Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие

Физика ускорителей заряженных частиц

Учебное пособие

Ибратжон Хатамович Алиев

Боходир Хошимович Каримов

Редактор Салим Мадрахимович Отажонов

Дизайнер обложки Ибратжон Хатамович Алиев

Иллюстратор Ибратжон Хатамович Алиев

Рецензент, доктор технических наук, доцент научно-исследовательского института полупроводников и микроэлектроники при Национальном Университете Узбекистана Оббосхон Хокимвич Кулдошев

Рецензент, старший научный сотрудник лаборатории ускорительной техники при Научно-исследовательском институте полупроводников и микроэлектроники при Национальном Университете Узбекистана Ринад Фуадович Руми

Рецензент, доктор физико-математических наук, профессор физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Салим Мадрахимович Отажонов

Рецензент, кандидат физико-математических наук, доцент факультета Систем компьютерного проектирования Ферганского Политехнического Института Султонали Мукарамович Абдурахмонов

Рецензент, доктор философии по физико-математическим наукам, старший преподаватель физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Сапура Маликовна Зайнолобидинова

Рецензент, преподаватель физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Дилшод Кулдошалиевич Юлдошалиев

Экономический руководитель Фаррух Муроджонович Шарофутдинов

Энокомический консультант Ботирали Рустамович Жалолов

Корректор Абдурасул Абдусолиевич Эргашев

© Ибратжон Хатамович Алиев, 2023

© Боходир Хошимович Каримов, 2023

© Ибратжон Хатамович Алиев, дизайн обложки, 2023

© Ибратжон Хатамович Алиев, иллюстрации, 2023

ISBN 978-5-0056-8124-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ФИЗИКА УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Лекция 1

Введение

Изучение окружающего мира человеком началось с момента его первого появления и продолжается по сей день, становясь причиной создания новейших изобретений в лице мельчайших микропроцессоров до исполинский коллайдеров, которые позволяют человеку изучать как необъятные просторы космоса, так и проникать в самую глубину атомных и даже ядерных структур. Среди различных методов изучения окружающего мира часто преобладало наблюдение за определённым экспериментом, что позволяло учёным определить различные постоянные, закономерности, вывести их математическую интерпретацию.

Но с уменьшением размеров и входом уже на молекулярных, атомных и ядерные уровни, наблюдения часто оказываются невозможными из-за предельных возможностей глаза, лупы, микроскопа и именно тут на помощь приходят ускорители частиц, которые и позволяют разбить сами частицы давая возможность по определению продуктов их распада построить модель их структуры. Именно по этой причине на сегодняшний день развитие физики ускорителей, физики ядерных реакций и иных областей физики связанных с изучением мельчайших структур становиться максимально актуальным и важна максимальная популяризация этой области знаний.

Данный курс предназначен для студентов, которые будут заниматься ядерной физикой, физикой элементарных частиц и атомного ядра, а также новоявленной физикой резонансных ядерных реакций. Каждый специалист обязан полностью понимать и знать все явления и природу экспериментов, проводимых на ускорителях, а также саму физику ускорителей. Сами по себе ускорители заряженных частиц представляются довольно сложными устройствами, действующие поэтапно и генерирующие пучки самых различных заряженных частиц, среди которых известными являются протоны, дейтроны, электроны, тритоны и прочие. Наряду с перечисленным экспериментатор обязан полноценно понимать все теоретические расчёты и математический аппарат физики, с которой он контактирует, что позволяет ему действовать также самостоятельно без какой бы то ни было дополнительной консультации.

Читаемый курс является вводным в физику ускорителей, с представлением начальных характеристик, видов и принципов действия самих устройств, а также с редким упоминанием примером физических явлений, а именно ядерных реакций, осуществляемые на них. Будет также представлен и начальный математический аппарат относительно некоторых физических явлений, которые будут представляться слушателям. Необходимо наличие у слушателей записных тетрадей лекций, а также рекомендуется наличие записных книжек для специальной терминологии и формул.

Также рекомендуется для личностей, посветивших свою жизнь в одну из самых величественных областей человеческой деятельности, как наука, ознакомиться и с художественной литературой по этой области.

