Синхрофазотрон: что такое, принцип действия и описание. Синхрофазотрон: что такое, принцип действия и описание Принцип работы синхрофазотрона

+ элек трон) - 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 .

Напишите отзыв о статье "Синхрофазотрон"

Примечания

См. также



По конструкции

По назначению

Отрывок, характеризующий Синхрофазотрон

Лицо генерала нахмурилось, губы его дернулись и задрожали. Он вынул записную книжку, быстро начертил что то карандашом, вырвал листок, отдал, быстрыми шагами подошел к окну, бросил свое тело на стул и оглянул бывших в комнате, как будто спрашивая: зачем они на него смотрят? Потом генерал поднял голову, вытянул шею, как будто намереваясь что то сказать, но тотчас же, как будто небрежно начиная напевать про себя, произвел странный звук, который тотчас же пресекся. Дверь кабинета отворилась, и на пороге ее показался Кутузов. Генерал с повязанною головой, как будто убегая от опасности, нагнувшись, большими, быстрыми шагами худых ног подошел к Кутузову.
– Vous voyez le malheureux Mack, [Вы видите несчастного Мака.] – проговорил он сорвавшимся голосом.
Лицо Кутузова, стоявшего в дверях кабинета, несколько мгновений оставалось совершенно неподвижно. Потом, как волна, пробежала по его лицу морщина, лоб разгладился; он почтительно наклонил голову, закрыл глаза, молча пропустил мимо себя Мака и сам за собой затворил дверь.
Слух, уже распространенный прежде, о разбитии австрийцев и о сдаче всей армии под Ульмом, оказывался справедливым. Через полчаса уже по разным направлениям были разосланы адъютанты с приказаниями, доказывавшими, что скоро и русские войска, до сих пор бывшие в бездействии, должны будут встретиться с неприятелем.
Князь Андрей был один из тех редких офицеров в штабе, который полагал свой главный интерес в общем ходе военного дела. Увидав Мака и услыхав подробности его погибели, он понял, что половина кампании проиграна, понял всю трудность положения русских войск и живо вообразил себе то, что ожидает армию, и ту роль, которую он должен будет играть в ней.

Весь мир знает, что в 1957 году СССР запустил первый в мире искусственный спутник Земли. Однако, мало кто знает, что в этом же году Советский Союз начал испытания синхрофазотрона, который является прародителем современного Большого Адронного Коллайдера в Женеве. В статье пойдет речь о том, что такое синхрофазотрон, и как он работает.

Отвечая на вопрос, что такое синхрофазотрон, следует сказать, что это высокотехнологическое и наукоемкое устройство, которое предназначалось для исследования микрокосмоса. В частности, идея синхрофазотрона состояла в следующем: необходимо было с помощью мощных магнитных полей, создаваемых электромагнитами, разогнать до больших скоростей пучок элементарных частиц (протонов), а затем направить этот пучок на находящуюся в покое мишень. От такого столкновения протоны должны будут «разломаться» на части. Недалеко от мишени находится специальный детектор — пузырьковая камера. Этот детектор позволяет по трекам, которые оставляют части протона, исследовать их природу и свойства.

Для чего нужно было строить синхрофазотрон СССР? В этом научном эксперименте, который проходил под категорией «совершенно секретно», советские ученые пытались найти новый источник более дешевой и более эффективной энергии, чем обогащенный уран. Также преследовались и чисто научные цели более глубокого изучения природы ядерных взаимодействий и мира субатомных частиц.

Принцип работы синхрофазотрона

Приведенное выше описание задач, которые стояли перед синхрофазотроном, может многим показаться не слишком сложным для их реализации на практике, но это не так. Несмотря на всю простоту вопроса, что такое синхрофазотрон, чтобы ускорить протоны до необходимых огромных скоростей, нужны электрические напряжения в сотни млрд вольт. Такие напряжения невозможно создать даже в настоящее время. Поэтому было решено распределить во времени вкачиваемую в протоны энергию.

Принцип работы синхрофазотрона заключался в следующем: пучок протонов начинает свое движение по кольцеобразному туннелю, в некотором месте этого туннеля стоят конденсаторы, которые создают скачек напряжения в тот момент, когда пучок протонов пролетает через них. Таким образом, на каждом витке происходит небольшое ускорение протонов. После того, как пучок частиц совершит несколько миллионов оборотов по туннелю синхрофазотрона, протоны достигнут желаемых скоростей, и будут направлены на мишень.

