Синхрофазотрон - циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле , так и частота ускоряющего электрического поля . Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота обращения практически не меняется, и используются синхротроны.

Из истории

Волею судьбы в 1921 году он оказывается беспризорником в Москве и попадает в дом-коммуну в Хамовниках. Окончив в коммуне школу-девятилетку, стал работать на заводе электриком, где получил комсомольскую путевку в институт. В 1931 году окончил экстерном Московский энергетический институт и стал работать в лаборатории рентгеноструктурного анализа Всесоюзного электротехнического института в Лефортове, где занимался постройкой измерительных приборов и изучением методов измерения потоков заряженных частиц.

В 1937 г. Векслер перешел в Физический институт Академии наук СССР имени П.Н. Лебедева (ФИАН), где занялся изучением космических лучей. С их помощью физики изучали превращения химических элементов и изучали процессы ядерных взаимодействий. Векслер участвовал в экспедициях ученых на Эльбрус, а затем, позже, на Памир, где и отлавливались потоки заряженных частиц высокой энергии, которые невозможно было получить в земных лабораториях.

Уже в двадцатых годах у многих ученых-ядерщиков возникала мысль - как хорошо было бы получить частицы Э.Лоуренс таких высоких “космических” энергий в лаборатории с помощью надежных приборов. Теоретически всё было ясно - заряженную частицу должно разгонять электрическое поле. Однако линейные ускорители не позволяли получить частицы больших энергий. В 1929 году американский ученый Э. Лоуренс предложил конструкцию ускорителя, в котором частица движется по спирали, проходя многократно один и тот же промежуток между двумя электродами. Траекторию частицы искривляет и закручивает однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости орбиты. Ускоритель был назван циклотроном. В 1930-1931 годах Лоуренс с сотрудниками построил в Калифорнийском университете (США) первый циклотрон. За это изобретение он в 1939 году был удостоен Нобелевской премии.

С 1938 г. Векслер подключился к созданию циклоторонов в нашей стране. Но и у них оказался предел ускорения частиц. Требовались новые усовершенствования. Работы прервала война, и Векслер во время эвакуации в Казани совместно с другими учёными занимался исследованиями, непосредственно необходимыми фронту. Только в 1943 году Векслеру удалось вернуться к проблемам ускорителей. Трудность заключалась в том, что в соответствии с теорией относительности Эйнштейна с увеличением скорости росла и масса частиц, они отклонялись от круговой траектории и гасились о стенки циклотрона.

В феврале 1944 года В.И. Векслер выдвинул революционную идею, как преодолеть энергетический барьер циклотрона. Он назвал свой метод автофазировкой. Векслер предложил синхронно увеличивать во времени магнитное поле в циклотроне, питая магнит переменным током в фазе с частотой обращения частиц. Тогда окажется, что в среднем частота обращения частиц по окружности автоматически будет поддерживаться равной частоте разгоняющего электрического поля. Такой ускоритель был назван синхрофазотроном.

Через год независимо от Векслера принцип автофазировки открыл американский ученый Э. Макмиллан. Позднее они оба были представлены к присуждению за это Нобелевской премии. Но у нас все работы были засекречены и не были представлены в Нобелевский комитет. А одному Макмиллану премию не дали. Правда, в 1957 году он получил Нобелевскую премию по химии за другую работу.

В 1949 году по инициативе В. И. Векслера и С. И. Вавилова ученые и инженеры начали проектировать первый в нашей стране синхрофазотрон на 10 миллиардов электрон-вольт в Дубне. Пуск его в эксплуатацию состоялся в 1957 году. Векслер был бессменным директором Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Весь мир знает, что в 1957 году СССР запустил первый в мире искусственный спутник Земли. Однако, мало кто знает, что в этом же году Советский Союз начал испытания синхрофазотрона, который является прародителем современного Большого Адронного Коллайдера в Женеве. В статье пойдет речь о том, что такое синхрофазотрон, и как он работает.

