荷電粒子加速器。発明と生産の歴史

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荷電粒子加速器。発明と生産の歴史

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現代の物理学には、原子核の秘密に侵入するための試行錯誤された方法があります-粒子で衝撃を与えるか、原子核に放射線を照射して、原子核に何が起こるかを確認します. 原子とその原子核の最初の研究では、放射性元素の自然崩壊から生じる放射線のエネルギーで十分でした。しかし、すぐにこのエネルギーでは十分ではなくなり、核をさらに深く「調べる」ために、物理学者は人工的に高エネルギー粒子の流れを作り出す方法を考えなければなりませんでした。

異なる電荷を有する電極間に落ちた荷電粒子、例えば電子または陽子は、電気力の作用下で運動を加速することが知られている。この現象により、1930 年代に、いわゆる線形加速器を作成するというアイデアが生まれました。

設計上、線形加速器は、内部が真空に保たれた長い直管チャンバーです。チャンバーの全長に沿って多数の金属管電極が配置されています。特別な高周波発生器から電極に交流電圧が印加されます。つまり、最初の電極が正に帯電すると、XNUMX 番目の電極は負に帯電します。それから再び正極、続いて負極。

粒子加速器
飛行管を備えたヴィデレー加速器のスキーム: 1 - 飛行管。 2 - AC 電圧源。 3 - 電場の作用領域 E.

電子のビームが電子「銃」からチャンバーに発射され、最初の正極の電位の作用下で、それは加速し始め、それをさらにすり抜けます。同時に、供給電圧の位相が変化し、正に帯電したばかりの電極が負になります。今、彼はまるで後ろからそれらを促すかのように、彼自身から電子をはじきます。そして、この間に正になったXNUMX番目の電極は、電子をそれ自体に引き付け、さらに加速します。次に、電子がその中を飛ぶと、再び負になり、XNUMX番目の電極に向かって押し出されます。

そのため、電子は前進するにつれて徐々に加速し、チャンバーの終わりまでに光速に近づき、数億電子ボルトのエネルギーを獲得します。チューブの端に取り付けられた、空気を通さない窓を通して、加速された電子の一部が、原子とその原子核などのミクロ世界の研究対象に当たります。

粒子に与えたいエネルギーが多ければ多いほど、線形加速管を長くする必要があることを理解するのは簡単です - 数十または数百メートル。しかし、これは常に可能であるとは限りません。ここで、パイプをコンパクトならせん状に丸めます。その後、そのような加速器は実験室に自由に配置できます。

別の物理現象が、このアイデアを実現するのに役立ちました。荷電粒子は、いったん磁場に入ると、直線ではなく磁力線の周りを「カール」して動き始めます。したがって、別のタイプの加速器が登場しました - サイクロトロン。最初のサイクロトロンは、1930 年に米国の E. ローレンスによって建設されました。

粒子加速器
サイクロトロン

サイクロトロンの主要部分は強力な電磁石で、その極の間に平らな円筒形のチャンバーが配置されています。小さな隙間で区切られたXNUMXつの半円形の金属製の箱で構成されています。これらのボックス - ディー - は電極として機能し、交流電圧発生器の極に接続されています。チャンバーの中央には荷電粒子源があり、電子銃のようなものです。

粒子加速器
サイクロトロンの図

ソースから飛び出した粒子 (現在は正に帯電した陽子であると仮定しましょう) は、現在負に帯電している電極にすぐに引き寄せられます。電極内部には電界がないため、粒子は慣性で内部を飛行します。磁力線が軌道の平面に垂直な磁場の影響下で、粒子は半円を描き、電極間のギャップまで飛びます。この間、最初の電極が正になり、粒子を押し出し、もう一方の電極が粒子を引き込みます。このように、あるディーから別のディーに渡されると、粒子は速度を上げ、巻き戻しのスパイラルを描きます。粒子は、実験者のターゲットにある特別な磁石の助けを借りてチャンバーから除去されます。

サイクロトロン内の粒子の速度が光速に近づくほど、それらは重くなり、ディーの電圧の変化する符号に徐々に遅れを取り始めます。それらは電気力に間に合わなくなり、加速を停止します。サイクロトロンで粒子に伝達できる限界エネルギーは 25 ～ 30 MeV です。

この障壁を克服するために、ディーズに交互に印加される電圧の周波数を徐々に下げ、「より重い」粒子のビートに合わせます。このタイプの加速器はシンクロサイクロトロンと呼ばれます。

ドゥブナ (モスクワ近郊) の合同核研究研究所にある最大のシンクロサイクロトロンの 680 つは、380 MeV のエネルギーを持つ陽子と、3 MeV のエネルギーを持つ重陽子 (重水素原子核 - 重水素) を生成します。これを行うには、直径 7000 メートルの真空チャンバーと XNUMX トンの重さの電磁石を構築する必要がありました。

物理学者が核の構造に深く浸透するにつれて、ますます高いエネルギーの粒子が必要になりました。さらに強力な加速器、つまり粒子がらせん状ではなく環状チャンバー内の閉じた円内を移動するシンクロトロンとシンクロファソトロンを構築することが必要になりました。 1944年、互いに独立して、ソビエトの物理学者V.I. ベクスラーとアメリカの物理学者E.M. マクミランは、オートフェージングの原理を発見しました。この方法の本質は次のとおりです。フィールドが特定の方法で選択された場合、粒子は常に加速電圧との位相に自動的に落下します。 1952年、アメリカの科学者E. Courant、M。Livingston、H。Snyderは、粒子を運動軸に押し付ける、いわゆるハードフォーカシングを提案しました。これらの発見の助けを借りて、任意の高エネルギーのシンクロファソトロンを作成することが可能でした。