Стоит отметить, что используемые во время ускорения протонов электромагниты выполняли направляющую роль, то есть они определяли траекторию пучка, но не участвовали в его ускорении.

Проблемы, с которыми столкнулись ученые при проведении экспериментов

Чтобы лучше понять, что такое синхрофазотрон, и почему его создание является очень сложным и наукоемким процессом, следует рассмотреть проблемы, возникающие в процессе его работы.

Во-первых, чем больше скорость пучка протонов, тем большей массой они начинают обладать согласно знаменитому закону Эйнштейна. При скоростях близких к световым масса частиц становится настолько большой, что для их удержания на нужной траектории, необходимо иметь мощные электромагниты. Чем больше размер синхрофазотрона, тем большие магниты можно поставить.

Во-вторых, создание синхрофазотрона осложнялось еще и потерями энергии пучком протонов во время их кругового ускорения, причем, чем больше скорость пучка, тем более значительными становятся эти потери. Получается, что для разгона пучка до необходимых гигантских скоростей, необходимо иметь огромные мощности.

Какие результаты удалось получить?

Несомненно, эксперименты на советском синхрофазотроне внесли огромный вклад в развитие современных областей техники. Так, благодаря этим экспериментам ученые СССР смогли улучшить процесс переработки использованного урана-238 и получили некоторые интересные данные, сталкивая ускоренные ионы разных атомов с мишенью.

Результаты экспериментов на синхрофазотроне используются и по сей день в строительстве атомных электростанций, космических ракет и робототехники. Достижения советской научной мысли были использованы при строительстве самого мощного синхрофазотрона современности, которым является Большой Адронный Коллайдер. Сам же советский ускоритель служит науке РФ, находясь в институте ФИАН (Москва), где используется в качестве ускорителя ионов.

Что такое синхрофазотрон: принцип работы и полученные результаты — все о путешествиях на сайт

Парламентариям Великобритании понадобилось всего 15 минут, чтобы решить вопрос о государственной инвестиции размером 1 млрд. фунтов в строительство синхрофазотрона. После этого — они на протяжении одного часа бурно обсуждали стоимость кофе, ни много ни мало, в парламентском буфете. И таки решили: снизили цену на 15%.

Казалось бы, задачи-то по сложности вообще не сопоставимы, и всё по логике вещей должно было случиться с точностью до наоборот. Час — на науку, 15 минут — на кофе. Ан нет! Как выяснилось позже, большинство достопочтенных политиков оперативно дали своё сокровенное «за», совершенно не имея понятия, что такое «синхрофазотрон».

Давайте, дорогой читатель, вместе с вами восполним этот пробел знаний и не будем уподобляться научной недальновидности некоторых товарищей.

Что такое синхрофазотрон?

Синхрофазотрон — электронная установка для научных исследований — циклический ускоритель элементарных частиц (нейтронов, протонов, электронов и др). Имеет форму огромного кольца, весом более 36 тыс. тонн. Его сверхмощные магниты и ускоряющие трубки наделяют микроскопические частицы колоссальной энергией направленного движения. В недрах резонатора фазотрона, на глубине 14,5метра, происходят, по истине, фантастические преобразования на физическом уровне: например, крохотный протон получает 20 млн. электрон-вольт, а тяжёлый ион — 5 млн. эВ. И это лишь скромная толика всех возможностей!

Именно, благодаря уникальным свойствам циклического ускорителя, учённым удалось познать самые сокровенные тайны мироздания: изучить строение ничтожно малых частиц и физико-химические процессы, происходящие внутри их оболочек; воочию наблюдать реакцию синтеза; открывать природу доселе неизведанных микроскопических объектов.

Фазотрон ознаменовал новую эру научных изысканий — территорию исследований, где был бессилен микроскоп, о которой с большой осторожностью говорили даже фантасты-новаторы (их прозорливый творческий полёт не смог предугадать свершённых открытий!).

История синхрофазотрона

Изначально, ускорители были линейными, то есть не имели циклической структуры. Но вскоре физикам пришлось от них отказаться. Требования к величинам энергии увеличивались — её нужно было больше. А линейная конструкция не справлялась: теоретические расчёты показывали, что для этих значений, она должна быть неимоверной длины.

В 1929г. американец Э.Лоуренс делает попытки решить эту проблему и изобретает циклотрон, прообраз современного фазотрона. Испытания проходят успешно. Через десять лет, в 1939г. Лоуренс удостаивается Нобелевской премии.
В 1938г. в СССР вопросом создания и усовершенствования ускорителей начинает активно заниматься талантливый физик В.И.Векслер. В феврале 1944г. к нему приходит революционная идея как преодолеть энергетический барьер. Свой метод Векслер называет «автофазировка». Ровно через год, эту же технологию совершенно независимо открывает Э.Макмиллан, учёный из США.
В 1949г в Советском Союзе под руководством В.И. Векслера и С.И. Вавилова разворачивается крупномасштабный научный проект — создание синхрофазотрона мощностью 10 млрд. электрон-вольт. На протяжении 8 лет на базе института ядерных исследований в городе Дубно на Украине группа физиков-теоретиков, конструкторов и инженеров кропотливо трудилась над установкой. Поэтому его еще называют Дубнинский синхрофазотрон.

Пуск синхрофазотрона в эксплуатацию состоялся в марте 1957г., за полгода до полёта в космос первого искусственного спутника Земли.

Какие исследования проводятся на синхрофазотроне?

Резонансный циклический ускоритель Векслера породил плеяду выдающихся открытий во многих аспектах фундаментальной физики и, в частности, в некоторых спорных и малоизученных проблемах теории относительности Эйнштейна:

поведение кварковой структуры ядер в процессе взаимодействия;
образование кумулятивных частиц в результате реакций с участием ядер;
изучение свойств ускоренных дейтронов;
взаимодействие тяжёлых ионов с мишенями (проверка стойкости микросхем);
утилизация Урана-238.

Результаты, полученные по этим направлениям, успешно применяются в строительстве космических кораблей, проектировании атомных электростанций, разработке робототехники и оборудования для работы в экстремальных условиях. Но самое удивительное то, что череда исследований, осуществлённых на синхрофазотроне, всё больше приближает учённых к разгадке великой тайны происхождения Вселенной.

По своей сути синхрофазотрон представляет собой огромную установку для ускорения заряженных частиц. Скорости элементов в этом устройстве очень велики, как и выделяемая при этом энергия. Получая картину взаимного соударения частиц, ученые могут судить о свойствах материального мира и его строении.

О необходимости создания ускорителя говорилось еще до начала Великой Отечественной войны, когда группа советских физиков во главе с академиком А. Иоффе направила в правительство СССР письмо. В нем подчеркивалась важность создания технической базы для изучения строения ядра атома. Эти вопросы уже тогда стали центральной проблемой естествознания, их решение могло продвинуть вперед прикладную науку, военное дело и энергетику.

В 1949 году началось проектирование первой установки – протонного ускорителя. Это сооружение было к 1957 году построено в Дубне. Ускоритель протонов, получивший название «синхрофазотрон», представляет собой сооружение громадных размеров. Он сконструирован в виде отдельного корпуса научно-исследовательского института. Основную часть площади сооружения занимает магнитное кольцо диаметром около 60 м. Оно требуется для создания электромагнитного поля с требуемыми характеристиками. В пространстве магнита и происходит ускорение частиц.

Принцип работы синхрофазотрона

Первый мощный ускоритель-синхрофазотрон изначально предполагалось сконструировать на основе комбинации двух принципов, до этого по отдельности использовавшихся в фазотроне и синхротроне. Первый из принципов – изменение частоты электромагнитного поля, второй – изменение уровня напряженности магнитного поля.

Работает синхрофазотрон по принципу циклического ускорителя. Чтобы нахождение частицы на одной и той же равновесной орбите, частота ускоряющего поля меняется. Пучок частиц всегда приходит в ускорительную часть установки в фазе с электрическим полем высокой частоты. Синхрофазотрон иногда называют протонным синхротроном, имеющим слабую фокусировку. Важный параметр синхрофазотрона – интенсивность пучка, которая определяется числом содержащихся в нем частиц.

В синхрофазотроне почти полностью устраняются погрешности и недостатки, свойственные его предшественнику – циклотрону. Изменяя индукцию магнитного поля и частоту перезарядки частиц, протонный ускоритель увеличивает энергию частиц, направляя их по нужному курсу. Создание такого прибора произвело революцию в ядерной