Что такое синхрофазотрон простыми
что такое синхрофазотрон? кто нибудь знает что такое синхрофазотрон?
Не бываю я нигде, не дышу озоном,
Занимаюсь на труде синхрофазатроном.
То ли еще будет
Ой-ой-ой!
(«Песенка первоклассника»)
В 1957 году Советский Союз осуществил революционный научный прорыв сразу в двух направлениях: в октябре был запущен первый искусственный спутник Земли, а за несколько месяцев до этого, в марте, в Дубне начал работать легендарный синхрофазотрон — гигантская установка для исследования микромира.
Эти два события потрясли весь мир, и слова «спутник» и «синхрофазотрон» прочно вошли в жизнь. 
Синхрофазотрон представляет собой один из видов ускорителей заряженных частиц. Частицы в них разгоняют до больших скоростей и, следовательно, до высоких энергий. По результату их соударений с другими атомными частицами судят о строении и свойствах материи. Вероятность соударений определяется интенсивностью ускоренного пучка частиц, то есть количеством частиц в нем, поэтому интенсивность наряду с энергией — важный параметр ускорителя.
4 марта 1907 года в Житомире родился будущий академик Владимир Иосифович Векслер.
Создатель синхрофазотрона в России
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. В 1931 году окончил экстерном Московский энергетический институт и стал заниматься 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.
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 циклотронов в нашей стране. Работы прервала война, и только в 1943 году Векслеру удалось вернуться к проблемам ускорителей.
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.
Синхрофазотрон — 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.
А ты случаем не иранский шпион?
Синхрофазотрон — 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 физической энциклопедии приводится следующее определение: синхрофазотрон — выходящее из употребления название протонного синхротрона со слабой фокусировкой [1].
В настоящее время под словом «синхрофазотрон», как правило, понимается конкретный ускоритель Синхрофазотрон ОИЯИ с энергией пучков протонов 10 ГэВ, сооружённый под руководством В. И. Векслера в Объединённом институте ядерных исследований в 1957 году [2]
Принцип работы синхрофазотрона
Синхрофазотрон: что такое, принцип действия
Для чего нужен синхрофазотрон?
Для изучения микромира и познания структуры элементарных частиц, законов их взаимодействия друг с другом был создан прибор под названием синхрофазатрон.
Сам способ познания был чрезвычайно прост: поломать частицу и посмотреть, что находится внутри.
Однако как можно поломать протон? Для этого и был создан синхрофазотрон, который разгоняет частицы и ударяет их о мишень.
Последняя может быть неподвижной, а в современном Большом адронном коллайдере (он является усовершенствованной версией старого доброго синхрофазотрона) мишень является подвижной. Там пучки протонов с огромной скоростью движутся друг к другу и ударяются.
Считалось, что эта установка позволит осуществить научный прорыв, открыть новые элементы и способы получения атомной энергии из дешевых источников, которые превосходили бы по эффективности обогащенный уран и являлись бы более безопасными и менее вредными для окружающей среды.
Что такое синхрофазотрон
Данная установка представляет собой ускоритель элементарных частиц, протонов в частности.
Синхрофазотрон состоит из немагнитной закольцованной трубы с вакуумом внутри, а также мощных электромагнитов.
Поочередно магниты включаются, направляя заряженные частицы внутри вакуумной трубы.
Когда они с помощью ускорителей достигают максимальной скорости, их направляют в специальную мишень.
Протоны в нее ударяются, разбивают саму мишень и разбиваются при этом сами. Осколки разлетаются в разные стороны и оставляют следы в пузырьковой камере.
По этим следам группа ученых анализирует их природу.
Сама по себе установка является достаточно сложной и высокотехнологичной. Можно сказать, что синхрофазотрон – это «дальний родственник» современного Большого адронного коллайдера. По сути, его можно назвать аналогом микроскопа. Оба эти прибора предназначаются для изучения микромира, только принцип изучения разный.
