CC BY
126
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
УДК 621.3:537.311:910.4 М.И. Баранов
АНТОЛОГИЯ ВЫДАЮЩИХСЯ ДОСТИЖЕНИЙ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ.
ЧАСТЬ 8: СОЗДАНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Наведено короткий науково-історичний нарис з всесвітньої історії створення прискорювачів заряджених частинок, що знайшли широке застосування вядерній фізиці і фізиці високих енергій.
Приведен краткий научно-исторический очерк из всемирной истории создания ускорителей заряженных частиц, нашедших широкое применение в ядерной физике и физике высоких энергий.
ВВЕДЕНИЕ Ускорительная техника в мире зародилась в конце 20-х годов 20-го столетия [1]. Наступило то время, когда элементарные частицы, испускаемые природными радиоактивными материалами (например, радием Ка, ураном и, торием ТН и др. [2]) уже не могли удовлетворить все более возрастающие научнотехнические потребности физиков и радиохимиков, активно изучающих атомы, молекулы и их ядра. Кстати, в физике под элементарными частицами понимают большую группу мельчайших материальных частиц, в которую не входят такие сложные микрообразования как атомы и их ядра [3]. Проведение новых опытов, направленных на более углубленное изучение микростроения вещества на нашей планете, требовало иметь в физическом микроинструментарии физиков-ядерщиков высокоэнергетичные частицы. В 1919 г. выдающийся английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937 гг.) одним из первых в мире высказал идею об искусственном ускорении заряженных элементарных частиц, предназначеннных для осуществления ядерных реакций [1]. Так в науке и технике сформировалось представление о необходимости начала разработки и создания в указанные годы прошедшего века новой специальной техники для проведения сложных и высокоточных ядерно-физических экспериментов - ускорителей элементарных частиц.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ Прежде всего, следует отметить, что физика элементарных частиц изучает законы микромира на расстояниях £ порядка и меньше ядерных размеров, то есть для £<10-15 м [3]. Поэтому физический инструментарий для изучения закономерностей, характерных для объектов микромира на таких расстояниях, должен иметь свои геометрические размеры такого же, а лучше меньшего порядка. Человечество обладало и обладает в настоящее время только единственным подобным микроинструментарием - элементарными частицами. Причем, в современных условиях развития ядерной физики нам надо обладать такими элементарными частицами, которые ускорены до огромных скоростей и соответственно имеют огромные энергии Жр. В этой связи физика элементарных частиц тесно связана с физикой высоких энергий. Какими же величинами энергии Жр должны при этом обладать подобные частицы? Ответ на этот простой вопрос кроется в весьма сложных закономерностях квантовой физики. Из волновой механики известно,
что для ультрарелятивистской элементарной частицы Жр=Н-с/Х [3], где Н=6,626-10-34 Джс - постоянная Планка; с=3-108 м/с - скорость света в вакууме; X -длина волны ускоряемой частицы. Кроме того, при Х=8 согласно соотношению неопределенности Гейзенберга в данном случае имеем, что Жр-8>Н-с/(4%) [3]. Тогда в соответствии с приведенными соотношениями получаем, что в микромире для расстояний £<10-15 м энергия зондирующих его с области макромира научным исследователем при помощи внешних элементарных частиц и эффективно “изучающих” его таким физическим путем должна удовлетворять следующему неравенству: Жр> 108 эВ, то есть величина энергии Жр для рассматриваемых элементарных частиц, ускоряемых в том или ином типе ускорителя заряженных частиц (УЗЧ), должна быть не менее 100 МэВ. Напомним читателю, что указанная выше внесистемная единица энергии 1 эВ составляет примерно 1,6-10-19 Дж [3]. Здесь следует указать, что в современной физике элементарных частиц общепринята их следующая классификация [1, 3]: 1. Векторные (калибровочные) бозоны, включающие частицы-переносчики различных ядерных взаимодействий (фотоны - обеспечивают электромагнитное взаимодействие; глюоны
- определяют сильное взаимодействие; гравитоны -обеспечивают гравитационное взаимодействие и экспериментально пока никем не обнаружены); 2. Леп-тоны, имеющие полуцелый спин и включающие час-тицы-фермионы, которые не участвуют в сильном взаимодействии (электроны; позитроны; нейтрино; антинейтрино; мюоны; антимюоны и др.); 3. Мезоны, включающие нестабильные частицы, участвующие в слабых и сильных взаимодействиях (пионы; каоны; очарованные мезоны; прелестные мезоны); 4. Барио-ны, имеющие полуцелый спин, являющиеся фермио-нами и участвующие в сильных ядерных взаимодействиях (протоны; нейтроны; гипероны). Физикам -ядерщикам известно, что все барионы, за исключением заряженных положительным элементарным электричеством протонов, нестабильны. Так как барионы и мезоны обладают в микромире сильным взаимодействием, то по этому признаку ученые-ядерщики объединили их в одну большую группу элементарных частиц и которую назвали термином адроны [3].
