий перетин камери - в ній вільно може влягтися людина високого зросту - можна подумати, що не так вже важко забезпечити успішний рух по ній протонів. Проте це не так. Істотною є не ширина камери, а її відношення до радіусу орбіти; воно складає всього чотири відсотки.

Перш ніж будувати величезний прискорювач, фізики провели складні теоретичні розрахунки. У них було детально розглянутий рух протонів з моменту впуску до кінця прискорення.

Поведінка частинок виявилася дуже складною. По-перше, вони беруть участь в русі по рівноважній орбіті з резонансною частотою. Інший рух частинок - це коливання біля рівноважної орбіти, пов'язані з автофазуванням частинок. Ці радіально-фазові коливання - повільні, період їх в тисячу разів більше періоду звернення частинок. Завдяки радіально-фазовим коливанням протони рухаються по «миттєвих» орбітах. Нарешті, існує третій вид коливань частинок - вільні або бетатронні. Вони відбуваються при відхиленні частинок від орбіти, при впусканні в прискорювач, при розсіянні на залишках газу чи з інших причин. Під дією фокусуючих сил вільні коливання швидко затухають. Розрахунки теоретиків дозволили вибрати оптимальні умови впускання, форму магнітного поля, з'ясувати причини можливих втрат частинок. Були визначені якнайкращі параметри прискорювача, зокрема розміри доріжки, по якій рухаються протони. Щоб добитися руху по такій доріжці, величезний магніт зібраний з точністю до частинок міліметра! Спеціальні обмотки, що коректують, на нім компенсують спотворення, викликані впливом залишкового магнетизму і насичення сталі. Зв'язок частоти електричного поля і магнітного поля підтримується з точністю до 0,1 відсотка.

Електромагніт синхрофазотрону споживає величезну потужність в 140 000 кіловольтампер. Чотири живлячі агрегати забезпечено масивними маховиками. У них запасається енергія, необхідна для створення імпульсу струму в електромагніті. До них же повертається енергія магнітного поля (за вирахуванням втрат на тепло) при його спаді. Перетворення механічної енергії в електричну і зворотне перетворення здійснюються за допомогою синхронних машин, безпосередньо пов'язаних з іонними перетворювачами.

На виході синхрофазотрону отримують короткі імпульси протонів, прискорених до 10 Гев. Ці імпульси з'являються 5 разів на хвилину.

3.4 Колайдер

Існує два типи прискорювальних установок: прискорювачі з нерухомою мішенню і прискорювачі із стрічними пучками (або колайдери). У прискорювачах першого типу частинки після прискорення виводять з прискорювальної камери і направляють на нерухому мішень, наприклад, металеву пластину. В цьому випадку далеко не вся кінетична енергія прискореної частинки може бути “вкладена” в процес, що вивчається, наприклад, у внутрішнє збудження атомного ядра або частинки-мішені або в народження нової частинки, оскільки значна, а часто і переважна частина цієї енергії не може бути “вилучена” у частинки, оскільки йде на “забезпечення” виконання закону збереження імпульсу - великий імпульс частинки до зіткнення повинен зберегтися у вигляді великого імпульсу (а значить, і кінетичній енергії) продуктів реакції.

Конкретні оцінки дозволяють побачити величезну різницю між кінетичними енергіями, наприклад, протонів в прискорювачі з нерухомою мішенню і із зустрічними пучками, які необхідні для народження частинок великої маси. Величезна енергетична перевага прискорювачів на зустрічних пучках зробила їх абсолютно необхідним атрибутом провідних сучасних центрів дослідження фізики елементарних частинок. Є дві основні схеми реалізації колайдерів (мал. 3.6). Якщо зустрічні пучки складаються з частинок, що мають рівні маси і протилежні по знаку заряди ( античастки, наприклад, електрон-позитрон або протон-антипротон), то для обох пучків використовується одне кільце магнітів (мал. 3.6).

