Читать книгу Физика ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 8

Опасения, о которых говорилось в прошлый раз, конечно, не оправдались; больше того, проектная интенсивность стала быстро повышаться, а уже работающие машины подверглись реконструкции для увеличения числа ускоренных частиц. Причина этого проста – дополнительные средства, затраченные на повышение интенсивности уникальных дорогостоящих установок, стали с лихвой окупаться повышением эффективности их использования, сокращением времени эксперимента и увеличением его прецизионной, возможностью проведения качественно новых экспериментов с относительно малым числом полезных событий и т. д. Одновременно возросло также внимание к качеству ускоренных пучков – их энергетическому и угловому разбросу, поляризации, сепарации вторичных частиц и т. д. Первостепенное значение приобрели также вопросы разводки пучков с нескольких мишеней и одновременная постановка на пучке нескольких экспериментальных работ.

С точки зрения физики ускорения задач повышения интенсивности означала необходимость учёта и использования этого пучка, которые оказались весьма многообразными. В частности, было обнаружено и исследовано много эффектов неустойчивости когерентных колебаний частиц пучка, сближающих его поведение с поведением плазмы во внешних полях и ограничивающих допустимое число частиц в ускорителях.

Особенно серьёзными эти явления оказались в накопительных установках, предназначенных для экспериментов со встречными пучками. Важную и пионерскую роль здесь сыграли работы Института ядерной физики в Новосибирске, который стал признанным центром в этом направлении. За работы по встречным пучкам и, в частности, за постановку экспериментов по электрон-позитронным соударениям при энергии порядка 600 МэВ Г. И. Будкер, А Н. Скринский, А. А. Наумов, В. А. Сидоров, В. С. Панасюк были удостоены различных премий. Позднее во Франции, Италии, США и Германии появились электрон-позитронные кольца на большую энергию. Крупнейшими из них являются установки PEP на 18 ГэВ при Станфордском линейном ускорителе и PETRA при ускорителе DESY, рассчитанная на энергию до 19 ГэВ в каждом пучке.

Труднее развивались работы по встречным пучкам тяжёлых частиц, поскольку для достижения заметного эффекта в этом методе требуются существенно релятивистские энергии, а даже для протонов это приводит к очень большим размерам накопителя. Только в 1971 году кольца в ЦЕРНе на энергию 25 ГэВ – единственная в мире на момент 80-х годов, где позже был создан БАК.

Большой Адронный Коллайдер

На начальном этапе развития установок со встречными пучками высказывалось немало разноречивых мнений об их конкурентоспособности с обычными ускорителями с неподвижной мишенью. Острота этих способов постепенно сгладилась, и сейчас общепринято, что эти два типа ускорительных установок не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Во всяком случае эксперименты на встречных пучках не только не остановили, но даже стимулировали дальнейшее развитие традиционных ускорителей, о чём свидетельствую в дальнейшем эффективно разработанные и созданные модели подобных ускорителей.

Крупнейший шаг в этом направлении был сделан в 1967 году, когда к 50-летнему юбилею СССР был введён в строй протонный синхротрон на 76 ГэВ вблизи города Серпухова в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ). Инжектором для него служил также крупнейший в то время протонный линейный ускоритель на энергию 100 МэВ. Кольцевая вакуумная камера ускорителя радиусом около 200 метров имеет сечение 195*115 мм, а полный вес магнита составляет 20 000 тонн, причём блоки магнита установлены с точностью до 100 мкм.

Ускоритель в Серпухове

В создании машины, сооружённой за шесть лет, принимали участие многочисленные институты и специализированные организации Советского Союза. Ускоритель бесперебойно работает вот уже свыше 10-ти лет, подвергаясь почти непрерывным усовершенствованиям и модификациям как с точки зрения самой машины, так и в смысле модернизации экспериментального оборудования, по объёму и стоимости вполне сравнимого с самим ускорителем. В экспериментальных работах в Серпухове активно участвуют учёные разных стран.

Несколько нарушая хронологию, что неизбежно при описании работ, которые проводятся в течение нескольких лет, важно остановиться ещё на некоторых направлениях ускорительной техники 60-70-х годов. Выше уже упоминалось об изохронных циклотронах – машинах, способных довести энергию протонов до значений порядка 1 ГэВ и одновременно обладающих основным преимуществом циклотрона – высокой средней интенсивностью. Этими же возможностями обладают также в принципе и линейные ускорители протонов.

Оба типа машин можно использовать в качестве генераторов мезонов, которые непосредственно не могут быть ускорены из-за малого времени жизни. В связи с этим направлением появился даже специальный термин – «мезонные фабрики». Несмотря на трудности, связанные со сложностью магнитной системы изохронного циклотрона и необходимостью разработки новых ускоряющих систем для линейного ускорения протонов до релятивистских энергий, эта задача была успешно решена. Также успешно работал швейцарский циклотрон SIN, канадская машина TRIUMF и изохронный циклотрон в Киеве. В 1972 году под руководством Л. Розена был запущен, хотя и не на полную расчётную интенсивность (1 мА), линейный ускоритель протонов на 800 МэВ в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в США.