2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Первой открытой в 1886 г. элементарной частицей стал протон (р), обнаруженный в каналовых лучах электроразрядной трубки немецким физиком Эу-
геном Гольдштейном (1850-1930 гг.) [1, 4]. Существование в ядрах атомов этой частицы, являющейся носителем элементарного положительного заряда, было экспериментально подтверждено и Э. Резерфордом в 1919 г. в его опытах по их бомбардировке а~ частицами (ядрами атома изотопа гелия 24Не) [3]. Второй открытой в 1897 г. английским физиком Джозефом Томсоном (1856-1940 гг.) частицей оказался электрон (е_) - носитель элементарного отрицательного заряда (Нобелевская премия по физике за 1906 г.). Он также как и протон был обнаружен в хорошо отвакуумиро-ванной электроразрядной трубке [3, 4]. В 1932 г. известным английским физиком Джеймсом Чэдвиком (1891-1974 гг.) был открыт нейтрон (п), лишенный суммарного электрического заряда [3, 4]. Экспериментальные подтверждения существования кванта электромагнитного излучения - фотона (у) были даны известными американскими физиками: в 1915 г. Робертом Милликеном (1868-1953 гг.) и в 1922 г. Артуром Комптоном (1892-1962 гг.) [3]. В 1932 г. в космических лучах американским физиком Карлом Андерсоном (1905-1991 гг.) был обнаружен несущий элементарный положительный заряд позитрон (е+), масса которого равнялась массе электрона те [3]. Позитрон явился первой открытой античастицей (Нобелевская премия по физике за 1936 г.) [3, 5]. В 1936 г. при изучении космических лучей американскими физиками К. Андерсоном и Сетом Неддермейером (1907-1968 гг.) были открыты частицы обоих электрических зарядов с массой около 200те, названные мюонами (д+, рГ) [3, 5]. В 1947 г. английским физиком Сесилем Пауэллом (1903-1969 гг.) также в космических лучах были обнаружены частицы - кванты сильного взаимодействия, получившие название пионов (л+, % ) [3]. В 50-х годах прошлого столетия в космических лучах были выявлены странные частицы с необычными свойствами - мезоны (К+, КГ), за которые С. Пауэлл в 1951 г. стал Нобелевским лауреатом по физике, и гипероны (Л) [3]. В 1953 г. американским физиком Клайдом Коуэном (1919-1974 гг.) было открыто электронное нейтрино (уе) [3]. С 50-х годов 20-го века УЗЧ стали основным физическим инструментом для исследования различных свойств и взаимодействий элементарных частиц. С помощью УЗЧ были открыты [1, 3]: в 1955 г. антипротон (р ); в 1956 г. антинейтрон (п ); в 1960 г. анти-сигма гипероны (Е±); в 1962 г. мюонное нейтрино (у^); в 1964 г. омега-минус гипероны ф_). В 1975 г. с помощью сложных ядерных экспериментов на УЗЧ были обнаружены частицы, представляющие собой аналог тяжелого электрона и мюона - т-лептоны [3], а в 1977 г. - тяжелые У-частицы с массой порядка 10тр, где тр — масса протона, равная около 1836-те [3]. В 1981 г. физикам стали известны прелестные мезоны (Б+, Б~), а в 1983 г. - векторные бозоны (№*) [3]. К концу 20го столетия в области физики высоких энергий было известно свыше 350 элементарных частиц [1, 3].
3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПЕРВЫХ
УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
В 1927-1928 гг. в Кавендишской научной лабо-
ратории Э. Резерфорда известный английский физик
Томас Аллибон (1903-2003 гг.) осуществил первые успешные эксперименты по получению ускоренных высоким электрическим напряжением в хорошо отва-куумированной электронной лампе релятивистских электронов. В 1925 г. известный шведский физик Густав Изинг (1883-1960 гг.) предложил конструкцию линейного резонансного ускорителя частиц. Кроме того, этот ученый выдвинул две основные идеи непрямых методов их ускорения: первая - многократное использование для этого одной и той же сравнительно небольшой разности высоких электрических потенциалов между металлическими электродами УЗЧ; вторая - синхронизм между появлением ускоряемой частицы в ускоряющем промежутке УЗЧ и ускоряющего электрического поля в нем. В 1928 г. первые успешные эксперименты на линейном резонансном ускорителе частиц выполнил известный норвежский физик Рольф Видероэ (1902-1996 гг.). В этом же г. он опубликовал разработанную им в 1927 г. идею по разработке циклического индукционного ускорителя электронов - бетатрона, в котором электроны ускоряются переменным электрическим полем, которое создается переменным магнитным полем [3, 5]. В 1928 г. им был создан первый линейный резонансный ускоритель с двумя ускоряющими промежутками и разработана его приближенная теория. В 30-е годы ушедшего 20-го столетия с его активным участием был построен мощный бетатрон на энергию ускоряемых электронов до 15 МэВ. В 1943 г. он первым выдвинул идею об использовании в УЗЧ встречных пучков заряженных частиц, то есть идею о создании коллайдера. В 1931 г. известным американским физиком Ван де Граафом (1901-1967 гг.) был разработан и под его научным руководством построен электростатический ускоритель заряженных частиц прямого действия (генератор Ван де