Материал: Методы регистрации частиц. Ускорители частиц

Рис. 59 - Развитие самомодуляции импульса и его разбиение на цепочку более коротких импульсов

На первоначальном импульсе с плавно изменяющейся в пространстве интенсивностью (левый рисунок) появляется сначала модуляция амплитуды (средний рисунок), а затем он разбивается на цепочку импульсов малой длины (правый рисунок), расстояние между которыми равно длине плазменной волны lp.

Эксперименты, проведенные во Франции, США, Японии, Англии, показали, что в режиме самомодуляции максимальная энергия ускоренных электронов достаточно высока, но энергетический спектр получается очень широким, что является недостатком с точки зрения возможных применений.

В 2004 г. почти одновременно три экспериментальные группы обнаружили новый режим ускорения электронов, при котором энергия доходила до 250 МэВ, а энергетический спектр был достаточно узким. В этом режиме интенсивность лазерного излучения превосходила 1019 Вт/см2, а длина импульса была близка к длине плазменной волны. Силы высокочастотного давления, действующие на электроны плазмы, были столь велики, что сразу позади импульса возникала почти сферическая область, в которой практически не было электронов. Эту область стали называть bubble (пузырь), а сам режим ускорения - bubble-режимом (рис.6). Из плазмы в эту область захватывалось некоторое количество электронов плазмы, которые и ускорялись.

В настоящее время накоплен уже значительный экспериментальный и теоретический материал, достаточный для проектирования и строительства лазерного ускорителя на энергию электронов более 1000 МэВ. Сейчас несколько таких проектов близки к реализации.

Рис. 60 - Распространение лазерного импульса в bubble-режиме. Сразу сзади за импульсом образуется область, в которой нет электронов (электронный пузырь). В нее захватывается из плазмы маленький электронный сгусток, который ускоряется

протон частица детектор ускорение

В 2000 г. при облучении тонких фольг высокоинтенсивными (более 1018 Вт/см2) лазерными импульсами были обнаружены протоны с энергией до 10 МэВ, вылетающие в основном из задней стенки фольги в направлении распространения импульса [10]. Этот результат вызвал большой интерес. Опыты были повторены во многих лабораториях. Максимальная измеренная энергия протонов в некоторых из них достигала 60 МэВ, а их число доходило до 1012 на один лазерный импульс.

Как возникают протоны с такой высокой энергией? Анализ экспериментальных данных и численные расчеты показали, что под действием лазерного импульса в фольге возникают быстрые электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны. Но далеко улететь они не могут. Их останавливает электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. Вблизи задней поверхности мишени образуется отрицательно заряженный слой, состоящий из электронов. Электрическое поле, создаваемое этими электронами, направлено перпендикулярно к поверхности и достигает величины, достаточной для того, чтобы ионизовать атомы, находящиеся на поверхности. Затем, под действием этого же электрического поля, ионы начинает ускоряться. Возникает двойной слой, состоящий из разделенных в пространстве слоев электронов и ионов, который вылетает из мишени. В процессе ускорения энергия от электронов переходит к ионам. Наиболее эффективно ускоряются легкие ионы (протоны), образовавшиеся из атомов водорода, адсорбированного на поверхности фольги (рис. 61).

Рис. 61 - Ускорение ионов (протонов) при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги. Лазерный импульс падает на левую границу фольги, быстрые электроны вылетают через правую границу фольги и ускоряют ионы своим электрическим полем

Такие источники энергичных ионов уже находят применение в протонной радиографии, когда изображение объекта получают, просвечивая его пучком протонов. Таким методом удается, в частности, определить структуру электрических полей внутри исследуемого объекта. Но наибольшие перспективы лазерные источники быстрых ионов имеют в медицине (онкология). Дело в том, что именно протоны целесообразнее использовать для воздействия на раковые опухали. В настоящее время источниками таких протонов служат различные вакуумные ускорители, весьма громоздкие и дорогие. Высказываются надежды, что лазерные источники окажутся более компактными и дешевыми.