Рис. 3.6 - Два типи прискорювачів на зустрічних пучках: а - для частинок, що мають однакові заряди або різні маси; б-для частинок з протилежними по знаку зарядами і рівними масами, тобто частинок і античасток

У деяких точках цього кільця є ділянки взаємодії прискорених зустрічних пучків. Якщо ж зустрічні частинки мають однакові заряди або різні маси (наприклад, протон-протон або електрон-антипротон), то необхідно два кільця магнітів і в деяких місцях створюються області зіткнення (перетини) пучків (мал. 13а). В зустрічних пучках, рухомих один одному на зустріч накопичується максимально можливе число частинок (до 1015 в пучку). Проте накопичувана щільність частинок мала і при кожному оберті реальні зіткнення відчувають невеликі кількості частинок.

Взаємодія пучків майже не порушує динаміку їх руху в прискорювальному кільці і пучки багато годин і навіть діб можуть циркулювати в прискорювачі без поповнення. Зустрічні пучки складаються з окремих згустків частинок, названих банчами (від англ. bunch), що рухаються з певним інтервалом (частотою) один за одним. Розглянемо два циліндрових банча однакового перетину, що летять назустріч один одному і потім стикаються (рис. 3.7). Вважатимемо, що банчі рівномірно заповнені частинками і при зіткненні повністю перекриваються.

Рис. 3.7 - Два згустки частинок (банча), що стикаються, в колайдері

 У лівому банчі n1 частинок, а в правому n2. Спочатку на орбіті колайдера банчі стикаються один раз в одиницю часу. Число взаємодій N1 в одиницю часу між частинками цих двох банчей (тобто число актів реакцій в одиницю часу) можна обчислити за формулою (3.4), прийнявши лівий банч за частинки-снаряди, а правий - за мішень:

N = jnSlу = (n1/S)n2у (3.3)

де у- ефективний переріз взаємодії. Тут враховано, що щільність потоку падаючих на правий банч частинок лівого банча j = n1/S, а повне число частинок в правом банчі (прийнятому як мішень) n2 = nSl, де n - концентрація частинок в правом банчі. Якщо банчі стикаються f разів в одиницю часу (тобто з частотою f), то число актів реакції N даватиметься виразом і є світимість колайдера.

N = f(n1n2/S)у = Lу (3.4)

де L = f(n1n2/S) (3.5)

Найбільші сучасні центри, призначені для дослідження фізики елементарних частинок, є багатоцільовими комплексами з декількох прискорювачів, функціонально зв'язаних між собою. Гарним прикладом такого прискорювального комплексу є ЦЕРН (Женева). Найбільшим прискорювачем цього комплексу є Великий Адронний Коллайдер LHC (Large Hadron Collider), на якому стикатимуться пучки прискорених до енергії 7 Тев протонів, а також ядра свинцю. Цей прискорювач споруджено в підземному кільцевому тунелі (його периметр 26.7 км.) на місці іншого що недавно діяв найбільшого е+е- - колайдера. LEP - Large Electron Positron (Collider), що прискорював електрони і позитрони до енергії 101 Гев.

Для інжекції протонів і іонів в LHC використовуватиметься прискорювач SPS (Super Proton Synchrotron), на виході якого протони мають енергію близько 450 Гев (див. таблицю). Його периметр 6.9 км. і він розташований під землею на глибині 50 м. У SPS важкі частинки поступають від протонного синхротрона PS (він також згаданий в таблиці), в який у свою чергу протони і іони потрапляють з бустера (прискорювача- інжектора).

Прискорювачі на зустрічних пучках (колайдери)

Прискорювач (Центр, Країна)	Роки роботи	Прискорювані частинки	Найбільші енергії	Світимість см-2 сік-1	Периметр або довжина
ВЭПП-2000 (Новосибірськ)	з 2005	Е+е-	1.0 Гев	1032	24 м
ВЭПП-4М (Новосибірськ)	з 1994	Е+е-	6 Гев	2.1031	366 м
ВЕРС-П (Китай)	з 2007	Е+е-	1.89 Гев	1033	238 м
КЕКВ (Японія)	з 1999	Е+е-	3.5. 8 Гев	1.1.1034	3.0 км.
РЕР-П (SLAC, США)	з 1999	Е+е-	3.1. 9.0 Гев	6.8.1033	2.2 км.
SLC (SLAC,США)	1989-1998	Е+е-	50 Гев	2.5.1030	2.92 км.
LEP (CERN)	1989-2000	Е+е-	101 Гев	1032	26.7 км.
HERA (DESY, Німеччина)	з 1992	е-p	30 x 920 Гев	0.75.1032	6.3 км.
SpS (CERN)	1981-1990	P	315 x 315 Гев ...