Отвечая на вопрос, что такое синхрофазотрон, следует сказать, что это высокотехнологическое и наукоемкое устройство, которое предназначалось для исследования микрокосмоса. В частности, идея синхрофазотрона состояла в следующем: необходимо было с помощью мощных магнитных полей, создаваемых электромагнитами, разогнать до больших скоростей пучок элементарных частиц (протонов), а затем направить этот пучок на находящуюся в покое мишень. От такого столкновения протоны должны будут «разломаться» на части. Недалеко от мишени находится специальный детектор — пузырьковая камера. Этот детектор позволяет по трекам, которые оставляют части протона, исследовать их природу и свойства.

Для чего нужно было строить синхрофазотрон СССР? В этом научном эксперименте, который проходил под категорией «совершенно секретно», советские ученые пытались найти новый источник более дешевой и более эффективной энергии, чем обогащенный уран. Также преследовались и чисто научные цели более глубокого изучения природы ядерных взаимодействий и мира субатомных частиц.

Принцип работы синхрофазотрона

Приведенное выше описание задач, которые стояли перед синхрофазотроном, может многим показаться не слишком сложным для их реализации на практике, но это не так. Несмотря на всю простоту вопроса, что такое синхрофазотрон, чтобы ускорить протоны до необходимых огромных скоростей, нужны электрические напряжения в сотни млрд вольт. Такие напряжения невозможно создать даже в настоящее время. Поэтому было решено распределить во времени вкачиваемую в протоны энергию.

Принцип работы синхрофазотрона заключался в следующем: пучок протонов начинает свое движение по кольцеобразному туннелю, в некотором месте этого туннеля стоят конденсаторы, которые создают скачек напряжения в тот момент, когда пучок протонов пролетает через них. Таким образом, на каждом витке происходит небольшое ускорение протонов. После того, как пучок частиц совершит несколько миллионов оборотов по туннелю синхрофазотрона, протоны достигнут желаемых скоростей, и будут направлены на мишень.

Стоит отметить, что используемые во время ускорения протонов электромагниты выполняли направляющую роль, то есть они определяли траекторию пучка, но не участвовали в его ускорении.

Проблемы, с которыми столкнулись ученые при проведении экспериментов

Чтобы лучше понять, что такое синхрофазотрон, и почему его создание является очень сложным и наукоемким процессом, следует рассмотреть проблемы, возникающие в процессе его работы.

Во-первых, чем больше скорость пучка протонов, тем большей массой они начинают обладать согласно знаменитому закону Эйнштейна. При скоростях близких к световым масса частиц становится настолько большой, что для их удержания на нужной траектории, необходимо иметь мощные электромагниты. Чем больше размер синхрофазотрона, тем большие магниты можно поставить.

Во-вторых, создание синхрофазотрона осложнялось еще и потерями энергии пучком протонов во время их кругового ускорения, причем, чем больше скорость пучка, тем более значительными становятся эти потери. Получается, что для разгона пучка до необходимых гигантских скоростей, необходимо иметь огромные мощности.

Какие результаты удалось получить?

Несомненно, эксперименты на советском синхрофазотроне внесли огромный вклад в развитие современных областей техники. Так, благодаря этим экспериментам ученые СССР смогли улучшить процесс переработки использованного урана-238 и получили некоторые интересные данные, сталкивая ускоренные ионы разных атомов с мишенью.

Результаты экспериментов на синхрофазотроне используются и по сей день в строительстве атомных электростанций, космических ракет и робототехники. Достижения советской научной мысли были использованы при строительстве самого мощного синхрофазотрона современности, которым является Большой Адронный Коллайдер. Сам же советский ускоритель служит науке РФ, находясь в институте ФИАН (Москва), где используется в качестве ускорителя ионов.