Граафа), принцип действия которого был им выдвинут в 1929 г. [1, 6]. К 1933 г. он спроектировал и создал для ускорения протонов электростатический генератор на постоянное электрическое напряжение мегавольтного диапазона с диаметром металлических электродов-сфер в 4,5 м. В 1932 г. известные английские физики Джон Кокрофт (18971967 гг.) и Эрнест Уолтон (1903-1995 гг.), применив в УЗЧ, получившим в истории физики название ускорителя по схеме Кокрофта-Уолтона, каскадный метод повышения постоянного электрического напряжения до уровня 0,8 МВ, получили ускоренные протоны до энергии 1 МэВ [1, 4]. С их помощью они в апреле 1932 г. первыми в мире на УЗЧ с искусственно ускоренными элементарными частицами-протонами осуществили расщепление ядра изотопа лития 37£/ на два разлетающихся с энергией около 8,5 МэВ ядра атома гелия 24Не (на две а~ частицы) [1, 4, 5]. За данное пионерское научное исследование в области ядерной физики они в 1951 г. стали лауреатами престижной Нобелевской премии по физике. Сохраняя историческую хронологию событий, отметим, что в октябре 1932 г. советскими физиками (Вальтером А.К., Синельниковым К.Д., Лейпунским А.И. и Латышевым Г.Д.) в Украинском физико-техническом институте (ныне ННЦ "ХФТИ" НАН Украины, г. Харьков) было впервые в бывшем СССР осуществлено расщепление легкого
ядра указанного изотопа щелочно-земельного лития 31Ы искусственно ускоренными протонами до энергии 2,5 МэВ [1, 4]. Данный общепризнанный и авторитетный во всем научном мире институт (ХФТИ) со своим мощным линейным ускорителем электронов и другими мощными установками ускорительной техники и поныне является ведущим национальным научным центром Украины в области физики высоких энергий.
Укажем здесь и то, что в 1931 г. выдающимся американским физиком Эрнестом Лоуренсом (19011958 гг.) был создан циклический резонансный ускоритель частиц - циклотрон с диаметром полюсных магнитных наконечников 0,28 м на энергию ускоряемых протонов в 1,2 МэВ [1, 4]. За данную пионерскую научно-техническую разработку Э. Лоуренсу в 1939 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Он явился инициатором использования ускоренных в УЗЧ частиц в медицине для борьбы со злокачественными опухолями. За научные заслуги в области мощной ускорительной техники и ее применение при исследовании структуры различных атомов и трансмутаций ряда химических элементов в его честь был назван открытый американскими учеными 103-й химический элемент в периодической системе Д.И. Менделеева - лоуренсий [3, 7]. Отметим, что первый большой циклотрон в Европе был построен в бывшем СССР только в 1937 г. под научным руководством российского физика Льва Мысовского (1888-1939 гг.) в Радиевом институте (г. Ленинград) [1, 5]. На рис. 1 приведена упрощенная классическая принципиальная схема ускорения заряженных частиц в циклотроне.
Рис. 1. Схематическое изображение кругового движения ускоряемых в вакуумной камере циклотрона заряженных частиц (1 - коробчатые дуанты; 2 - траектория частицы;
3 - ядерная мишень; 4 - ускоряющий промежуток;
5 - корпус вакуумной камеры;
6 - металлические электроды для подачи на дуанты переменного электрического напряжения) [1]
Согласно рис. 1 заряженные частицы, выпущенные с их источника в центральной зоне УЗЧ, из-за действия на них электродинамической силы Лоренца, обусловленной нормально направленной к плоскости циклотрона напряженностью постоянного магнитного поля между полюсными магнитными наконечниками, приобретают круговое движение по разворачивающейся спирали. Пролетая в вакуумном ускоряющем промежутке между полыми металлическими дуантами дисковой формы, ускоряемые частицы из-за разности электрических потенциалов между этими дун-
тами и соответственно действия на них напряженности электрического поля приобретают дополнительную кинетическую энергию. Частота ускоряющего электрического поля при этом совпадает с частотой обращения частицы в циклотроне (условие резонансного ускорения) [1, 3, 5]. Чем большей становится их скорость на круговой траектории - тем большим становится и радиус их орбиты. Ускорившись до максимальной энергии, они устремляются на ядерную мишень 3 (объект испытаний, см. рис. 1). Циклотроны, предназначенные для ускорения ультрарелятивист-ских электронов, получили название микротронов [5].
В предвоенные годы в Ленинградском физикотехническом институте под научным руководством доктора физ.-мат. наук Игоря Курчатова (1903-1960 гг.) активно велись работы по созданию в СССР более мощного чем в Радиевом институте циклоторона с диаметром полюсных магнитных наконечников в 1,2 м [1, 4]. Руководство советской науки и наши ведущие физики-ядерщики прекрасно понимало необходимость создания мощной технической базы для отечественной ядерной физики. Запуск его в опытную эксплуатацию планировался на январь 1942 г. Вторая мировая война эти важные научно-технические планы советских ученых перечеркнула полностью и отодвинула их назад на многие потерянные для науки годы.