Рекомендуемая литература

1. И. Б. Иссинский. Введение в физику ускорителей заряженных частиц. 2012.

2. А. Н. Лебедев, А. В. Шальной. Основы физики и техники ускорителей. 1991.

3. Ахмедова Г., Холбаев И., Маматкулов О. Б. Атомная физика. 2012.

4. Алиев И. Х., Шарофутдинов Ф. М. Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проекта «Электрон». 2021.

5. Алиев И. Х. Новые параметры по ядерным реакциям для осуществления на ускорителях заряженных частиц типа ЛЦУ-ЭПД-300. Проект «Электрон». 2022.

Тема: Зарождение ускорителей заряженных частиц

История ускорительной техники берёт своё начало ещё во времена самых первых исследований в области изучения строения вещества, и, хотя вопрос о строении материи был поставлен ещё в глубокой древности, его активное развитие начинается лишь чуть ранее открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Самые первые попытки в области увеличения энергии генерируемых частиц были приложены ещё во времена первых трубок Крукса, в которых обеспечивался высокий вакуум, что позволяло обеспечить вылет приличного потока электронов под действием термоэлектронной эмиссии.

Но если исходить из самого начала, то в истории ускорителей можно найти немало выдающихся изобретений, новых и ярких физических идей, в некоторых случаях, имеющих характер научного открытия. Однако развитие методов ускорения заряженных частиц и стремление ко всё большим энергиям никогда не были самоцелью и обязательно подчинялись в основном, логике развития ядерной физики и возникшей из неё физики высоких энергий.

Ранее проводимые исследования и постройки в области ускорительной физики можно изобразить при помощи диаграммы, таким образом в существовании объективных закономерностей развития ускорительной техники просто и наглядно убеждает такая зависимость от времени максимальной энергии, достигнутой в лабораторных условиях. В логарифмическом масштабе эта зависимость отражается прямой линией, на которую с некоторыми оговорками попадают и существующие установки, и проектируемые машины. То есть, энергия искусственно ускоренных элементарных частиц экспоненциально возрастает на порядок каждые семь-восемь лет, что отражает объективную закономерность развития науки и физики высоких энергий. При всей важности новых идей в физике ускорителей нельзя отметить, что заметных изломов на этой прямо их появление не вызвало и не привело к подобному случае, наличия каких-либо явных отклонений.

Вероятно, первые соображения о получении искусственно ускоренных частиц появились вместе с зарождением экспериментальной ядерной физики после исторических опытов Э. Резерфорда в 1919 г., хотя к этому времени уже существовали высоковольтные рентгеновские трубки и установки для получения «канальных лучей», в определённой степени, заслуживающие названия ускорителей. Возможности высоковольтной техники того времени, и энергия альфа-частиц естественных радиоактивных изотопов, с которыми ускорители были призваны конкурировать, определяли и ближайшую цель – получение частиц с энергией порядка нескольких МэВ. Впрочем, были, конечно, ясны и принципиальные преимущества ускорителей – возможность ускорения протонов, иных элементарных частиц, а также направленность и большая интенсивность пучка, эквивалентная десяткам и сотням килограмм естественных радиоактивных препаратов. Интересно, что в 20-е годы было высказано довольно много идей ускорения до большой энергии, опередивших своё время и воплощённых в конкретных установках лишь по прошествии многих лет.

Тем не менее, первая искусственная ядерная реакция – расщепление ядра лития протонами с энергией 700 кэВ – была осуществлена сотрудниками Резерфорда Дж. Кокрофтом и Э. Уотсоном в 1931 году и сразу же повторена в нескольких лабораториях. Эту дату и можно считать началом истории ускорителей.