Что такое синхрофазотрон: принцип работы и полученные результаты — все о путешествиях на сайт

+ элек трон) - резонансный циклический ускоритель с неизменной в процессе ускорения длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите , изменяется как ведущее магнитное поле , так и частота ускоряющего электрического поля. Последнее необходимо, чтобы пучок приходил в ускоряющую секцию всегда в фазе с высокочастотным электрическим полем. В том случае, если частицы ультрарелятивистские, частота обращения, при фиксированной длине орбиты, не меняется с ростом энергии, и частота ВЧ-генератора также должна оставаться постоянной. Такой ускоритель уже называется синхротроном .

Напишите отзыв о статье "Синхрофазотрон"

Примечания

См. также

По конструкции По назначению

Отрывок, характеризующий Синхрофазотрон

Лицо генерала нахмурилось, губы его дернулись и задрожали. Он вынул записную книжку, быстро начертил что то карандашом, вырвал листок, отдал, быстрыми шагами подошел к окну, бросил свое тело на стул и оглянул бывших в комнате, как будто спрашивая: зачем они на него смотрят? Потом генерал поднял голову, вытянул шею, как будто намереваясь что то сказать, но тотчас же, как будто небрежно начиная напевать про себя, произвел странный звук, который тотчас же пресекся. Дверь кабинета отворилась, и на пороге ее показался Кутузов. Генерал с повязанною головой, как будто убегая от опасности, нагнувшись, большими, быстрыми шагами худых ног подошел к Кутузову.
– Vous voyez le malheureux Mack, [Вы видите несчастного Мака.] – проговорил он сорвавшимся голосом.
Лицо Кутузова, стоявшего в дверях кабинета, несколько мгновений оставалось совершенно неподвижно. Потом, как волна, пробежала по его лицу морщина, лоб разгладился; он почтительно наклонил голову, закрыл глаза, молча пропустил мимо себя Мака и сам за собой затворил дверь.
Слух, уже распространенный прежде, о разбитии австрийцев и о сдаче всей армии под Ульмом, оказывался справедливым. Через полчаса уже по разным направлениям были разосланы адъютанты с приказаниями, доказывавшими, что скоро и русские войска, до сих пор бывшие в бездействии, должны будут встретиться с неприятелем.
Князь Андрей был один из тех редких офицеров в штабе, который полагал свой главный интерес в общем ходе военного дела. Увидав Мака и услыхав подробности его погибели, он понял, что половина кампании проиграна, понял всю трудность положения русских войск и живо вообразил себе то, что ожидает армию, и ту роль, которую он должен будет играть в ней.

+ фаза + элек трон) - резонансный циклический ускоритель с неизменной в процессе ускорения длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите , изменяется как ведущее магнитное поле , так и частота ускоряющего электрического поля. Последнее необходимо, чтобы пучок приходил в ускоряющую секцию всегда в фазе с высокочастотным электрическим полем. В том случае, если частицы ультрарелятивистские, частота обращения, при фиксированной длине орбиты, не меняется с ростом энергии, и частота ВЧ-генератора также должна оставаться постоянной. Такой ускоритель уже называется синхротроном .

В культуре

Именно этим устройством «занимался на труде» первоклассник в известной песне Аллы Пугачёвой «Песенка первоклассника». Синхрофазотрон также упоминается в комедии Гайдая «Операция Ы и другие приключения Шурика». Также это устройство показано в качестве примера применения Теории Относительности Эйнштейна в обучающем короткометражном фильме «Что такое теория относительности?». В низкоинтеллектуальных юмористических шоу, для широкой публики, часто выступает как "непонятный" научный прибор или пример высоких технологий.

Технологии в СССР развивались стремительно. Чего только стоит запуск первого искусственного спутника Земли, за которым наблюдал весь мир. Мало кто знает, что в тот же 1957 год в СССР заработал (то есть был не просто достроен и введен в эксплуатацию, а именно запущен) синхрофазотрон. Слово это обозначает установку для разгона элементарных частиц. Практически каждый сегодня слышал про Большой адронный коллайдер - он представляет собой более новую и усовершенствованную версию описанного в данной статье устройства.

Что это - синхрофазотрон? Для чего он нужен?