При создании в мире мощных циклотронов ученые столкнулись с проблемой рассогласования в них процесса ускорения элементарных частиц. Из-за возрастания в циклотроне скорости ускоряемой частицы происходило возрастание ее массы, что приводило к ее торможению, начиная с определенных скоростей. Такое положение приводило к наступлению предела по достигаемой скорости для ускоряемой частицы и соответствено к ограничению ее энергии. Данная острая для УЗЧ научная задача была успешно решена известным советским физиком Владимиром Векслером (рис. 2) в 1944 г. [1, 4]. Независимо от В.И. Векслера эта важная задача для циклотронов была в 1945 г. разрешена и известным американским физиком Эдвином Мак-Милланом (1907-1991 гг.) [1, 4].
Рис. 2. Известный российский физик-ядерщик, академик АН СССР Владимир Иосифович Векслер (1907-1966 гг.)
Этими учеными, оставившими заметный след в физике и технике высоких энергий, были предложены оригинальные методы автофазировки и компенсации увеличения массы ускоряемых в циклотроне частиц [1, 4]: первый - за счет постепенного изменения по мере кругового ускорения частицы в УЗЧ частоты ускоряющего электрического поля в ускоряющем про-
межутке между дуантами УЗЧ; второй - за счет постепенного изменения в процессе ускорения частицы величины напряженности постоянного магнитного поля электромагнита УЗЧ, раскручивающего траекторию ускоряемой частицы. В 1954 г. в г. Беркли (США) вступил в строй протонный синхрофазотрон (бэватрон) на энергию ускоряемых положительно заряженных частиц-протонов в 6,3 ГэВ (рис. 3). Авторами разработки этого мощного УЗЧ была группа американских ученых во главе с упомянутым выше физиком-ядерщиком Э. Мак-Милланом, ставшим лауреатом Нобелевской премии по химииза 1951 г. [1].
Рис. 3. Внешний вид Берклиевскго протонного синхрофазотрона (США) на энергию ускоряемых частиц в 6,3 ГэВ [1]
В 1957 г. в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, СССР) был запущен в работу один из самых мощных на то время протонный синхрофазотрон на энергию ускоряемых частиц в 10 ГэВ (рис. 4). Определяющая роль в научно-технической разработке и создании этого УЗЧ принадлежит российскому физику В.И. Векслеру (Ленинская премия за 1959 г.) [1, 8]. Под руководством В.И. Векслера в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) закладывались основы разработки и сооружения первых советских синхрофазотронов, предназначенных для ускорения электронов (синхротронов) и протонов [1, 8]. В период с 1945 по 1957 годы им по существу создавались в СССР основы новой области науки и техники - физики частиц высоких энергий.
Рис. 4. Внешний вид Дубненского протонного синхрофазотрона
(Россия) на энергию ускоряемых частиц в 10 ГэВ [1]
Отметим, что согласно [9] термин "синхрофазотрон" (происходит от греч. слова "synchronos" - "одновременный" плюс "фазотрон") означает мощную электроустановку для ускорения протонов до огром-ных энергий порядка ГэВ, в которой протоны ускоряются высокочастотным электрическим полем изменяющейся в процессе их ускорения частоты, а стабилизация их круговых орбит достигается вследствие возрастания индукции постоянного магнитного поля.
В 1958 г. В.И. Векслером было сделано сенсационное научное сообщение на Женевской международной конференции по мирному использованию атомной энергии об создании в СССР Дубненского протонного синхрофазотрона на энергию частиц в 10 ГэВ [1, 8]. Великий датский физик-теоретик Нильс Бор (1885-1962 гг.) [10], побывавший на этом циклическом резонансном ускорителе протонов, стоя рядом с В.И. Векслером на смотровой площадке над огром -ным электромагнитом этого ускорителя (см. рис. 4), сказал [8]: "Чтобы задумать и построить такое сооружение, нужна была очень большая смелость". Недостатки линейных ускорителей частиц (электрический пробой изоляционных промежутков в ускорительной трубе при сверхподъеме высокого напряжения и др.) заставляли ученых искать новые пути для увеличения энергии частиц. С конца 50-х годов 20-го века центр тяжести научных интересов советских фи-зиков-ускорительщиков во главе с В.И. Векслером в области ускорительной техники от традиционных методов ускорения частиц переместился в область их ускорения за счет плазменных эффектов и взаимодействия одних коллективов ускоряемых частиц с другими [1, 8]. С этого времени в СССР и мире стали активно развиваться новые плазменные и коллективные методы ускорения в УЗЧ элементарных частиц [1, 8].
В 1967 г. в г. Станфорде (США) вступил в строй сверхмощный линейный ускоритель электронов на их выходную максимальную энергию до 21 ГэВ [1]. Отметим, что на Станфордском линейном ускорителе электронов (рис. 5) с длиной ускорительной трубы в 2 мили (около 3200 м) была достигнута рекордная на тот период энергия Wp ультрарелятивистских электронов в 21 ГэВ (0,021 ТэВ) [3]. Этой энергии соответствовала длина волны ускоренного ультрареля-
тивистского электрона, равная примерно 10-17 м.
Рис. 5. Общий панорамный вид сверху на Станфордский сверхмощный линейный ускоритель электронов (США) с их выходной энергией до 21 ГэВ [1]
Заметим, что в линейном ускорителе электронов ускорительная труба с высоко отвакуумированным внутренним объемом (с вакуумом порядка 10-6 мм рт.ст.) состоит из множества полых тонкостенных круглых металлических цилиндров различной длины, расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль одного прямолинейного направления -продольной оси ускорителя [4, 5]. К данным цилиндрам подводится переменное высокое электрическое напряжение, частота которого строго согласовывается
с длиной этих цилиндров и временем прохождения внутри них ускоряемого пучка (сгустка) электронов.