2.8 Индукционные ускорители

К индукционным ускорителям принадлежат линейные индукционные ускорители.

Рис. 62 - Схема устройства линейного индукционного ускорителя: 1-сердечник индуктора; 2-возбуждающая обмотка; 3-фокусирующая катушка

В линейных индукционных ускорителях силовые линии электрического поля (с напряжённостью Е) направлены вдоль оси ускорителя. Электрическое поле индуцируется изменяющимся во времени магнитным потоком, проходящим через расположенные друг за другом кольцевые ферритовые индукторы 1 (рис. 3). Магнитный поток возбуждается в них короткими (десятки или сотни нс) импульсами тока, пропускаемыми через одновитковые обмотки 2, охватывающие индукторы. Фокусировка производится продольным магнитным полем, которое создаётся катушками 3, расположенными внутри индукторов. Линейные индукционные ускорители позволяют получать в импульсе рекордные (килоамперные) токи; наиболее мощный из работающих ускорителей- АТА (США) - ускоряет электроны до энергии 43 МэВ при токе 10 кА. Длительность токовых импульсов 50 нc.

2.9 Перспективы развития ускорителей

Среди проектов крупных ускорителей, которые находятся в стадии разработки, строительства или уже вступили в строй, можно перечислить следующие.

В России (г. Троицк, Моск. обл.) заканчивается сооружение "мезонной фабрики" на энергию 600 МэВ со ср. током 70 мкА. В 1993 она уже выдавала пучок с энергией 430 МэВ. Для производства изотопов используется пучок протонов с энергией 160 МэВ и со ср. током 100 мкА. В Протвино ведётся сооружение ускорительно-накопительного комплекса (УНК), рассчитанного на ускорение протонов до 3 ТэВ. УНК располагается в подземном туннеле с периметром 21 км. Ожидается интенсивность частиц в импульсе 5.1012.

В ФРГ (Гамбург) вступил в строй У. на встречных пучках (HERA), предназначенный для изучения взаимодействия протонов (820 ГэВ) с электронами и позитронами (30 ГэВ). Проектная светимость ~2.1031 см-2.с-1. Протонный синхротрон содержит сверхпроводящие магниты, а электронный - обычные (чтобы не увеличивать потери на син-хротронное излучение). В оснащении этого ускорителя и в работе на нём принимают участие 37 ин-тов из разных стран.

В Германии разрабатывается также проект линейного коллайдера DESY с энергией частиц 250x250 ГэВ (1-й вариант) или 500 х 500 ГэВ (2-й вариант). В ЦЕРНе (Швей-цария) в тоннеле кольцевого электронно-позитронного У. (LEP) начинается сооружение коллайдера для тяжёлых частиц LHC (Large Hadron Collider). На нём можно будет изучать столкновения протонов (2x7 ТэВ), протонов и электронов, протонов и ионов (вкл. свинец, 1148 ТэВ).

Ускорение тяжёлых ионов может производиться на нук-лотроне (Дубна, Россия). Начиная с 1977 на протонном синхротроне в Дубне ускорялись различные ионы вплоть до углерода (4,2 ГэВ/нуклон, а с 1992-до 6 ГэВ/нуклон).

На У. "Сатурн" в Сакле (Франция) ускоряются ионы вплоть до аргона (до 1,15 ГэВ/нуклон). Ускоритель SPS (ЦЕРН) позволяет ускорять ионы кислорода и серы до 200 ГэВ/нуклон.

В США разработан проект наиболее крупного сверхпроводящего суперколлайдера (SSC) на энергию 2 х 20 ТэВ. Сооружение этого ускорителя отложено.