Эта установка представляет собой большой ускоритель элементарных частиц (протонов), который позволяет более глубоко изучить микромир, а также взаимодействие этих самых частиц друг с другом. Способ изучения очень прост: разбить протоны на мелкие части и посмотреть, что находится внутри. Звучит все просто, но сломать протон - это чрезвычайно сложная задача, для решения которой потребовалось строительство столь огромного сооружения. Здесь по специальному тоннелю частицы разгоняются до огромных скоростей и затем направляются на мишень. Ударившись о нее, они разлетаются на мелкие осколки. Ближайший "коллега" синхрофазотрона, Большой адронный коллайдер, действует приблизительно по такому же принципу, вот только там частицы разгоняются в противоположных направлениях и ударяются не о стоячую мишень, а сталкиваются друг с другом.

Теперь вы немного понимаете, что это - синхрофазотрон. Считалось, что установка позволит сделать научный прорыв в области исследования микромира. В свою очередь, это позволит открыть новые элементы и способы получать дешевые источники энергии. В идеале хотели открыть элементы, превосходившие по эффективности и являющиеся при этом менее вредными и более простыми в утилизации.

Применение в военных целях

Стоит отметить, что создавалась данная установка для осуществления научно-технического прорыва, однако ее цели были не только лишь мирными. Во многом научно-технический прорыв обязан гонке военных вооружений. Синхрофазотрон был создан под грифом "Совершенно секретно", и его разработка и строительство проводились в рамках создания атомной бомбы. Предполагалось, что устройство позволит создать совершенную теорию ядерных сил, однако все оказалось не так просто. Даже сегодня эта теория отсутствует, хотя технический прогресс шагнул далеко вперед.

простыми словами?

Если обобщить и говорить понятным языком? Синхрофазотрон - это установка, где протоны можно разогнать до большой скорости. Она состоит из закольцованной трубы с вакуумом внутри и мощных электромагнитов, которые не дают протонам двигаться хаотично. Когда протоны достигают своей максимальной скорости движения, их поток направляется на специальную мишень. Ударяясь о нее, протоны разлетаются на мелкие осколки. Учены могут видеть следы разлетающихся осколков в специальной пузырьковой камере, и по этим следам они анализируют природу самих частиц.

Пузырьковая камера - это немного устаревшее устройство для фиксации следов протонов. Сегодня в подобных установках применяются более точные радары, дающие больше информации о движении осколков протонов.

Несмотря на простой принцип синхрофазотрона, сама эта установка является высокотехнологичной, и ее создание возможно только при достаточном уровне технического и научного развития, которым, безусловно, обладал СССР. Если приводить аналогию, то обычный микроскоп является тем устройством, предназначение которого совпадает с назначением синхрофазотрона. Оба прибора позволяют исследовать микромир, только последний позволяет "копнуть глубже" и имеет несколько своеобразный метод исследования.

Подробно

Выше была описана работа прибора простыми словами. Разумеется, принцип действия синхрофазотрона является более сложным. Дело в том, что для разгона частиц до высоких скоростей необходимо обеспечить разность потенциалов в сотни миллиарды вольт. Это невозможно даже на нынешнем этапе развитии технологий, не говоря уже о предыдущем.

Поэтому было принято решение разгонять частицы постепенно и гонять их по кругу долго. На каждом кругу протоны подпитывались энергией. В результате прохождения миллионов оборотов удалось набрать требуемую скорость, после чего их направляли в мишень.

Именно такой принцип применялся в синхрофазотроне. Сначала по тоннелю частицы двигались с небольшой скоростью. На каждом круге они попадали на так называемые промежутки ускорения, где получали дополнительный заряд энергии и набирали скорость. Эти участки ускорения являются конденсаторами, частота переменного напряжения которых равна частоте прохождения протонов по кольцу. То есть частицы попадали на участок ускорения при отрицательном заряде, в этот момент напряжение резко возрастало, что придавало им скорости. Если же частицы попадали на участок ускорения при положительном заряде, то их движение притормаживалось. И это - положительная особенность, так как из-за нее весь пучок протонов двигался с одной скоростью.