В СССР в 80-х сооружался линейный ускоритель протонов на большую энергию при участии Института ядерных исследований АН СССР, Московского радиотехнического института и НИИ электрофизической аппаратура имени Д. В. Ефремова. Не сказали своё последнее слово и циклотроны. Помимо традиционного использования для ядерной физики средних энергий, перед ними открылась широкая область ускорения тяжёлых ионов с достижением энергий порядка нескольких МэВ на каждый нуклон, сравнимой со средней энергией связи нуклона в ядре. Передовые позиции в этом направлении принадлежат лаборатории Г. Н. Флерова в Дубне, успешно синтезировавшей с помощью такой техники ряд трансурановых элементов.

В 80-х годах в этой лаборатории был запущен циклотрон с диаметром полюсных наконечников 4 метра изохронного типа, в котором ионы ускоряются в широком диапазоне массовых чисел (свыше 140) до энергии порядка 10 МэВ/нуклон. Вступают в строй и новые специализированные линейные ускорители тяжёлых ионов (Унилак, Германия).

В 1967 году на очередной международной конференции по ускорителям было доложено о советских работах по коллективным методам ускорения, проводившихся в Дубне под руководством В. И. Векслера, а после его смерти в 1967 году – В. П. Саранцева. На этот раз речь шла не об общей идее, а о конкретизации одного из методов В. И. Векслера – так называемого ускорения электронных колец, в которые захватываются ускоряемые ионы. Будучи ускоренными до сравнительно небольшой энергии, электронные сгустки должны увлекать с собой протоны, получающие при той же скорости гораздо большую энергию. Это сообщение вновь активизировало экспериментальные работы по коллективным методам.

В США, например, под руководством Э. Сесслера, Д. Кифа и других начал интенсивно разрабатываться проект под символическим названием ERA. Аналогичные работы были несколько позднее развёрнуты в Германии. Эти исследования много дали для понимания физики коллективного ускорения и связанных с ним трудностей, но к заметному успеху все же не привели. Наибольших успехов пока добились В. П. Саранцев и его сотрудники, ими были получены эффективные ускоряющие поля порядка 10 МВ/м, используемые для ускорения тяжёлых ионов.

На новом уровне возродились и некоторые старые идеи, приведшие к появлению новых типов ускорителей. Так, для создания электронных сгустков с большим числом частиц, требующихся для коллективных методов ускорения, наиболее подходящим инструментов оказался линейный индукционный ускоритель, предложенный А. Буверсом ещё в 1929 году. В современном техническом исполнении эта машина сейчас довольно широко используется для получения сильноточных (10²—10³ А) импульсов электронов с небольшой энергией порядка нескольких МэВ. Весьма удобной и надёжной машиной на малые энергии оказался также микротрон, для модернизации которого много было сделано лабораторией С. П. Капицы в Институте физических проблем.

Некоторые прикладные задачи, требующие получения очень мощных импульсов коротковолнового рентгеновского излучения, привели в середине 60-х годов к появлению сверх сильноточных электронных машин с токами до МА в импульсе при энергии от 1 до нескольких МэВ. Первые работы в этом направлении были, по-видимому, проведены Дж. Мартином в Олдермастонской лаборатории в Англии. Впоследствии эта техника была распространена и на ионные пучки. Являясь сейчас одним из наиболее мощных энергоносителей, которые осуществимы в лабораторных условиях, сильноточные электронные и ионные пучки используются в некоторых исследованиях, включая проблему управляемого термоядерного синтеза.

Однако в развитии ускорителей доминантными всегда оставались требования физики высоких энергий, под влиянием которых были осуществлены два протонных машин в диапазоне 0,1—1 ТэВ. Первым из них был запущенный в 1972 году синхротрон в Национальной лаборатории имени Ферми в Батейвии, недалеко от Чикаго, руководимой тогда Р. Вильсоном. Радиус орбиты этой машины, постепенно наращивавший свою энергию от 200 до 500 ГэВ, составляет 1 километр. Вслед за ним в конце 1976 года вступил в строй аналогичный ускоритель в ЦЕРНе на энергию 400 ГэВ. Этой работой руководил Дж. Адамс.

Также отмечая и крупнейший БАК, на энергию 6,3 ТэВ, созданный уже в 2008 году в том же ЦЕРН. При этом являясь ускорителем на встречных пучках, с радиусом 26 656 м, на протон-протонные реакции.

Необходимо обратить внимание на некоторые новые важные тенденции в современной ускорительной технике. Прежде всего, работа современного крупного ускорителя невозможна без высокой степени его автоматизации, под которой следует понимать не только автоматизацию проведения эксперимента и обработки накапливаемого «сырого» материала очень большого объёма, но и автоматическое управление режимом самого ускорителя. Мощным средством в этом направлении является непрерывное получение информации о динамике циркулирующего пучка, оперативная её переработка с помощью быстродействующей ЭВМ и автоматическое введение корректирующего воздействия на те или иные подсистемы установки. Разработка систем автоматизации стала сейчас самостоятельной отраслью, не менее важной, чем, скажем, конструирование магнита или высокочастотной системы.