Подобные документы

• Класифікація та характеристики елементарних частинок

  Види класифікації елементарних частинок, їх поділ за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Ейнштейна. Види елементарних взаємодій та їх характеристика. Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Особливості використання прискорювачів.
  
  курсовая работа [603,0 K], добавлен 11.12.2014
  

• Ремонт та обслуговування електроустаткування

  Історія розвитку електроприладобудування. Характеристика силового електроустаткування верстату, його призначення, будова, монтаж та технічне обслуговування. Схема електрична принципова та порядок її дії. Розрахунок електродвигуна та трансформатора.
  
  курсовая работа [4,2 M], добавлен 07.12.2013
  

• Теорія електропривода

  Структура автоматизованого електропривода, класифікація. Слідкувальний електропривод (СП), його функціональна схема, будова та принцип роботи. Класифікація за дальністю управління та за принципом керування. Вимоги до СП і специфіка їх проектування.
  
  реферат [907,0 K], добавлен 12.02.2016
  

• Історія розвитку біофізики як науки. Класифікація і характеристика основних напрямків біофізики

  Історичний шлях виокремлення біофізики як феноменологічної науки, виходячи із еволюційних теорій термодинаміки Клаузіуса, Гіббса, Больцмана, Берталанфи та квантовомеханічних закономірностей Шредингера, Ельзасера та Ейгена. Основні розділи дисципліни.
  
  контрольная работа [25,0 K], добавлен 29.01.2011
  

• Розрахунок загасання по Чебишеву

  Розрахунок нормованої граничної частоти смуги затримки. Порядок фільтру. Знаменник нормованої передаточної функції, а також вираз для комплексної функції по знайденій операторній, схема та порівняння з операторною функцією. Схема з двох каскадів.
  
  контрольная работа [189,2 K], добавлен 13.03.2013
  

• Біполярні транзистори

  Історія створення напівпровідникового тріоду, або транзистора, загальні відомості та його значення для розвитку напівпровідникової електроніки. Розгляд схем включення та принципів дії транзисторів. Вплив температури на роботу біполярного транзистора.
  
  курсовая работа [161,3 K], добавлен 19.12.2010
  

• Додавання гармонічних коливань

  Гармонічні коливання однакового напрямку і однакові частоти та биття. Циклічні частоти, значення амплітуди. Додавання взаємно перпендикулярних коливань та фігури Ліссажу. Диференціальне рівняння вільних затухаючих коливань та його розв’язування.
  
  реферат [581,6 K], добавлен 06.04.2009
  

• Вітроенергетика і перспективи її розвитку в Україні

  Історія виникнення і розвитку вітроенергетики як галузі енергетики енергії повітряних мас, що спеціалізується на перетворенні, в енергію для використання в народному господарстві. Вітровий потенціал України. Напрями розвитку української вітроенергетики.
  
  реферат [56,3 K], добавлен 08.02.2011
  

• Методи реєстрації елементарних частинок

  Загальне поняття про будову лічильника Гейгера-Мюллера, його призначення. Функції скляного віконця трубки. Процес реєстрації нейтронів. Історія винаходу лічильника. Камера Вільсона як детектор треків швидких заряджених частинок. Процес конденсації пари.
  
  презентация [339,3 K], добавлен 15.04.2013
  

• Волоконно-оптичні сенсори контролю шкідливих хімічних компонентів

  Історія розвитку волоконно-оптичних датчиків і актуальність їх використання. Характеристики оптичного волокна як структурного елемента датчика. Одно- і багатомодові оптичні волокна. Класифікація волоконно-оптичних датчиків і приклади їхнього застосування.
  