И так повторялось миллионы раз, и когда частицы приобретали требуемую скорость, их направляли в специальную мишень, о которую те разбивались. После группа ученых изучала результаты столкновения частиц. Вот по такой схеме синхрофазотрон и работал.

Роль магнитов

Известно, что в этой огромной машине по ускорению частиц применялись также мощные электромагниты. Люди ошибочно полагают, что они использовались для разгона протонов, но это не так. Разгонялись частицы с помощью специальных конденсаторов (участков ускорения), а магниты лишь удерживали протоны в строго заданной траектории. Без них последовательное движение пучка элементарных частиц было бы невозможно. А высокая мощность электромагнитов объясняется большой массой протонов при высокой скорости движения.

С какими проблемами столкнулись ученые?

Одна из главных проблем при создании этой установки заключалась именно в разгоне частиц. Конечно, им можно было придавать ускорение на каждом круге, однако при ускорении их масса становилась выше. При скорости движения, близкой к скорости света (как известно, ничто не может двигаться быстрее скорости света), их масса становилась огромной, из-за чего удерживать их на круговой орбите было сложно. Из школьной программы нам известно, что радиус движения элементов в магнитом поле обратно пропорционален их массе, поэтому с ростом массы протонов приходилось увеличивать радиус и использовать большие сильные магниты. Подобные законы физики сильно ограничивают возможности для исследования. Кстати, ими же можно объяснить, почему синхрофазотрон получился таким огромным. Чем большим будет тоннель, тем большие магниты можно установить для создания сильного магнитного поля для удержания нужного направления движения протонов.

Вторая проблема - потеря энергии при движении. Частицы при прохождении по окружности излучают энергию (теряют ее). Следовательно, при движении на скорости часть энергии улетучивается, и, чем выше скорость движения, тем выше и потери. Рано или поздно наступает момент, когда величины излучаемой и получаемой энергии сравниваются, что делает невозможным дальнейший разгон частиц. Следовательно, возникают потребности в больших мощностях.

Можно сказать, что мы теперь более точно понимаем, что это - синхрофазотрон. Но чего именно добились ученые в ходе испытаний?

Какие исследования проводились?

Естественно, работа этой установки не прошла бесследно. И хотя от нее ожидали получить более серьезные результаты, некоторые исследования оказались крайне полезными. В частности, ученые изучили свойства ускоренных дейтронов, взаимодействий тяжелых ионов с мишенями, разработали более эффективную технологию для утилизации отработанного урана-238. И хотя для обычного человека все эти результаты мало о чем говорят, в научной сфере их значимость сложно переоценить.

Применение результатов

Результаты проводимых на синхрофазотроне испытаний применяются даже сегодня. В частности, они используются при строительства электростанций, работающих на применяются при создании космических ракет, робототехники и сложного оборудования. Безусловно, вклад в науку и технический прогресс этого проекта достаточно большой. Некоторые результаты применяются и в военной сфере. И хотя ученым не удалось открыть новые элементы, которые можно было бы использовать для создания новых атомным бомб, на самом деле никто не знает, правда это или нет. Вполне возможно, что от населения скрывают некоторые результаты, ведь стоит учитывать, что данный проект был реализован под грифом "Совершенно секретно".

Заключение

Теперь вы понимаете, что это - синхрофазотрон, и какова его роль в научно-техническом прогрессе СССР. Даже сегодня подобные установки активно используются во многих странах, вот только есть уже более усовершенствованные варианты - нуклотроны. Большой адронный коллайдер является, пожалуй, самой лучшей на сегодняшний день реализацией идеи синхрофазотрона. Применение этой установки позволяет ученым точнее познавать микромир за счет сталкивания двух пучков протонов, движущихся на огромных скоростях.

Что касается нынешнего состояния советского синхрофазотрона, то он был переделан в ускоритель электронов. Сейчас работает в ФИАНе.