Ускорители заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц

Считается, что о  машине для ускорения заряженных частиц первым задумался Резерфорд, высказавший эту идею в 1927 году на сессии Лондонского Королевского общества. Но у отца-основателя ядерной физики были предшественники.

В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочел в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчик сообразил, что скорость частиц и, следовательно, сила удара увеличатся, если разогнать их в постоянном электрическом поле. При этом Рольф достаточно разбирался в физике, чтобы понять, что этот путь не самый лучший, так как необходимую разность потенциалов в миллионы вольт получить чрезвычайно трудно. Рольф решил, что для разгона частиц стоит использовать следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал. После окончания школы Видероэ поехал в Германию изучать электротехнику в политехническом университете в Карлсруэ, а через три года набросал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны с помощью вихревого электрического поля, возникающего (в полном соответствии с уравнениями Максвелла!) при периодическом изменении магнитного потока. Фактически это обыкновенный электрический трансформатор, в котором одна из катушек заменена вакуумной камерой. Видероэ определил параметры магнитных полей, необходимые для того, чтобы все электроны могли набирать скорость на одной и той же круговой орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя элементарных частиц, причем с точки зрения теории абсолютно безупречный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года...

После защиты диплома  Рольф вернулся на родину для прохождения  военной службы, а затем опять  поехал в Германию работать над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить свою схему в железе. Видероэ предполагал построить установку, разгоняющую электроны до 6 МэВ, но тут его постигло разочарование — электроны не желали оставаться на стабильной орбите. Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики осознали это лишь десять лет спустя: в 1940 году профессор университета штата Иллинойс Дональд Керст построил первый действующий индукционный ускоритель электронов на 2,3 МэВ (сейчас такие машины называют бетатронами, в память о тех временах, когда электроны именовали бета-частицами; крупнейший в мире бетатрон на 300 МэВ, построенный тем же Керстом, был введен в действие в 1950 году).

Поскольку кольцевой  ускоритель не действовал, а сроки  защиты приближались, Видероэ решил  построить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году придумал шведский физик Густав Изинг. Машина была недостаточно мощной и потому бесполезной для серьезных экспериментов, но она всё же ускоряла в бегущем электрическом поле ионы натрия до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась таким образом, чтобы оставаться в фазе с набирающими скорость частицами. В 1928 году Видероэ благополучно защитился и опубликовал свою работу. 

В 1943 году он — кажется, первым в мире — понял, что для  повышения энергии соударения частиц их можно сталкивать лоб в лоб, предварительно собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сегодня такие устройства называют накопительными кольцами, Видероэ же назвал их «ядерными мельницами». Он запатентовал свою конструкцию в Германии, но в условиях военного времени патент засекретили. Обе его идеи были осуществлены, но много позже и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было построено в 1961 году в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати под руководством Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ после войны успешно трудился в фирме, которая изготовляла бетатроны, применявшиеся в онкологических больницах как мощные источники рентгеновского излучения. Пришло к нему и научное признание, хотя и с запозданием — он стал консультантом в ЦЕРНе и в немецкой лаборатории физики высоких энергий DESY. Но так уж сложилось, что широкой публике этот ученый известен гораздо меньше, чем прочие классики ускорительных технологий. 

Линейные ускорители 

Прибор Видероэ  был чисто демонстрационным. Первый «рабочий» линейный ускоритель построили  в 1932 году сотрудники Кавендишской лаборатории  Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской  премии. Эта машина разгоняла протоны до энергии в 500 КэВ, что позволило взломать ядра лития. В 1930-е годы эта система (так называемый каскадный генератор) использовалась довольно широко, но лишь для получения энергий до 1 МэВ (в этом качестве ее используют и поныне). А вот схема Изинга обладает куда лучшими возможностями. По идее она очень проста. Заряженная частица покидает источник и летит по вакуумной камере сквозь множество соосных полых металлических трубок, расположенных вдоль прямой линии. На эти трубки подается переменное электрическое поле, которое частица «ощущает», лишь когда пролетает через зазор (внутри трубок оно экранируется). Таким образом, в трубках частицы летят по инерции — дрейфуют (поэтому трубки и называют дрейфовыми). Частота колебаний электрического потенциала подобрана так, чтобы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась. Набрав расчетную энергию, частицы попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, например, с помощью магнитных линз). Понятно, что параметры дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц. Если это электроны, которые быстро набирают почти световую скорость, длина трубок может быть одинаковой. Тяжелые частицы, протоны и ионы, разгоняются постепенно, поэтому их надо прогонять через дрейфовые трубки возрастающей длины. Именно такую конструкцию и предложил Изинг. Через двадцать лет ее переоткрыл американец Луис Альварес, и теперь схема носит его имя. В 1946 году Альварес и Вольфганг Панофски построили в Беркли первый в мире линейный ускоритель, который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, вполне достаточной для экспериментов в области ядерной физики. Для создания ускоряющего поля они воспользовались деталями радиолокаторов, которых, конечно, не было во времена Изинга. Схема Альвареса хорошо работает для разгона протонов до 200 МэВ. Более высокие энергии получают с помощью волноводов с бегущей волной, которые используют и в электронных линейных ускорителях. 

Протонная карусель

Рольф Видероэ косвенным  образом приложил руку и к изобретению  циклотрона. Как ни странно, стимулом для создания этой машины стала его статья о линейном ускорителе. Эта малоизвестная история хорошо иллюстрирует, сколь непростым путем развивается научное знание. Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по краям) полностью воплощал ключевую идею Изинга — частицы бОльшую часть пути проходят по инерции и только на определенных участках резонансно разгоняются электрическим полем. В 1929 году статья Видероэ попалась на глаза молодому профессору Калифорнийского университета Эрнесту Орландо Лоуренсу, который понял, что резонансное ускорение частиц не обязательно осуществлять на прямолинейной траектории. Он взял металлический полый цилиндр примерно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его вдоль оси и раздвинул половинки (их сейчас называют дуантами). Эту разрезанную банку надо вложить между полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не особенно быстрых заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В постоянном магнитном поле они станут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (разумеется, в камере должен быть вакуум).

Такое устройство можно  превратить в ускоритель. Для этого  в зазоры между дуантами надо подать переменное электрическое поле, частота которого совпадает с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности магнитного поля и массы частиц и не зависит от их скорости). При надлежащем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частицы при проходе зазоров между дуантами — точно так же, как и в линейном ускорителе Изинга–Альвареса. Те будут уходить на всё большие и большие радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стенкой камеры или не будут выведены на мишень. 

В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в журнале Science. Годом позже он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали сильно разреженный водород, который внутри нее ионизировался электрическим полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон построили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1,2 МэВ. Еще через год у них была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс поначалу называл свое изобретение протонной каруселью, но вскоре оно стало именоваться циклотроном. 

Циклотрон кардинально  изменил экспериментальную базу ядерной физики, и неудивительно, что в 1939 году труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А после войны выяснилось, что одновременно с Лоуренсом или даже чуть раньше к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он отправил рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в немецкий журнал Zeitschrift für Physic, но редакторы не поняли, о чем идет речь, и отказались ее напечатать.

Синхронные ускорители 

Лоуренс хотел построить  протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются столь сильно, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, естественно, снижается, и частица выходит из резонанса. Самые большие циклотроны, построенные в Окриджской национальной лаборатории в США и в Стокгольмском Нобелевском институте, могли разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия — до 24 МэВ. Для достижения бОльших энергий нужны циклические ускорители, которые могут обеспечить стабильное соответствие фазы ускоряющего поля движению частицы. Циклотрон на такое не способен.

Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться  в резонансном режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность  магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры обоих полей.

Будем, например, действовать  с помощью одного электрического поля. Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро выйдут из резонанса. 

И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях). 

После открытия автофазировки  были созданы и воплощены в металле различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами. 

Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового диаметра запустили  в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а  после полной доводки — до 3,3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позже вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем впервые получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители — синхрофазотроны. 

Фокусы фокусировки 

Через несколько  лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики осуществили  новый прорыв на пути к более высоким  энергиям. 

Во всех резонансных циклических ускорителях магнитное поле не только заворачивает частицы, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое постепенно спадает при увеличении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразую форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; иначе говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты. 

Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не идеальна. Она позволяет получать лишь довольно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки сильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства очень больших и потому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с существенно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы.