Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие

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 ?-мезона составляет 106 МэВ, а ?-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 ? и ?-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.

Уменьшение размеров пучка достигалась при этом за счёт серьёзного усложнения магнитной системы, да и сам принцип нельзя считать очень наглядным с физической точки зрения. Последнее обстоятельство оказалось совсем немаловажным: ещё за два года до этого сильная фокусировка была предложена тогда неизвестным греческим инженером Н. Кристофилосом, но его работа в рукописи не привлекла никакого внимание и осталась неопубликованной. Тем не менее работоспособность и реализуемость принципа сильной фокусировки никаких сомнений не вызывали, поскольку базировался он хорошо известных положениях теории устойчивости дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами.

Правда, первоначальные оценки параметров сильнофокусирующего ускорителя оказались слишком оптимистическими, что показал более тщательный анализ требуемой точности изготовления и установки магнита. Тем не менее даже в более скромном варианте принцип сильной фокусировки обещал экономию веса и мощности питания магнита больше, чем на порядок.

Экспериментально принцип сильной фокусировки был быстро проверен Р. Вильсоном с сотрудничеством на реконструированном электронном синхротроне Корнеллького университета. Однако преимуществ его могли полностью сказаться лишь в больших машинах. К этому новому поколению относились три проекта синхротронов: на 28 ГэВ в ЦЕРНе, Европейском центре по физике высоких энергий в Женеве, на 30 ГэВ в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве. Последняя машина рассматривалась как промежуточный этап для создания ускорителя на энергии порядка 50—60 ГэВ.

Электронным сильнофокусирующим машинам сначала уделялось относительно меньше внимания из-за больших трудностей, связанных с компенсацией радиационных потерь при высоких энергиях. Однако некоторые преимущества электронных синхротронов, из которых не последнюю роль играет простота интерпретации экспериментов по электромагнитному взаимодействию элементарных частиц, привели к появлению ряда проектов на энергию в несколько ГэВ, первым из которых оказался новых синхротрон Корнелльского университета, построенных под руководством Р. Вильсона. Впоследствии энергия на этой установке превысила 10 ГэВ. Надо отметить, что специфика, создаваемая наличием синхротронного излучения, отнюдь не сводится только к компенсации потерь энергии, и разработка электронных ускорителей на большую энергию потребовала последовательного учёта многих радиационных эффектов.

Принцип сильной фокусировки был быстро обобщён и на другие типы ускорителей. В частности, применение его к циклотрону возродило на новой основе предложение Л. Томаса, сделанное ещё в 1938 году, и привело к появлению проектов машин нового класса – изохронных циклотронов, обладающих потенциально очень высокой средней интенсивностью пучка. Первые машины такого типа на небольшую энергию были построены в конце 50-х годов в США, Голландии и в СССР в ОИЯИ под руководством В. П. Джелепова и В. П. Дмитриевского. Ещё раньше, в 1953 году А. А. Коломенским, В. А. Путёховым и М. С. Рабиновичем был предложен вариант сильнофокусирующего кольцевого ускорителя с постоянным полем, названного кольцевым фазотроном.

В истории ускорителей во многом примечательным оказался 1956 год – дата первой международной конференции по ускорителям, состоявшейся в ЦЕРНе.

Во-первых, она ознаменовала собой начало более широкого обмена информацией и идеями, личного контакта между специалистами различных стран.

Во-вторых, на ней впервые были доложены принципиально новые идеи, некоторые из них уже осуществлены, а другие создают далёкую перспективу на будущее.

К числу таких идей следует отнести предложение Д. Керста об осуществлении ядерных реакций н встречных пучках ускоренных частиц, что резко увеличивает эффективную энергию их взаимодействия. Собственно говоря, сам этот чисто кинематический эффект был известен ранее. Заслуга Д. Керста состояла в доказательстве того, что вполне реально накопить такой ток релятивистских пучков, циркулирующих в постоянном магнитном поле, при котором скорость отсчёта полезных событий станет вполне доступной для наблюдения, несмотря на крайнюю разрежённость той «мишени», которую представляет собой встречный пучок. Идея была немедленно принята к практической реализации Дж. О’Нейлом, использовавшим пучок от ускорителя Станфордского университета, и Г. И. Будкером, возглавившим новый Институт ядерной физики (ИЯФ) в Новосибирске.

На первых этапах речь шла о встречных пучках электронов, что позволило провести только один тип эксперимента – ее-рассеяние. Следующий решающий шаг состоял в осуществлении электро-позитронных частиц позволили резко расширить класс экспериментов, включить в них образование вторичных частиц, в том числе короткоживущих ?- и ?-мезонов и подробнее войти в процесс изучения антиматерии в экспериментальном смысле.

Ещё более неожиданной была группа работ советских авторов, относящихся к так называемым коллективным методам ускорения. Суть их заключается в том, что для управления движением частиц и их ускорении используются поля пространственного заряда и тока других, медленных частиц, что позволяет снять некоторые принципиальные ограничения, свойственные обычным ускорителям. Так, Я. Б. Фейнбергом было предложено использовать для линейного ускорения ионов медленные волны в плазме, максимальная напряжённость поля в которых намного превышает напряжённость в обычных высокочастотных системах или ВЧ системах. Г. И. Будкер опубликовал свои работы по так называемому стабилизированному пучку – двухкомпонентной электрон-ионной системе с большим током, в которой развиваются очень большие собственные магнитные поля.

Особо следует отметить публикацию серии работ В. И. Векслера в сотрудничестве, начатом в начале 50-х годов и посвящённых ускорению ионов потоками и сгустками электронов, имеющих сравнительно небольшую энергию. Хотя во всех этих случаях речь шла только о теоретических работах, появление нового круга идей вызвало огромный интерес и инициировало начало экспериментов во многих лабораториях. К сожалению, экспериментальные трудности оказались слишком велики, и методы коллективного ускорения до сих пор можно отнести, скорее, к перспективным, чем к освоенным.

В 1959 году под руководством Дж. Адамса был выпущен протонный синхротрон ЦЕРНа на 28 ГэВ – первая большая машина нового поколения, использующая сильную фокусировку. Сразу же за этим последовал запуск Брукхейвенского ускорителя на 30 ГэВ под руководством Г. Грина, а затем появилась серия электронных синхротронов на энергию в несколько ГэВ – уже упоминавшийся Корнелльский синхротрон, Кембриджский синхротрон в США, установка DESY в Гамбурге (ФРГ), английский синхротрон NINA. В Советском Союзе в 1967 году под руководством А. И. Алиханяна был запущен синхротрон Ереванского физического института на 6 ГэВ. На этих машинах был получен важный экспериментальный материал, относящийся к физике тяжёлых мезонов, гиперонов, нейтрино и т. д.

В эти годы был сделан качественно новый шаг и в технике линейного ускорения: в 1967 году был торжественно открыт гигантский линейный ускоритель электронов длиной около 3 км в Станфордском ускорительном центре, руководимом В. Пановским. По достигнутой энергии (23 ГэВ) этот ускоритель на момент 80-х годов не имел даже близких конкурентов.

В 60-х годах произошло также некоторое изменение в подходе к основным параметрам ускорителей. Ранее считалось более или менее естественны, что с увеличением энергии у данного класса ускорителей, как правило, падает интенсивность пучка, хотя бы из-за уменьшающейся частоты повторения циклов, относительно меньшей апертуры камеры и т. д.

Это было отмечено на одной из конференций, где рядом с уже упоминавшийся экспоненциальной кривой роста энергии была приведен примерно линейно спадающая интенсивность вводимых в строй машин с рекордной энергией. Линейная экстраполяция приводила к довольно мрачному выводу о том, что в середине 70-х годов может появиться «идеальный» ускоритель с большой энергией и нулевой интенсивностью.