Циклічні прискорювачі елементарних частинок

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

E = cqHR (1)де 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:

(2)

Висока вартість циклічних прискорювачів пов'язана з великим радіусом магніта. 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 (мал. 12), який почав працювати в Брукхейвенській національній лабораторії в 1952 в США; за ним незабаром послідував «Беватрон» на енергію 6 Гев, побудований в Лабораторії ім. Лоуренса Каліфорнійського університету в Берклі (США). Споруджений спеціально для виявлення антипротона, він працював впродовж 39 років, продемонструвавши довговічність і надійність прискорювачів частинок.

Мал. 12. КОСМОТРОН В БРУКХЕЙВЕНЕ. 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 Брукхейвене. 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 6×1013 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 магніта 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). (Мал. 13) 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 швидко наступаючих 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.