Ускорители заряженных частиц

Классификация ускорителей заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц представляют собой фундаментальный инструмент современной физики высоких энергий. Их можно классифицировать по различным критериям:

  • По типу ускоряющих структур:

    • Линейные ускорители (линаксы) – частицы движутся по прямолинейной траектории, проходя ускоряющее поле один раз.

    • Циклические ускорители – частицы многократно проходят через ускоряющее поле:

      • Циклотроны
      • Синхротроны
      • Бустеры
      • Бетатроны
      • Коллайдеры (особый случай синхротронов, направленные на встречные пучки)

  • По типу ускоряемых частиц:

    • Электронные ускорители
    • Протонные и ионные ускорители
    • Позитронные, антипозитронные и композитные пучки

  • По назначению:

    • Фундаментальные исследования (например, LHC)
    • Прикладные задачи (медицина, промышленность, материаловедение)

Основные принципы ускорения частиц

Ускорение заряженных частиц основывается на действии электрического поля. Основные элементы:

  • Ускоряющее поле. Электрическое поле должно быть синхронизировано с движением частицы. В случае переменного тока это приводит к необходимости резонансных условий.
  • Фокусировка. Для удержания пучка в компактной области используются магнитные и электрические поля (квадрупольные и секстапольные магниты).
  • Ограничение потерь. Синхротронное излучение, особенно значительное для электронов при высоких энергиях, требует специального проектирования (например, радиационные щиты и системы охлаждения).

Линейные ускорители (линаксы)

Линейный ускоритель — это система последовательных ускоряющих резонаторов, в которых синхронизированное высокочастотное поле обеспечивает рост энергии заряженных частиц на каждом участке.

Преимущества:

  • Простота конструкции
  • Минимальные радиационные потери
  • Возможность точной настройки энергии

Недостатки:

  • Большая длина для достижения высоких энергий
  • Низкая эффективность использования оборудования по сравнению с циклическими ускорителями

Пример — линейный ускоритель SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), достигающий энергии порядка 50 ГеВ.

Циклические ускорители: циклотроны и синхротроны

Циклотроны используют постоянное магнитное поле и переменное электрическое поле для многократного ускорения частиц. Диаметр орбиты увеличивается с ростом энергии, поскольку частицы описывают спиралевидную траекторию.

Проблема релятивистской массы. При увеличении энергии частицы становится необходимо учитывать релятивистский эффект увеличения массы, что нарушает синхронизацию с ВЧ-полем. Решение — переход к синхротрону.

Синхротроны работают при постоянном радиусе орбиты, изменяя магнитное поле и частоту ВЧ-поля синхронно с увеличением энергии частицы. Это обеспечивает возможность ускорения до тераэлектронвольтных масштабов.

Пример — LHC (Large Hadron Collider): протон-протонный коллайдер, достигающий 6.5 ТеВ на пучок, использующий сверхпроводящие магниты и криогенные технологии.

Коллайдеры: встречные пучки и прирост энергии

Коллайдер — ускорительная система, в которой два пучка частиц сталкиваются навстречу друг другу. Это решает проблему инерциальной системы центра масс.

Энергия в системе центра масс:

  • В фиксированной мишени: $E_{\text{CM}} = \sqrt{2 m E_{\text{lab}} + m^2}$
  • В коллайдере с одинаковыми пучками: ECM = 2Ebeam

Таким образом, для достижения одного и того же ECM в фиксированной мишени требуется в сотни раз большая энергия пучка.

Коллайдеры бывают:

  • Протон-протонные (LHC)
  • Протон-антипротонные (Tevatron)
  • Электрон-позитронные (LEP, будущий ILC)
  • Ионные (RHIC)

Фокусировка и удержание пучка

В процессе ускорения необходимо сохранять пространственную стабильность пучка:

  • Квадрупольные магниты – фокусируют пучок в одном направлении и дефокусируют в перпендикулярном; их чередование (фокус-дефокус, FODO) обеспечивает стабильность траектории.
  • Секстаполи и октуполи – компенсируют аберрации и нелинейности траектории.
  • Резонансные условия – важно избегать орбитальных и спиновых резонансов, приводящих к потере пучка.

Системы инжекции и экстракции

Поскольку создание пучка с нужной энергией требует времени, ускорители часто работают с системой предварительного ускорения (инжектора):

  • Инжекция из бустера или другого ускорителя (например, линейного)
  • Магниты для захвата и стабилизации пучка

Экстракция реализуется с помощью быстро меняющегося магнитного поля или электростатических пластин. В случае коллайдеров экстракция осуществляется после завершения серии столкновений.

Синхротронное излучение и его последствия

При движении заряженной частицы с ускорением (в том числе по круговой траектории) она излучает электромагнитную энергию. Это явление особенно важно для электронов.

Характеристики:

  • Потери энергии пропорциональны E4/R, где R — радиус орбиты
  • Сильно ограничивает применение электронных синхротронов на высоких энергиях
  • Используется как источник интенсивного излучения в синхротронных лабораториях (например, ESRF)

Современные достижения и перспективы

  • Сверхпроводящие магниты позволяют достичь полей более 8 Тл, что критически важно для компактных ускорителей.

  • Стабильность вакуума на уровне 10−10 торр необходима для предотвращения рассеяния пучка.

  • Лазерно-плазменные ускорители – технология, позволяющая достичь гигантских градиентов ускорения (до 100 ГэВ/м) при длине ускорителя порядка сантиметров.

  • Будущие проекты:

    • ILC (International Linear Collider) – линейный электрон-позитронный ускоритель
    • FCC (Future Circular Collider) – 100-км кольцо, энергия до 100 ТеВ
    • CEPC и SPPC – китайские аналоги LEP и LHC соответственно

Технические аспекты проектирования

  • Управление радиацией. Вокруг ускорителей формируются активные и пассивные системы радиационной защиты, включая бетонные барьеры, свинцовые экраны и автоматическое отключение при превышении фона.
  • Криогенные системы. Сверхпроводимость требует температур порядка 1.9 К. Для этого используются системы жидкого гелия и сложные распределённые насосные установки.
  • Диагностика пучка. Включает профилометры, спектрометры, фазовые мониторы и устройства считывания позиции частиц в кольце.

Роль ускорителей в науке

Ускорители заряженных частиц лежат в основе:

  • Исследований структуры материи (коллайдерные эксперименты ATLAS, CMS, LHCb)
  • Изучения кварков, глюонов и бозонов (включая открытие бозона Хиггса)
  • Проверки Стандартной модели и поиска новой физики
  • Получения нейтринных пучков и изучения нейтринных осцилляций
  • Создания антиматерии и наблюдения за её поведением (AD — Antiproton Decelerator в CERN)
  • Космологических моделей (например, при исследовании асимметрии материя–антиматерия)

Современная физика высоких энергий невозможна без ускорительной техники. Каждый новый виток в развитии ускорителей открывает двери к более глубокому пониманию фундаментальных законов природы.

Оглавление