Подробнее об устройстве
В установке частицы двигаются по кругу, и на каждом обороте их подпитывают энергией, получая ускорение. И хотя подобная подпитка невелика, за миллионы оборотов можно набрать необходимую энергию.
В основу работы синхрофазотрона положен именно этот принцип. Разогнанные до небольших значений элементарные частицы запускаются в туннель, где располагаются магниты. Они создают перпендикулярное кольцу магнитное поле. Многие ошибочно полагают, что эти магниты ускоряют частицы, но на самом деле это не так. Они лишь меняют их траекторию, заставляя двигаться по окружности, однако не ускоряют их. Само ускорение происходит на определенных разгонных промежутках.
Разгон частиц
Подобный промежуток ускорения представляет собой конденсатор, на который подается напряжение с высокой частотой.
Пучок протонов влетает в данный конденсатор в момент, когда напряжение в нем равно нулю.
По мере того как частицы пролетают по конденсатору, напряжение успевает возрасти, что подгоняет частицы.
На следующем кругу это повторяется, так как частота переменного напряжения специально подбирается равной частоте обращения частицы по кольцу.
Следовательно, синхронно и в фазе осуществляется ускорение протонов. Отсюда и название – синхрофазотрон.
Кстати, при таком способе ускорения есть определенный полезный эффект.
Если вдруг пучок протонов летит быстрее необходимой скорости, то он влетает в разгонный промежуток при отрицательном значении напряжения, из-за чего немного притормаживает.
Если скорость движения меньшая, то эффект будет обратным: частица получает ускорение и догоняет основной сгусток протонов.
В результате плотный и компактный пучок частиц движется с одной скоростью.
Первоклассник из знаменитого шлягера Пугачевой вместо того, чтобы дышать озоном занимался на труде синхрофазотроном. То ли еще будет! В «Операции Ы» на экзамене изобретательный студент погорел именно на нем: «Билет номер семь. Принцип действия синхрофазотрона. Перехожу на прием». То есть синхрофазотрон настолько популярен, что прочно вошел в фольклор. Без всяких указаний сверху граждане чувствовали, что синхрофазотрон – нечто особенное.
Синхрофазотрон создал совсем молодой академик Владимир Векслер, которому в момент запуска было всего 50 лет. В детстве он был беспризорником, учился в коммуне в Хамовниках, стал электромонтером, получил комсомольскую путевку в институт. Парень не просто с головой, он был наделен редким талантом, его пригласили в Физический институт, откуда вышли практически все наши Нобелевские лауреаты.
В 1949 году Векслер приступил к проектированию синхрофазотрона в закрытой Дубне. Однако после создания атомной бомбы и первых АЭС, ученые во всем мире пришли к пониманию того, что работы в ядерной физике не могут быть только секретными. В середине 1950-х годов возникли два международных центра – ЦЕРН в Швейцарии, который был создан западными странами, и Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, где работали физики из стран социализма, но половину расходов взял на себя СССР.
Синхрофазотрон был запущен уже в международном центре, секрета не было, достижение было признано всеми. Мощность синхрофазотрона составляла 10 Гэв (10 миллиардов элетронвольт). Таких установок в мире не было. Через несколько лет в Протвино был запущен также крупнейший в мире ускоритель на 70 Гэв, ставший прообразом Большого адронного коллайдера.
В 2002 году легендарный синхрофазотрон прекратил работу и находится в стадии демонтажа. Но весь он не умрет. Ярмо магнита используется в новом коллайдере NICA, который будет запущен в 2019-м году. Россия строит еще несколько мощных ускорителей, участвует в международных проектах в Германии и во Франции.
Владимир Векслер умер, как Курчатов и Королев, не дожив до 60 лет.