Умножитель Кокрофта-Уолтона

Установка Кокрофта-Уолтона состояла из двух основных элементов – генератора высокого напряжения и ускорительной трубки. Оба они в техническом отношении претерпели в дальнейшем существенные модификации. Одним из основных этапов в развитии электростатических ускорителей было изобретение в 1929 году Р. Ван-де-Граафом из Пристонского университета в США генератора высокого напряжения с механическим переносом заряда. Повышение энергии в этих машинах сдерживалось в основном электрической прочностью опорных изоляторов и ускорительной трубки, по применение принудительного распределения потенциала позволило вскоре получить энергию 2,5 МэВ. В СССР в 1938 году в Харькове был запущен электростатических ускоритель на 3,6 МэВ. Важно также отметить, что к концу 50-х годов ускорительная трубка серийного электростатического ускорителя выдерживала уже на порядок больше, а именно 16 МВ.

Тем не менее, ограниченные возможности метода электростатического ускорения были очевидны, а развитие физики ядра настоятельно требовало перехода к энергиям порядка десятка МэВ, сравнимой со средней энергией связи нуклона в ядре. Поэтому качественно новым этапов в развитии ускорителей следует считать появление резонансных методов, не требующих высоких напряжений. Первые идеи такого рода были высказаны, как показывают исследования, шведским учёным Изингом в 1924 году, но не привели к созданию работоспособной модели. Линейным вариантом резонансного ускорителя занимался также шведский физик Р. Видерое, внёсший вклад и для разработки бетатрона. В их схемах не было никаких принципиальных недостатков, но увы, лишь отсутствие в конце 20-х годов мощных коротковолновых генераторов не позволило осуществить их на практике. Выше уже упоминалось об обилии появившихся в то время идей, к большому сожалению, не нашедших технического воплощения. В этой связи следует упомянуть и имя американского инженера Дж. Слепяна, в патентах которого можно найти прообразы некоторых будущих ускорителей, в том числе известного бетатрона и линейного резонансного ускорителя.

На реальную основу резонансное ускорение было поставлено в работах Э. Лоуренса, проводившихся в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли. Практически одновременно в 1930—1932 гг. в этой лаборатории появились работающие модели циклотрона – первого циклического ускорителя, в создании которого важную роль сыграл М. Ливингстон, и линейного резонансного ускорителя с трубками дрейфа (Д. Слоан). Однако линейные системы вскоре отошли на второй план из-за недостаточного развития техники СВЧ по сравнению с циклотроном, который уже начал поистине своё большое триумфальное шествие.

Уже в 1935 году была получена энергия альфа-частиц, равная 11 МэВ и впервые превысившая максимальную энергию естественных радиоактивных изотопов, а в 1938 году был запущен циклотрон с диаметром полюсов 1,52 м, на котором были получены альфа-частицы с энергией 32 МэВ. Перед началом второй мировой войны было начато сооружение циклотрона для дейтронов на энергию 100 МэВ. Первый циклотрон в Европе был запущен в Ленинграде в 1936 году в Радиевом институте на энергию 6 МэВ.

Говоря же об общей роли циклотрона в развитии ядерной физики, то её трудно переоценить. Особенно важным этапом стало ускорение в циклотроне дейтронов, сначала из-за того интереса, который представляет дейтрон как простейшая ядерная система, а затем из-за открывшихся возможностей генерации интенсивных потоков нейтронов с помощью легко идущих реакций типа (d-n), то есть дейтрон-нейтронных реакций. Значение последнего указанного обстоятельства не требует комментариев, поскольку благодаря ему были впоследствии получены точные количественные сведения о сечениях реакции захвата и деления, ибо реакции с нейтронами привлекли в дальнейшем большое внимание за счёт урановой технологии.

Проблема ускорения электронов стояла несколько особняком и не могла быть решена на пути развития циклотрона, принципиально не пригодного для ускорения релятивистских частиц. Линейные же ускорители пережили своё настоящее второе рождение лишь после второй мировой воны в связи с бурным развитием техники генерации СВЧ-колебаний для целей радиолокации. Однако в 1940 году Д. Керстом в США был запущен циклический индукционный, то есть не резонансный ускоритель – бетатрон на 2,3 МэВ, основная идея которого содержалась в патентах Слепяна. Близко к созданию бетатрона подошёл Видерое, впервые сформулировавший так называемое бетатронное условие, позволяющее сохранить при ускорении радиус орбиты почти постоянным, что оказалось важным с практической точки зрения. Кроме того, в начале 40-х годов были чётко выяснены условия устойчивости движения электронов в бетатроне, что имело принципиальное значение. Дело в том, что ускоряющее электрическое поле в бетатроне в практических условиях оказывается очень малым и для достижения одной и той же энергии частица вместо сотен метров, как в циклотроне, должна пройти полный путь в тысячи километров, на котором, естественно, сильно сказываются даже малые возмущения движения.