В 1959 г. в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (на франц. языке Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN, Швейцария) был создан УЗЧ на энергию ускоряемых протонов до 28 ГэВ [1]. К этому времени в мире были выполнены первые научно обоснованные разработки УЗЧ на встречных электронных пучках (электронных коллайдеров), в которых за счет встречных столкновений ускоряемых элементарных частиц получается большой выигрыш по энергии.
Одной из важных причин успешного создания в УФТИ (г. Харьков) и других научных центрах бывшего СССР ускорительной техники оказалось то, что здесь в 30-е годы 20-го столетия под научным руководством известного украинского физика Кирилла Синельникова (1901-1966 гг.) впервые в СССР были созданы высокопроизводительные вакуумные диффузионные паромаслянные насосы [4, 5]. Кстати, данные вакуумные насосы (с производительностью до 1000 л/с) разработки харьковских ученых были успешно использованы и при реализации доселе невиданной в мире по своим масштабам научно-промышленной эпопеи в рамках Атомного проекта СССР для создании ядерного оружия в составе технологических ком -плексов предприятий атомной промышленности по разделению изотопов ядерных материалов [11, 12].
4. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ СОВРЕМЕННЫХ
УСКОРИТЕЛЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
С конца 60-х и начала 70-х годов 20-го столетия в мире стали энергично развиваться новые методы ускорения сгустков элементарных частиц [1, 8]: по схеме обдува их плазмой или электронным пучком; их радиационное ускорение (за счет воздействия на них светового давления); их ударное ускорение; ускорение ионных сгустков релятивистскими электронными кольцами и др. Новые технические возможности для развития коллективных методов ускорения частиц до сверхвысоких энергий появились у физиков в связи с созданием импульсных сверхсильноточных электронных ускорителей [13, 14], способных выступать в качестве инжектора синхрофазотронов. Здесь следует отметить, что импульсный ток таких мошнмх электронных ускорителей мог достигать своей ампли-туды до 1 МА при его длительности до 10 не [4, 13].
В 1967 г. вступил в строй сверхмощный Серпу -ховский протонный синхрофазотрон (СССР) на энергию ускоряемых частиц до 76 ГэВ [1]. В современном ряду супермощных УЗЧ следует указать и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC на энергию не менее 33 ГэВ [1], работающий в Брукхейвенской научной лаборатории (США). На рис. 6 приведен общий вид американского сверхмощного ускорителя "Тэва-трон" Национальной лаборатории ядерных исследований им. Э. Ферми [1]. Начиная с 1985 г., ускоритель "Тэватрон" (США), работающий на встречных пучках ускоренных протонов, до 2010 г. оставался наиболее мощным в мире УЗЧ. Этот протон-антипротонный коллайдер-рекордсмен обладает энергией ускоряемых элементарных частиц до 1 ТэВ.
Укажем, что в подземном туннеле Европейского центра ядерных исследований CERN (Швейцария) на глубине около 100 мс конца 1995 г. размещалось ускорительное кольцо длиной около 27 км Большого электронно-позитронного коллайдера LEP, имевшего энергию 104 ГэВ на пучок против 14000 ГэВ у размещенного сейчас там современного Большого адронно-го коллайдера LHC [16]. Дальнейшие мировые разработки в области ускорительной техники показали, что новые успехи в физике высоких энергий оказались тесно связанными с протонными коллайдерами.
Рис. 6. Панорамный вид с высоты птичьего полета на кольцо гигантского ускорителя "Тэватрон" Национальной лаборатории ядерных исследований им. Э. Ферми (США) [15]
5. СОВРЕМЕННАЯ ВЕРШИНА УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ - БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР Данный тип ускорителя элементарных частиц (на англ. языке Large Hadron Collider - аббревиатура LHC, а на русском сокращенно БАК - Большой адронный коллайдер) является ускорителем заряженных частиц на встречных пучках. Большим он назван из-за своих размеров - длина основного ускорительного кольца ускорителя составляет около 27 км (если точно, то 26659 м [16]). Адронным он назван из-за того, что он ускоряет адроны, то есть элементарные частицы, состоящие из трёх кварков (протоны и др.), а коллайдером (от англ. слова "collide" - "сталкиваться" [9]) - из-за того, что пучки этих частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специально отведенных для этого местах большого ускорительного кольца, где и располагаются огром-ные детекторы элементарных частиц. БАК предназна-чен для электромагнитного разгона протонов и тяжё-лых ионов (например, ионов свинца) до скоростей, приближающихся к скорости света в вакууме, и изучения продуктов их встречных соударений. Данный коллайдер построен в Европейском центре ядерных исследований CERN на границе Швейцарии и Франции недалеко от г. Женевы. БАК на сегодня является самой крупной исследовательско-экспериментальной электроустановкой мира. Руководитель международ-ного проекта по созданию БАК - физик-ядерщик Лин Эванс. В разработке и строительстве БАК с 2001 г. участвовали более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран мира. Ориентировочная стоимость сооружения БАК - около 4,65 млрд. английских фунтов стерлингов [16]. Он будет являться самым большим УЗЧ в мире. БАК позволит получать новую информацию об элементарных частицах и силах, действующих в космическом пространстве нашей Все-
ленной. Ученые надеются, что БАК позволит воспроизвести физические условия, близкие к имевшим место после "Большого взрыва", породившего согласно принятой в научном мире гипотезе нашу Вселенную. По мнению некоторых ученых (например, доктора физ.-мат. наук, проф. Арефьевой И., Математический институт им. Стеклова РАН, г. Москва), когда энергия БАК сконцентрируется на субатомной частице с "тканью" Вселенной, которую ученые называют "пространство-время", могут произойти весьма странные вещи и эта "ткань" может измениться. Это может привести к рождению первой в мире "машины времени" [17]. Предполагается, что благодаря БАК физики-ядерщики смогут проникнуть внутрь материи так глубоко, как никогда ранее. В сентябре 2008 г. состоялся пробный и неудачный запуск части ускорительного кольца БАК, а в ноябре 2009 г. - удачный запуск всего кольца коллайдера. В 2010 г. энергия ускорительного кольца БАК, содержащего множество последовательно соединенных между собой с высокой точностью отдельных прямолинейных цилиндрических секций (элементов) его сверхпроводящей магнитной системы (рис. 7), была доведена до 3,5 ТэВ.