Вторым необходимым требованием к современному большому ускорителю является его универсальность, под которой понимается возможность использования не только первичного пучка, но и разнообразных вторичных частиц. Особенно широкие возможности предоставляет здесь метод накопления вторичных частиц и установки со встречными пучками, комбинируемые с основным ускорителем. Фактически большая машина является сейчас центром целого ускорительного комплекса, состоящего из нескольких ускорительных и накопительных установок с возможностью постановки самых разнообразных экспериментов, идущих одновременно.

Наконец, надо отметить, что создание больших ускорителей сейчас оказывается под силу лишь крупным государствам, как было отмечено, развитым в промышленном отношении, но и для них сопутствующие материальные и трудовые затраты весьма ощутимы. Поэтому для уникальных машин, исчисляемых единицами, всё больше значение приобретают вопросы интернациональной кооперации и привлечение в процессы реализации проектов международные собрания.

Первыми примерами такого рода стал ЦЕРН – организация двенадцати стран Западной Европы и ОИЯИ в Дубне. В подготовке и проведении экспериментов на ускорителе ИФВЭ в Серпухове активное участие принимают учёные во Франции, ЦЕРНа и США. Примером активного сотрудничества учёных разных политических систем может служить участие советских специалистов в экспериментах на ускорителях ЦЕРН и в Батейвии. Можно надеяться, что в дальнейшем эти традиции будут всё больше укрепляться и развиваться.

Ближайшие перспективы развития ускорителей пока не предвещают качественного изменения основных тенденций. Серьёзные надежды возлагаются на использование сверхпроводящих магнитных систем с большим магнитным полем, позволяющим уменьшить радиус кольца и существенно сократить потребляемую мощность. Сейчас, например, интенсивно идёт сооружение сверхпроводящего магнита в Батейвии, который должен быть расположен в том же туннеле и при поле порядка 4 Тл позволит удвоить максимальную энергию, доведя её до 1 ТэВ.

Особенно перспективно использование сверхпроводящих систем в накопительных системах, предусматриваемое, например, для протонного накопителя ISABELLE с энергией по 400 ГэВ в каждом пучке, инжектором для которого должен служить Брукхейвенский синхротрон. Имеется также несколько интересных проектов протонных и протон-антипротонных накопительных систем в Новосибирске и ЦЕРНе. Существенно подняты энергии для электрон-позитронных пучков с вводом в строй накопителей RETRA в Гамбурге (до 19 ГэВ) и PEP в Станфордском центре (18—24 ГэВ).

Крупнейшим из осуществляемых проектов, отражающим развитие ускорительной физики на ближайшее десятилетие, является советский проект ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Серпухове. В основе его лежит протонный сверхпроводящий синхротрон на 3 ТэВ (радиус около 3 км). В том же туннеле должен быть размещён предварительный ускоритель – бустер с электромагнитом обычного типа, инжектором для которого будет существующих в Серпуховский синхротрон. Предусматривается возможность создания без специального накопительного кольца встречных pp-пучков с энергией 1,5 ТэВ в системе центра инерции. Кроме того, бустер можно использовать для накопления электронов и ep-столкновений. Изучается также возможность осуществления в УНК протон-антипротонных соударений, а также сооружения дополнительного кольца с постоянным полем, равным 5 Тл, что позволит получить встречные протонные пучки с энергией 2—3 ТэВ.

Кажущийся естественным вопрос, какая же энергия нужна физикам-экспериментаторам, вообще лишён физического смысла. Ответ на него всегда один – нужна энергия в 5 раз больше, чем уже достигнутая. Причина этого проста: эксперимент на ново качественном уровне (в данном случае энергии) всегда ставит больше вопросов, чем даёт ответов. Поэтому сомневаться в дальнейшем росте энергии ускоренных частиц нет никаких оснований.

Данный короткий обзор призван дать лишь представление об общей логике развития ускорителей и ни в коей мере не претендует на полноту. Мы не могли даже перечислить все установки с рекордными параметрами или с интересными физическими и техническими особенностями.

И делая некоторое примечание, важно указать, что в некоторых случаях указываемые данные ссылались на момент 80-х годов и по прошествии не малого количества времени важно отметить возможность создания нового типа ускорителей – системы из циклотрона и линейного ускорителя – ускорителя типа ЛЦУ, высокоточного типа, с большими токами, в котором пучок вылетающий из самого циклотрона контролировался бы добавлением необходимой порции энергий уже на линейном ускорителе, либо наоборот.

Делая заключение к данному обзору, укажем, что важно изучать историю развития науки, в которой осуществляется работа, ибо всегда можно найти аспекты, способные дать своего рода наводку и помощь. В дальнейшем уже начнётся разбор самой физики ускорителей, с подробным их рассмотрением.