Работа Керста была повторена, хотя и не сразу, в нескольких лабораториях, в том числе и в СССР, и бетатрон вскоре стал надёжным и простым источником тормозного излучения, используемым в физики фотоядерных реакций и в технике. Однако главный недостаток циклотрона – небольшое ускоряющее поле, почти неизбежно следующий из нерезонансного характера ускорения, он и определял максимальную энергию на уровне 100 МэВ, когда же крупнейший бетатрон Иллинойского университета в США давал энергию 300 МэВ. Принципиальный характер этого ограничения связан с магнитотормозным или точнее синхротронным излучением частиц, двигающихся по окружности в самой вакуумной камере.

Теория синхротронного излучения, развитая в начале 40-х годов и хорошо подтверждённая экспериментально, указывала на неизбежное возрастание с энергией радиационных потерь, которые не могли быть восполнены относительно малым ускоряющим полем бетатрона. Таким образом, в начале 40-х годов сложилась внешне тупиковая ситуация: казалось, что резонансные методы достигли своего потолка, связанного с релятивистскими эффектами, а нерезонансные сталкивались с непреодолимыми техническими трудностями. В то же время переход в диапазон энергий порядка сотен МэВ был необходим в связи с появлением новой отрасли науки – физики элементарных частиц и требованиями генерации недавно открытых мезонов, когда же энергия покоя μ-мезона составляет 106 МэВ, а π-мезона целых 140 МэВ. Новый качественный этап в истории ускорителей связан с именем В. И. Векслера, работавшего тогда в ФИАН имени П. Н. Лебедева.

Владимир Иосифович Векслер

В 1944 году В. И. Векслер сформулировал свой знаменитый принцип автофазировки, согласно которому резонансное ускорение может быть продлено до сколь угодно больших энергий при весьма умеренных требованиях к параметрам ускоряющего поля. Этот принцип независимо был открыт в США Э. Мак-Милланом в 1945 году. Интересно отметить, что принцип автофазировки использует те самые эффекты зависимости частоты обращения от энергии, которые казались препятствием для повышения энергии частиц в циклотроне. Кроме того, применение основной идеи В. И. Векслера оказалось необходимым для более глубокого понимания работы и линейного резонансного ускорителя, а впоследствии и ряда других физических приборов, где существенно взаимодействие между образуемой в системе электромагнитной волной и ускоряемыми заряжёнными частицами.

Таким образом представляется начальный этап развитие ускорительной техники, с началом собственного зарождения, разделения на несколько видов и образованием первым физико-математических теорий, которые уже нашли свою реализацию. В дальнейшем в при помощи 2 дополнительных тем по истории ускорительной техники будет полностью рассмотрен вопрос о последующих проведённых работах до сегодняшнего дня, после чего можно будет переходить непосредственно к описанию конструкции самих ускорителей и их математического аппарата.

Контрольные вопросы

1. Опыты какого учёного стали основополагающими в начале работ по проведению ядерных реакций без ускорителей?

2. Когда и кем была осуществлена первая ядерная реакция?

3. Запишите уравнение первой искусственной ядерной реакции.

4. Какой учёный разработал метод генерации высокий напряжений при механического типа в 1929 году?

5. В каком году был сформулирован принцип автофазировки В. И. Векслера?

6. Из каких частей состояла установка Кокрофта-Уолтона?

7. Где был запущен один из первых электростатических ускорителей в 1938 году на энергию 3,6 МэВ?

8. Когда и где был создан первый циклотрон?

9. Укажите энергию покоя μ и π-мезонов.