Рис. 7. Внешний вид устанавливаемого в ускорительное кольцо большого адронного коллайдера элемента его магнитной системы (2006 г., СЕКК, Швейцария) [16]
Следует заметить, что 1624 цилиндрических элемента этой сверхпроводящей магнитной системы используются в БАК для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков на пути их ускорения. На рис. 8 приведена внутренняя часть одного из элементов сверхпроводящей магнитной системы БАК, находящегося в лабораторном помещении в процессе своего изготовления. Эта сложная система сверхпроводящих магнитов, предназначенная для удержания ускоряемых пучков протонов на заданной круговой траектории, создает в зоне этих пучков сильное постоянное магнитное поле с индукцией порядка 10 Тл [18]. Это поле примерно в 200 тысяч раз превышает уровень индукции постоянного магнитного поля Земли [19].
Отметим, что ускорительное кольцо БАК расположено на глубине в среднем 100 м (кольцо подземного туннеля БАК наклонено примерно на 1,4 градуса
- процента относительно поверхности земли) и содержит в системе охлаждения сверхпроводящих обмоток своей магнитной системы (см. рис. 8) около 120 тонн жидкого гелия с температурой 4,22 К. Величина постоянного электрического тока в его сверхпроводящих обмотках составляет до 10 кА. Потребляемая
мощность БАК достигает до 180 МВт. Согласно [18] работы на коллайдере первоначально будут связаны с изучением встречного столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией до 14 ТэВ на один протон. Эта энергия оказывается в миллионы раз больше той энергии, которая выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза [3, 12]. Кроме того, далее на БАК предполагается проводить ядерные эксперименты с ускоренными ядрами свинца, сталкивающимися при энергии до 1150 ТэВ [18]. Изучая результаты таких столкновений, ученые-ядерщики надеются получить новые данные о строении материи. Чем больше столкновений удастся зафиксировать, тем больше шансов, что они столкнутся с наступлением новых уникальных событий, например, с рождением новых элементарных частиц.
Рис. 8. Внешний вид сверхпроводящей обмотки элемента магнитной системы ускорительного кольца большого адронного коллайдера (2006 г., CERN, Швейцария) [16]
На рис. 9 приведен общий вид одного из выходов ускорительного кольца БАК, в зоне которого будут осуществляться эти столкновения встречных пучков ускоренных практически до световой скорости протонов. Для регистрации результатов столкновения протонных пучков в ускорительном кольце БАК предусмотрены шесть огромных детекторов элементарных частиц [18], основными из которых являются "ATLAS" (рис. 10) и "CMS" (рис. 11).
Рис. 9. Внешний вид выхода ускорительного кольца в зоне размещения детектора частиц "ATLAS" большого адронного коллайдера (2GG5 г., CERN, Швейцария) [І7]
Частота столкновений встречных пучков ускоренных протонов в этих огромных детекторах БАК составляет до SGG раз в секунду. Скорость съемки в этих детекторах элементарных частиц БАК достигает 4G млн. кадров/с. Массогабаритные показатели указанных детекторов БАК просто поразительны. Например, вес элементов детектора "ATLAS" составляет около 7 тыс. тонн. Диаметр детектора "CMS" - 24 м.
Рис. 1G. Внешний вид универсального детектора элементарных частиц "ATLAS" большого адронного коллайдера (2GG6 г., CERN, Швейцария) [18]
Рис. 11. Внешний вид универсального детектора элементарных частиц "CMS" большого адронного коллайдера (2GG6 г., CERN, Швейцария) [18]
Объем помещения шахты (подземной каверны в горных породах) под детектор "CMS" составил свыше 2GG тысяч м3. Шесть лет ушло на создание только одного такого огромного подземного помещения (зала) БАК под универсальный детектор "CMS". Укажем, что около 15 лет потребовалось специалистам на разработку и сооружение для БАК универсальных детекторов элементарных частиц "ATLAS" и "CMS" [18].