  реферат [455,0 K], добавлен 15.12.2008
  

• Планарная сцинтиграфия

  История развития планарной сцинтиграфии. Производство радионуклидов на ядерных реакторах. Принцип действия циклотрона. Многокристальные и полупроводниковые гамма-камеры, их особенности и технические характеристики. Принцип работы гамма-камеры Ангера.
  
  реферат [2,9 M], добавлен 28.02.2015
  

• Створення генераторів потужних імпульсів наносекундного діапазону

  Застосування індуктивних нагромаджувачів, розрахунок параметрів. Процеси розмикання струму та генерації електронного пучка. Дослідження характеристик електронного прискорювача з плазмоерозійним розмикачем в залежності від індуктивності нагромаджувача.
  
  дипломная работа [1,8 M], добавлен 22.09.2011
  

• Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення

  Стан і перспективи розвитку геотермальної енергії. Схема компресійного теплового насоса, його застосування. Ґрунт як джерело низько потенційної теплової енергії. Аналіз виробничого процесу та розроблення моделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій.
  
  научная работа [2,1 M], добавлен 12.10.2009
  

• Високочастотний індукційний плазмотрон

  Типи конструкцій ВЧІ-плазмотронів: параметри плазми (температура, швидкість та теплові потоки струменів). Особливості розрахунку ВЧІ-плазмотронів: розрахунок електричних параметрів системи індуктор-плазма, вибір частоти та електричного ККД індуктора.
  
  контрольная работа [2,7 M], добавлен 24.07.2012
  

• Коливання фізичного маятника

  Використання фізичного маятника з нерухомою віссю обертання античними будівельниками. Принцип дії фізичного маятника. Пошук обертаючого моменту. Період коливань фізичного маятника та їх гармонійність. Диференціальне рівняння руху фізичного маятника.
  
  реферат [81,9 K], добавлен 29.04.2010
  

• Моделі оптимізації та розвитку електроенергетичних систем

  Загальні питання оптимізаційних задач. Основні принципи побудови цільової функції моделі оптимізації електроенергетичних систем. Вибір обмежень. Методи диференціювання цільової функції, невизначених множників Лагранжа. Методи лінійного програмування.
  
  методичка [453,1 K], добавлен 10.03.2016
  

• Загальна характеристика напівпровідникових матеріалів

  Класифікація напівпровідникових матеріалів: германія, селену, карбіду кремнію, окисних, склоподібних та органічних напівпровідників. Електрофізичні властивості та зонна структура напівпровідникових сплавів. Методи виробництва кремній-германієвих сплавів.
  
  курсовая работа [455,9 K], добавлен 17.01.2011
  

• Чорнобильська катастрофа та її наслідки для України

  Історія розвитку атомної енергетики та особливості експлуатації атомних електростанцій. Характеристика та будівництво Чорнобильської АЕС. Хронологія аварії, її вплив на фізичне та психологічне здоров’я людей, етапи ліквідації наслідків катастрофи.
  
  презентация [4,0 M], добавлен 28.04.2012
  

• Расчет формирования равномерных полей облучения протонами с энергиями от 5 до 15 МэВ на циклотроне МГЦ-20

  Моделирование прохождения пучков протонов через систему формирования равномерного поля протонов. Принцип действия циклотрона. Модифицирование полупроводников пучками протонов. Расчет составляющих системы формирования равномерного поля протонов.
  
  дипломная работа [1,3 M], добавлен 26.06.2012
  

• Фізика і техніка

  Історія розвитку фізики. Фізика в країнах Сходу. Електричні і магнітні явища. Етапи розвитку фізики. Сучасна наука і техніка. Використання електроенергії, дослідження Всесвіту. Вплив науки на медицину. Розвиток засобів зв'язку. Дослідження морських глибин
  
  реферат [999,0 K], добавлен 07.10.2014
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам