Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие

Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие
Ибратжон Хатамович Алиев

Боходир Хошимович Каримов

В учебном пособии представлен курс физики ускорителей заряженных частиц. Рассмотрены всевозможные модели ускорителей, а также история развития самой науки до настоящего времени. Указано состояние работ в области физики резонансных ядерных реакций и моноэнергетических ускорителей. Книга адресована студентам, специалистам в данной области, преподавателям ВУЗов, магистрам, студентам и иным исследователям.

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, 2022

© Боходир Хошимович Каримов, 2022

© Ибратжон Хатамович Алиев, дизайн обложки, 2022

© Ибратжон Хатамович Алиев, иллюстрации, 2022

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.