В Международном комитете по ускорителям рассматриваются ещё более крупные проекты, осуществление которых потребует совместных усилий развитых государств. Конкретный проект такого ускорителя ещё не определён. Все осуществляемые и разрабатываемые проекты основаны на известных, хорошо зарекомендовавших себя принципах. Новые методы ускорения, о которых говорилось выше, могут в случае успеха полностью изменить эти планы.

2.10 Применение ускорителей

Кроме научного ускорения имеют и практическое применение. Так, линейные ускорители используются для создания нейтронных генераторов для радиационного испытания материалов, активно обсуждаются электроядерные методы наработки ядерного горючего и ускорения тяжёлых малозарядных ионов для управляемого инерционного термоядерного синтеза. В Лома-Линде (США) заканчивается сооружение специализированного комплекса с протонным синхротроном для лучевой терапии. Аналогичный проект рассматривается в России.

Заключение

Современный ускоритель - это своего рода фабрика для производства новых частиц и для получения, по существу, новых видов материи, без изучения которых, как выяснилось, нельзя понять и строение «обычных» частиц, таких, как нейтрон и протон. Именно после сооружения и запуска мощных ускорителей и детекторов были открыты многие десятки элементарных частиц, изучены сотни различных реакций, связанных с тремя возможными типами взаимодействия: сильным, электромагнитным и слабым.

Пожалуй, один из самых важных и поразительных выводов, к которому в последние годы привели исследования в области физики высоких энергий, заключается в том, что нуклоны и многие другие элементарные частицы, по сути дела, нельзя считать элементарными, они представляют собой сложные составные объекты. И одна из основных задач, которую сегодня стремится решить физика высоких энергий, состоит в том, чтобы выяснить свойства этих «более элементарных» объектов, из которых, в частности, состоят нуклоны, выяснить число этих объектов и законы их взаимодействия.

Другая важнейшая задача состоит в том, чтобы установить возможную взаимосвязь между различными типами взаимодействия элементарных частиц. Как известно, электрические и магнитные силы представляют собой различные проявления единого электромагнитного поля. Открытие взаимосвязи электричества и магнетизма привело к существенному прогрессу в понимании многих явлений физики и дало огромный толчок развитию техники. Достаточно вспомнить электрогенераторы, электродвигатели, радиосвязь и многие другие блага, полученные человеком благодаря тому, что удалось понять взаимосвязь электричества и магнетизма. Существующие к настоящему времени экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что три типа взаимодействий элементарных частиц - сильные, электромагнитные и слабые - это различные проявления некоторого универсального взаимодействия. Если существование такого универсального взаимодействия подтвердится - это будет величайшим прогрессом в человеческих знаниях и в принципе может дать способ управлять одними силами с помощью других.

Выяснение строения элементарных частиц и свойств их взаимодействия, несомненно, будет иметь для человечества столь же большое научное и практическое значение, как познание атома и атомного ядра.

Дальнейший прогресс в этой области, исключительно важной для всей науки, в решающей степени зависит от того, насколько совершенную технику получат экспериментаторы. И прежде всего от того, насколько мощные ускорители и детекторы окажутся в их распоряжении, насколько удастся поднять энергию ускоряемых частиц.

Литература

1. Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М.: Издательство МГУ, 2005.

. Горбунов Л.М. Ускорители XXI века? // Природа. 1988. №5. С.15-23.

. Mourou G., Tajima T., Bulanov S.V. // Review of Modern Physics. 2006. V.78. P.309-371.

. Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Госатомиздат, 1961.

. Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.

. Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В., Линейные ускорители, М., 1969.

. Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М., 1970.

. Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975;

. Линейные ускорители ионов, под ред. Б. П. Мурина, т. 1-2, М., 1978;

. Бахрушин Ю. П., Анацкий А. И., Линейные индукционные ускорители, М., 1978.

. Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техники ускорителей, т. 3, М., 1981.

. Москалев В. А., Бетатроны, М., 1981; Капчинский И. М., Теория линейных резонансных ускорителей, М., 1982. Л. Л. Гольдин.