Детектор "CMS" ускорителя БАК (см. рис. 11) -один из двух универсальных детекторов в ускорительном кольце БАК. Полюсный наконечник электромагнита этого детектора имеет диаметр до 11 м, а вес электромагнита детектора "CMS" составляет 28G
тонн. Предназначен он для обнаружения широкого круга новых частиц и явлений в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях микровещества при высоких энергиях. С его помощью в БАК надеются измерить свойства известных частиц с беспрецедентной до сих пор точностью, а также вести поиск совершенно новых непредсказуемых физических явлений и элементарных частиц. Подобные научные исследования помогут человечеству углубить свое понимание материи нашей Вселенной и путей ее происхождения.
Отметим тот один интересный для любознательного читателя факт, что кинетическая энергия всех сгустков частиц-адронов в БАК при полном заполнении ими его ускорительного кольца (около 2800 шт. сгустков в каждом встречном пучке протонов) сравнима с кинетической энергией современного реактивного самолета. Данные сгустки микровещества проходят (пролетают) один полный круг этого супер-мощного ускорителя протонов длиной около 27000 м примерно за 100 мкс, то есть совершают около 10 тысяч оборотов в секунду [18]. В то же время масса всех ускоренных частиц-протонов при этом не будет превышать одного нанограмма вещества [18]. Эти ускоренные в БАК микрочастицы-адроны даже нельзя будет увидеть невооружённым человеческим глазом. Такая огромная энергия (до 14 ТэВ) в БАК достигается за счёт колоссальной скорости ускоряемых частиц, близкой к скорости света в вакууме и составляющей в ускорительном кольце БАК около 3 • 108 м/с [3].
Считается, что объем ожидаемой научной информации ядерного характера только от одного столкновения встречных пучков ускоренных протонов в БАК до энергии порядка 10 ТэВ будет составлять не менее 200 стандартных компакт-дисков в секунду [18]. Эта научная информация будет в рамках уже разработанной и принятой международной кооперации ядерных исследований на БАК направляться в научные лаборатории 500 университетов мира, где около 5000 ведущих ученых-ядерщиков будет ее оперативно обрабатывать и сообщать полученные результаты в СЕИЧ (Швейцария, вблизи г. Женевы).
Одной из научных задач при выполнении на БАК будущих ядерных экспериментов будет та, которая связана с обнаружением и исследованием бозона Хиггса. Напомним, что бозон Хиггса был назван в честь известного шотландского физика-теоретика Питера Хиггса (1925 г.р.), теоретически открывшего в 1964 г. механизм “появления” масс у векторных бозонов в результате спонтанного нарушения своей симметрии (механизм Хиггса) [1]. Предполагается, что эта пока виртуальная элементарная частица отвечает за массу вещества в нашей Вселенной [18]. Предстоящие экспериментальные исследования на БАК должны подтвердить или опровергнуть эту теоретическую точку зрения на данный бозон.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Из представленного автором краткого научно-исторического обзора первых и современных научнотехнических разработок и исследований в области ускорительной техники, созданной за последнее столетие выдающимися физиками-ускорительщиками и
инженерами мира, следует, что человечество, несмотря на огромные умственные, физические и материальные затраты, благодаря своим выдающимся достижениям в атомной науке и технике упорно и объективно стремится к более глубокому познанию природы, устройства на микроуровне окружающей нас материи и путей происхождения нашей Вселенной.
2. Родившаяся в умах ученых в 1984 г. физикотехническая идея создания БАК в 2G1G г. нашла свое материальное воплощение в создании мировым научным сообществом на базе Европейского центра ядерных исследований CERN (Швейцария) крупнейшего в мире циклического резонансного ускорителя протонов на встречных пучках - протонного коллайдера с кинетической энергией ускоряемых и соударяемых частиц-адронов до 14 ТэВ на один протон.
3. Будущие уникальные ядерные исследования на указанном супермощном БАК помогут землянам глубже проникнуть в тайны мироздания и скрытого от нас завесой вечности сложного микромира.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Храмов Ю.А. История физики. - Киев: Феникс, 2GG6. -117б с.
2. Баранов М. И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 2: Открытие и изучение радиоактивности // Електротехніка і електромеханіка. - 2G11. - № 3. -С. 3-9.
3. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики / Отв. ред.
B.К. Тартаковский. - Киев: Наук. думка, 1989. - 8б4 с.
4. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 1: Электрофизика и выдающиеся физики мира. - Харьков: Изд-во НТУ "ХПИ", 2GG8. - 252 с.
5. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. - М.: Просвещение, 1974. - 312 с.
6. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть б: Техника высоких напряжений // Електротехніка і електромеханіка. - 2G12. - № 1. - С. 3-15.
7. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 1: Открытие периодического закона химических элементов // Електротехніка і електромеханіка.
- 2G11. -№ 2. - С. 3-9.
8. Комар А.А. В.И. Векслер и работы по ускорителям в ФИАН // История науки и техники. - 2GG9. - № 4. - С. 39-44.
9. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов.
- М.: Русские словари, 2GG4. - 957 с.