Синхрофазотрон: что такое, принцип действия и описание
В 1957 году СССР осуществил научный и технический прорыв в нескольких областях: произвел успешный запуск искусственного спутника Земли, а за несколько месяцев до данного события в Дубне начал работать синхрофазотрон. Что это такое и для чего нужна подобная установка? Этот вопрос волновал не только граждан СССР в то время, но и весь мир. Разумеется, в научном кругу понимали, что это такое, но обычные граждане приходили в недоумение, когда слышали это слово. Даже сегодня большинство людей не понимают сути и принципа синхрофазотрона, хотя не раз слышали это слово. Давайте разберемся, что это за устройство и для чего применялось.
Для чего нужен синхрофазотрон?
Разрабатывали эту установку для изучения микромира и познания структуры элементарных частиц, законов их взаимодействия друг с другом. Сам способ познания был чрезвычайно прост: поломать частицу и посмотреть, что находится внутри. Однако как можно поломать протон? Для этого и был создан синхрофазотрон, который разгоняет частицы и ударяет их о мишень. Последняя может быть неподвижной, а в современном Большом адронном коллайдере (он является усовершенствованной версией старого доброго синхрофазотрона) мишень является подвижной. Там пучки протонов с огромной скоростью движутся друг к другу и ударяются.
Считалось, что эта установка позволит осуществить научный прорыв, открыть новые элементы и способы получения атомной энергии из дешевых источников, которые превосходили бы по эффективности обогащенный уран и являлись бы более безопасными и менее вредными для окружающей среды.
Военные цели
Конечно, военные цели также преследовались. Создание атомной энергии в мирных целях – это лишь оправдание для наивных. Не зря проект синхрофазотрона вышел с грифом «Совершенно секретно», ведь строительство этого ускорителя осуществлялось в рамках проекта создания новой атомной бомбы. С его помощью хотели получить усовершенствованную теорию ядерных сил, которая необходима для расчета и создания бомбы. Правда, оказалось все гораздо сложнее, и даже сегодня эта теория отсутствует.
Что такое синхрофазотрон простыми словами?
Если обобщить, то данная установка представляет собой ускоритель элементарных частиц, протонов в частности. Синхрофазотрон состоит из немагнитной закольцованной трубы с вакуумом внутри, а также мощных электромагнитов. Поочередно магниты включаются, направляя заряженные частицы внутри вакуумной трубы. Когда они с помощью ускорителей достигают максимальной скорости, их направляют в специальную мишень. Протоны в нее ударяются, разбивают саму мишень и разбиваются при этом сами. Осколки разлетаются в разные стороны и оставляют следы в пузырьковой камере. По этим следам группа ученых анализирует их природу.
Так было ранее, однако в современных установках (типа Большого адронного коллайдера) применяются более современные детекторы вместо пузырьковой камеры, которые дают больше информации об осколках протонов.
Сама по себе установка является достаточно сложной и высокотехнологичной. Можно сказать, что синхрофазотрон – это «дальний родственник» современного Большого адронного коллайдера. По сути, его можно назвать аналогом микроскопа. Оба эти прибора предназначаются для изучения микромира, вот только принцип изучения разный.
Подробнее об устройстве
Итак, мы уже знаем, что такое синхрофазотрон, а также то, что здесь частицы разгоняются до огромных скоростей. Как оказалось, для разгона протонов до огромной скорости необходимо создать разность потенциалов в сотни миллиардов вольт. К сожалению, сделать такое человечеству не под силу, поэтому частицы придумали разгонять постепенно.
В установке частицы двигаются по кругу, и на каждом обороте их подпитывают энергией, получая ускорение. И хотя подобная подпитка невелика, за миллионы оборотов можно набрать необходимую энергию.
В основу работы синхрофазотрона положен именно этот принцип. Разогнанные до небольших значений элементарные частицы запускаются в туннель, где располагаются магниты. Они создают перпендикулярное кольцу магнитное поле. Многие ошибочно полагают, что эти магниты ускоряют частицы, но на самом деле это не так. Они лишь меняют их траекторию, заставляя двигаться по окружности, однако не ускоряют их. Само ускорение происходит на определенных разгонных промежутках.