10. Какие учёные независимо друг от друга разработали принцип автофазировки в 1944 году?

Лекция 2

Тема: Физика ускорительной техники с половины XX века

В прошлый раз было завершено изучение первого этапа развития физики ускорителей, после чего можно переходить к последующему изучению, в частности этот этап начинается с идей В. И. Векслера.

Исходя из основной физической идеи автофазировки, В. И. Векслер предложил несколько конкретные ускорительные схемы. В первую очередь, к ним относится синхротрон – ускоритель с переменным магнитным полем и постоянной частотой ускоряющего поля и фазотрон – модифицированный циклотрон с постоянным полем и переменной частотой, о которых будет подробно рассказано. В синхротроне для тяжёлых частиц, к примеру протонов, чтобы сохранить радиус орбиты постоянным, надо менять и магнитное поле, и частоту, что дало основание назвать его синхрофазотроном, который также будет подробно описываться. Кроме того, В. И. Векслером был предложен микротрон – своеобразный циклотрон для ускорения лёгких частиц, примером которых являются электроны.

Выдвинутые идеи быстро начали претворяться в жизнь, и уже к началу 1947 году в Великобритании, СССР и в США были запущены первые небольшие синхротроны. В 1949 году в Москве под руководством В. И. Векслера и П. А. Черенкова в ФИАН имени П. Н. Лебедева был запущен электронный синхротрон на энергию 280 МэВ, позволивший начать планомерные исследования по фото-рождению мезонов. Уже к 1960 году в мире существовало несколько огромных электронных синхротронов этого поколения на энергию порядка 1 ГэВ.

Для оценки развития ускорителей техники в те годы важно иметь в виду два обстоятельства.

Во-первых, создание ускорителей перестало быть делом одной лаборатории. Быстро возрастающие вес и мощность питания магнитов, потребность в специализированных защищённых помещениях, новые требования к вакуумным и высокочастотным системам, наконец, большая стоимость и трудоёмкость ускорительных установок привели, по существу, к появлению специализированной промышленности. В СССР значительную роль сыграл Радиотехнический институт, возглавляемый А. Л. Минцем, НИИ электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова в Ленинграде, работавший под руководством Е. Г. Комара и другие. Нельзя не отметить также выдающуюся роль людей, координировавших эту деятельность – Д. В. Ефремова, А. М. Петросьянца, К. Н. Мещерякова и многих других.

Во-вторых, этот этап развития ускорительной техники и исторически, и по существу совпадал с развитием работ по прикладной ядерной физике. Это обусловило известную ограниченность информации о конкретных технических проектах и решениях, в значительной мере самостоятельный характер развития ускорительной техники в Советском Союзе.

В 1949 году в хорошо известном ныне городе Дубна был запущен крупнейший в мире ускоритель – фазотрон или же синхроциклотрон на энергию 680 МэВ. Сравнимой по масштабу установкой был в то время также синхроциклотрон Калифорнийского университета в Беркли. Даже к 80-м годам эти установки сохраняют лидирующее, хотя уже и не рекордное, положение в своём классе машин. Крупнейшим синхроциклотроном на момент 80-х годов является машина Института ядерной физики имени Б. П. Константинова в Гатчине под Ленинградом. Диаметр магнитных полюсов этой установки, рассчитанной на энергию 1 ГэВ, составляет около 7,5 м.

Первыми крупными протонными синхротронами были космотрон на 3 ГэВ в Брукхейвенской лаборатории под Нью-Йорком, созданный в 1952 году, синхротрон Бирмингамского университета в Англии на 1 ГэВ, построенный уже в 1953 году и беватрон в Беркли 1954 года. Последняя машина заслуживает особого упоминания, так как максимальная энергия протонов в ней составляющая 6,3 ГэВ, была специально рассчитана на возможность генерации пар протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон. Искусственное создание тяжёлых античастиц, впервые осуществлённое Э. Сегре в сотрудничестве, стало триумфом ускорительной физики.