1G. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 3: Открытие и изучение строения атома // Електротехніка і електромеханіка. - 2G11. - № 4. -
C. 3-9.
11. Коган B.C. "До" и "После". - Харьков: ННЦ "ХФТИ", 2GG4. - 97 с.
12. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 7: Создание ядерного и термоядерного оружия // Електротехніка і електромеханіка. - 2G12. -№2. - С. 3-15.
13. Ковальчук Б.М., Котов Ю.А., Месяц Г.А. Наносекунд-ный сильноточный ускоритель электронов с индуктивным накопителем // Журнал технической физики. - 1974. - Т. 4б. -№ 1. -С. 215-217.
14. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. - М.: Наука, 2GG4. - 7G4 с.
15. Климов А.А. Большая книга знаний. - Харьков: Веста, 2G1G. - 16G с.
16. http://www.allmodernscience.net/.
17. Арефьева И. Большой адронный коллайдер // Наука и жизнь. - 2GG9. - №2 (1G). - С. 19-2G.
18. http://ru.wikipedia.org/wiki/Bonbmott_aflpoHHbffl_Konnattflep.
19. Баранов М.И. Постоянное магнитное поле планеты Земля. Новая гипотеза происхождения и его приближенный расчет // Електротехніка і електромеханіка. - 2G1G. - № 5. -С. 39-42.
Bibliography (transliterated): l. Hramov Yu.A. Istoriya fiziki. - Kiev: Feniks, 2GG6. - 117б s. 2. Baranov M.I. Antologiya vydayuschihsya dostizhenij v nauke i tehnike. Chast' 2: Otkrytie i izuchenie radioaktiv-nosti // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2G11. - № 3. - S. 3-9. 3. Kuz'michev V.E. Zakony i formuly fiziki / Otv. red. V.K. Tar-takovskij. - Kiev: Nauk. dumka, 1989. - 8б4 s. 4. Baranov M.I. Iz-brannye voprosy 'elektrofiziki: Monografiya v 2-h tomah. Tom 1: 'Elek-trofizika i vydayuschiesya fiziki mira. - Har'kov: Izd-vo NTU "HPI", 2GG8. - 252 s. 5. Kudryavcev P.S. Kurs istorii fiziki. - M.: Prosvesche-nie, 1974. - 312 s. б. Baranov M.I. Antologiya vydayuschihsya dostiz-henij v nauke i tehnike. Chast' б: Tehnika vysokih napryazhenij // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2G12. - № 1. - S. 3-15. 7. Baranov M.I. Antologiya vydayuschihsya dostizhenij v nauke i tehnike. Chast' 1: Otkrytie periodicheskogo zakona himicheskih 'elementov // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2G11. - № 2. - S. 3-9. S. Komar A.A. V.I. Veksler i raboty po uskoritelyam v FIAN // Istoriya nauki i tehniki. - 2GG9. - № 4. - S. 39-44. 9. Bol'shoj illyustrirovannyj slovar' inostrannyh slov. - M.: Russkie slovari, 2GG4. - 957 s. lO. Baranov M.I. Antologiya vydayuschihsya dostizhenij v nauke i tehnike. Chast' 3: Otkrytie i izuchenie stroeniya atoma // Elektrotehnika і elektromehanika.
- 2G11. -№ 4. - S. 3-9. ll. Kogan V.S. "Do" i "Posle". - Har'kov: NNC "HFTI", 2GG4. - 97 s. l2. Baranov M.I. Antologiya vydayuschihsya dostizhenij v nauke i tehnike. Chast' 7: Sozdanie yadernogo i termoyad-ernogo oruzhiya // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2G12. - №2. - S. 3-15. l3. Koval'chuk B.M., Kotov Yu.A., Mesyac G.A. Nanosekundnyj sil'notochnyj uskoritel' 'elektronov s induktivnym nakopitelem // Zhur-nal tehnicheskoj fiziki. - 1974. - T. 4б. - № 1. - S. 215-217. l4. Mesyac G.A. Impul'snaya 'energetika i 'elektronika. - M.: Nauka, 2GG4. -7G4 s. l5. Klimov A.A. Bol'shaya kniga znanij. - Har'kov: Vesta, 2G1G.
- 16G s. l6. http://www.allmodernscience.net/. l7. Arefeva I. Bol'shoj adronnyj kollajder // Nauka i zhizn'. - 2GG9. - №2 (1G). - S. 19-2G. lS. http://ru.wikipedia.org/wiki/Borshoj_adronnyj_kollajder. l9. Baranov M.I. Postoyannoe magnitnoe pole planety Zemlya. Novaya gipoteza proishozhdeniya i ego priblizhennyj raschet // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2G1G. - № 5. - S. 39-42.
Поступила 05.05.20ll
Баранов Михаил Иванович, д.т.н., с.н.с.
НИПКИ "Молния"
Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". бЮІЗ, Харьков, ул. Шевченко, 47 тел. (G57) 7G7-68-41, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
Baranov M.I.
An anthology of outstanding achievements in science and technology. Part 8: charged-particle accelerator creation.
A brief scientific and historical essay on the history of creation of charged-particle accelerators widely applied in nuclear and high-energy physics is given.
Key words - history, essay, charged-particle accelerators, structure of matter.