Разгон частиц
Подобный промежуток ускорения представляет собой конденсатор, на который подается напряжение с высокой частотой. Кстати, это основа всей работы данной установки. Пучок протонов влетает в данный конденсатор в момент, когда напряжение в нем равно нулю. По мере того как частицы пролетают по конденсатору, напряжение успевает возрасти, что подгоняет частицы. На следующем кругу это повторяется, так как частота переменного напряжения специально подбирается равной частоте обращения частицы по кольцу. Следовательно, синхронно и в фазе осуществляется ускорение протонов. Отсюда и название – синхрофазотрон.
Кстати, при таком способе ускорения есть определенный полезный эффект. Если вдруг пучок протонов летит быстрее необходимой скорости, то он влетает в разгонный промежуток при отрицательном значении напряжения, из-за чего немного притормаживает. Если скорость движения меньшая, то эффект будет обратным: частица получает ускорение и догоняет основной сгусток протонов. В результате плотный и компактный пучок частиц движется с одной скоростью.
Проблемы
В идеале частицы необходимо разогнать до максимально возможной скорости. И если протоны на каждом круге движутся быстрее и быстрее, то почему нельзя их разогнать до максимально возможной скорости? Причин несколько.
Во-первых, рост энергии предполагает увеличение массы частиц. К сожалению, релятивистские законы не позволяют ни один элемент разогнать выше скорости света. В синхрофазотроне скорость протонов практически достигает скорости движения света, что сильно увеличивает их массу. В результате их становится трудно удерживать на круговой орбите радиуса. Еще со школы известно, что радиус движения частиц в магнитном поле обратно пропорционален массе и прямо пропорционален величине поля. И так как масса частиц растет, то радиус необходимо увеличивать и делать магнитное поле сильнее. Эти условия и создают ограничения в реализации условий для исследования, так как технологии даже сегодня ограничены. Пока что не удается создать поле с индукцией выше нескольких тесла. Поэтому и делают туннели большой длины, ведь при большом радиусе тяжелые частицы на огромной скорости удается удерживать в магнитном поле.
Вторая проблема – движение с ускорением по окружности. Известно, что заряд, который движется с определенной скоростью, излучает энергию, то есть теряет ее. Следовательно, частицы при ускорении постоянно теряют часть энергии, и чем выше их скорость, тем больше энергии они расходуют. В какой-то момент наступает равновесие между получаемой энергией на участке разгона и потерей этого же количества энергии за один оборот.
Исследования, проводимые на синхрофазотроне
Теперь мы понимаем, какой принцип лежит в основе работы синхрофазотрона. Он позволил провести ряд исследований и совершить открытия. В частности ученые смогли изучить свойства ускоренных дейтронов, поведение квантовой структуры ядер, взаимодействие тяжелых ионов с мишенями, а также разработать технологию утилизации урана-238.
Применение результатов, полученных в ходе испытаний
Полученные по этим направлениям результаты применяются на сегодняшний день в строительстве космических кораблей, проектировании атомных электростанций, а также при разработке специального оборудования и робототехники. Из всего этого следует, что синхрофазотрон – такое устройство, вклад в науку которого переоценить сложно.
Заключение
В течение 50 лет подобные установки служат на благо науки и активно применяются учеными всей планеты. Ранее созданный синхрофазотрон и подобные ему установки (они создавались не только в СССР) являются всего лишь одним звеном в цепочке эволюции. Сегодня появляются более совершенные устройства – нуклотроны, обладающие огромной энергией.
Одним из самых совершенных среди подобных устройств является Большой адронный коллайдер. В отличие от действия синхрофазотрона, он встречными курсами сталкивает два пучка частиц, в результате чего выделяемая от столкновения энергия во много раз превышает энергию на синхрофазотроне. Это открывает возможности для более точного изучения элементарных частиц.
Пожалуй, теперь вы должны понимать, что такое синхрофазотрон и для чего он вообще нужен. Эта установка позволила сделать целый ряд открытий. Сегодня из него сделали ускоритель электронов, и на данный момент он работает в ФИАНе.