Несколько позже в Дубне завершилось строительство крупнейшего в мире ускорителя – синхрофазотрона на энергию 10 ГэВ. Некоторые цифры, связанные с этой установкой, впечатляли даже в 80-х годах – по прошествии более 20 лет. Кольцевой магнит ускорителя радиусом 28 м по орбите и шириной 7,5 м весит 36 000 тонн, собран из шихтованной тщательно отсортированной стали и установлен с очень высокой точностью. Система питания магнита имеет реактивную мощность порядка 140 МВ*А, а поперечное сечение вакуумной камеры составляет 200*40 см. Говоря же о синхрофазотроне в Дубне, принадлежащий Объединённому институту ядерных исследований (ОИЯИ), он был запущен в 1956 году.

Параллельно циклическим ускорителям в послевоенные годы начали развиваться и линейные ускорители, сразу же разбившиеся на два подкласса, – электронные и ионные машины. Для первых характерной особенностью было постоянство скорости ускоряемых частиц, практически равной скорости света. Наиболее эффективной ускоряющей системой для них оказался диафрагмированный волновод с бегущей электромагнитной волной, возбуждаемой от магнетрона, а позднее от клистронного усилителя мощности, как правило, 10-сантиметрового диапазона.

Без принципиальных изменений физического характера эти системы применяются и теперь. Первый ускоритель на бегущей волне был запущен в 1948 году У. Уолкиншоу с сотрудничеством в Англии, однако максимальная энергия, полученная на таких машинах, долгое время оставалась небольшой, и только в конце 50-х начале 60-х годов в США, СССР и во Франции были построены электронные ускорители на несколько сот МэВ. Крупнейший в СССР линейный ускоритель электронов на энергию 1,8 ГэВ находится в Харьковском Физико-техническом институте (ФТИ). Для развития физики линейного ускорения электронов много сделали Е. Гинцтон, Л. Смит, В. Пановский, Р. Нил, а в СССР – А. И. Ахиезер, В. В. Владимирский, Я. Б. Фейнберг, И. А. Гришаев, О. А. Вальднер, Н. А. Хижняк, Р. М. Воронков и другие.

На развитие линейных ускорителей протонов и иных тяжёлых частиц решающее влияние оказала работа Л. Альвареца – сотрудника Э. Лоуренса, использовавшего в 1947 года для ускорения протонов до 32 МэВ многозазорный резонатор, или систему трубок дрейфа, расположенных в общем баке. Система эта оказалась настолько удачной, что с малосущественными изменениями применяется и теперь для ускорения до средних энергий, меньших 200 МэВ. Однако при ускорении протонов до энергий свыше 100—200 МэВ система Альвареца оказывается малоэффективной, а система типа диафрагмированного волновода, работающая при скоростях порядка скорости света, ещё не может быть применена. Именно из-за этого долгое время энергия в линейных протонных ускорителях не превышала 100 МэВ, а сами они служили, главным образом, как инжекторы для больших протонных синхрофазотронов.

Одновременно с созданием крупных ускорительных установок резко увеличился интерес к теории ускорителей. Это вполне объяснимо, так как без чёткого понимания всех особенностей движения частиц проектирование и сооружение дорогостоящих уникальных машин было бы просто невозможным.

Повышение энергии ускорителей пока что неизбежно связано с увеличением размера установки. Если допустить, что размеры циклического ускорителя линейно растут с максимальной энергией, а это не так уж далеко от реальности, то, скажем, масса магнита должна расти как куб энергии. Возвращаясь к характеристикам синхрофазотрона ОИЯИ, нетрудно видеть, что даже столь прозаические трудности перерастают в принципиально непреодолимые, если на тех же основах проектировать магнит хотя бы на 30—50 ГэВ. Для того чтобы уменьшить поперечное сечение магнита, нужно, прежде всего, уменьшить сечение пучка, т.е. резко улучшить фокусировку частиц около расчётной траектории. Сделать это за счёт известных механизмов оказывалось невозможным. Поэтому очередным качественным этапом в истории ускорителей следует считать появление сильной, или жёсткой, фокусировки, принцип которой был сформулирован Р. Курантом, М. Ливингстоном, и Г. Снайдером в 1952 году.