Что такое синхрофазотрон простыми
§11. Синхрофазотрон
Вспомним синхротрон. Он обладает сравнительно с бетатроном нетяжелым магнитом потому, что в нем удается ускорять электроны в узком кольце. Нельзя ли и тяжелые частицы заставить вращаться в магнитном поле не по разворачивающейся спирали, а по узкой дорожке? Электроны в синхротроне движутся по окружности постоянного радиуса, потому что их скорость почти равняется скорости света. Скорость же тяжелых частиц непрерывно растет с увеличением энергии. Поэтому частота их обращения при постоянном радиусе орбиты тоже будет расти. Следовательно, для сохранения резонанса при постоянстве радиуса орбиты частицы необходимо обеспечить увеличение частоты ускоряющего электрического поля. Таким образом, ускорение тяжелых частиц в кольцевом ускорителе требует не только увеличения магнитного поля на орбите частиц, что следует из формулы
но также и увеличения частоты электрического поля. Ускорители подобного типа получили название синхрофазотронов. Известно, что в фазотроне не обязательно придерживаться одного определенного закона изменения частоты электрического поля. Ионы послушно подчиняются любому, не слишком быстрому изменению частоты. Иное дело в синхрофазотроне. Здесь, чтобы удержать ионы на постоянной орбите, частота электрического поля в процессе ускорения должна всегда равняться собственной частоте обращения иона. Стоит частоте внешнего поля несколько отклониться, например сделаться больше собственной частоты протонов, как орбита их начнет уменьшаться, грозя задеть внутреннюю стенку ускорительной камеры. Объясняется это свойством автофазировки: частота частиц следует за изменением внешней частоты, а увеличение собственной частоты при данной скорости протонов происходит за счет уменьшения радиуса их орбиты. Следовательно, изменение частоты должно строго следовать за изменением скорости частицы. Но фиксировать скорость трудно. Гораздо легче следить за изменением магнитного поля, которое благодаря автофазировке целиком определяет увеличение скорости иона. Поэтому в синхрофазотронах разработана система, при помощи которой частота электрического поля с большой точностью следует за изменением магнитного поля.
Рис. 49. Общий вид здания, в котором размещается синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований на 10 Бэв
Рис. 50. Часть магнита синхрофазотрона на 10 Бэв
Рис. 51. План ускорителя
Зачем в синхрофазотроне нужны прямолинейные участки, свободные от действия магнитного поля? В первую очередь для облегчения впуска частиц. В отличие от других ускорителей, в синхрофазотрон впускаются уже сравнительно быстрые частицы. В синхрофазотрон поступают протоны, предварительно ускоренные сначала в высоковольтной трубке до 600 кэв, а затем в линейном ускорителе до энергии 9 Мэв. Делается это для того, чтобы сократить диапазон изменения высокой частоты. Скорость, а за ней и частота увеличиваются здесь более чем в 8 раз (от 182 кгц до 1,5 Мгц). Если же начинать ускорение внутри ускорителя с малых энергий, то потребовалось бы технически неосуществимое изменение частоты.
Рис. 52. Вводная система, по которой протоны попадают из линейного ускорителя в ускорительную камеру синхрофазотрона
Электромагнит синхрофазотрона потребляет огромную мощность в 140 000 киловольтампер. Четыре питающих агрегата снабжены массивными маховиками. В них запасается энергия, необходимая для создания импульса тока в электромагните. К ним же возвращается энергия магнитного поля (за вычетом потерь на тепло) при его спадании. Преобразование механической энергии в электрическую и обратное преобразование осуществляются при помощи синхронных машин, непосредственно связанных с ионными преобразователями.
На выходе синхрофазотрона получают короткие импульсы протонов, ускоренных до 10 Бэв. Эти импульсы появляются 5 раз в минуту. В следующей главе мы остановимся на некоторых результатах, достигнутых физиками, работающими на синхрофазотронах.