加速器には、加速する電場の種類による別の分類システムがあります。高電圧加速器は、粒子が電極間を飛行している間、常に活動している加速空間の電極間の高い電位差によって機能します。誘導加速器では、粒子が現在位置している場所に誘導（励起）される渦電場が「機能」します。そして最後に、共鳴加速器は、時間と大きさが変化する加速電場を使用し、それと同期して「共鳴して」、粒子の「セット」全体が加速されます。現代の高エネルギー粒子加速器について話すとき、主にリング共鳴加速器を意味します。

さらに別の種類の加速器である陽子では、非常に高いエネルギーを加速するため、加速期間の終わりまでに、粒子の速度は光の速度に近づきます。それらは一定の周波数で円軌道を周回しています。高エネルギー陽子の加速器は、陽子シンクロトロンと呼ばれます。最大の XNUMX つは、米国、スイス、ロシアにあります。

現在稼働中の加速器のエネルギーは、数十から数百ギガ電子ボルト (1 GeV = 1000 MeV) に達します。世界最大のものの 70 つは、1967 年に稼働を開始した、モスクワ近郊のプロトビノ市にある高エネルギー物理学研究所の U-120 陽子シンクロファソトロンです。加速リングの直径は 20000 km で、10 の磁気セクションの総質量は 76 トンに達します。 400000 秒ごとに、加速器は 60000 GeV (世界で XNUMX 番目の指標) のエネルギーを持つ陽子の XNUMX 乗の XNUMX のボレーでターゲットを撃ちます。このエネルギーを達成するには、粒子は XNUMX 回転を完了し、XNUMX キロメートルの距離をカバーする必要があります。新しい加速器用の全長 XNUMX キロメートルの地下リングトンネルもここに建設されました。

興味深いことに、ソビエト時代のダブナやプロトヴィノでの加速器の打ち上げは、モスクワだけでなく近隣地域でもほぼすべての電力が供給されていたため、夜間にのみ行われました。

1973 年、アメリカの物理学者はバタビア市で加速器を稼働させました。この加速器では、粒子が 400 GeV のエネルギーを与えることに成功し、その後 500 GeV まで上げました。今日、最も強力な加速器は米国にあります。「テバトロン」と呼ばれる理由は、長さ 1 km を超えるリングの中で、超伝導磁石の助けを借りて、陽子が約 1 テラ電子ボルト (1000 TeV は XNUMX GeV に相当) のエネルギーを獲得するためです。

粒子加速器
米国フェルミ研究所加速器センターの眺め。テバトロン (背景のリング) とインジェクターリング

加速された粒子のビームと研究対象の物体の材料との相互作用のさらに高いエネルギーを達成するために、「発射体」に向かって「ターゲット」を分散させる必要があります。これを行うには、特別なアクセラレーター (コライダー) で粒子ビームの衝突を整理します。もちろん、衝突するビーム内の粒子の密度は、静止した「ターゲット」の材料ほど高くないため、いわゆるアキュムレータを使用して増加させます。これらは、粒子が加速器から「少しずつ」投入される環状の真空チャンバーです。アキュムレータには、粒子のエネルギー損失を補う加速システムが装備されています。科学者が加速器のさらなる開発を関連付けるのは、コライダーです。これまでのところ、建設されたのはごくわずかで、世界で最も先進的な国、つまり米国、日本、ドイツ、およびスイスに拠点を置く欧州核研究センターにあります。

最新の加速器は、2000 倍重い電子または陽子などの強力な粒子ビームを生成するための「工場」です。加速器からの粒子ビームは、実験のタスクに基づいて選択された「ターゲット」に向けられます。それに衝突すると、さまざまな二次粒子が生成されます。新しい粒子の誕生が実験の目的です。

特別なデバイス（検出器）の助けを借りて、これらの粒子またはその痕跡が登録され、移動の軌跡が復元され、粒子の質量、電荷、速度、およびその他の特性が決定されます。次に、検出器から受け取った情報を複雑に数学的処理することにより、相互作用の「履歴」全体がコンピューター上に復元され、測定結果を理論モデルと比較することにより、実際のプロセスが構築されたモデルと一致するかどうかが結論付けられます。 . このようにして、核内粒子の性質に関する新しい知識が得られます。

加速器内の粒子によって取得されるエネルギーが高いほど、それが「ターゲット」原子または衝突型加速器内のカウンター粒子に強く影響するほど、「フラグメント」は小さくなります。

たとえば、米国の衝突型加速器の助けを借りて、私たちの宇宙が始まったと思われるビッグバンを実験室の条件で再現することを目的とした実験が行われています。この大胆な実験には2000か国の物理学者が参加し、その中にはロシアの代表者も含まれていました。 XNUMX年夏のロシアのグループは実験に直接参加し、加速器で勤務し、データを取得しました。

ロシアの科学者の 60 人 - この実験の参加者 - 物理科学および数理科学の候補者であり、MEPhI の准教授である Valery Mikhailovich Emelyanov は次のように述べています。重い相対論的イオンに基づいて構築されました. 「重い」 - すでに今年から彼は金原子核のビームで作業を始めました. 「相対論的」 - これも理解できます.特殊相対論の効果がすべての栄光. そして「コライダー」 (衝突から - 衝突) それはそのリングに核の衝突ビームの衝突があるので呼ばれます. ちなみに, わが国にはこのタイプの加速器はありません. 落ちるエネルギー100 つの核子は 25 GeV です。これは非常に多く、以前に達成された量のほぼ 2000 倍です。最初の物理的衝突は XNUMX 年 XNUMX 月 XNUMX 日に記録されました。」科学者の仕事は、核物質の新しい状態、つまりクォークグルーオンプラズマを登録しようとすることでした。

「この作業は非常に複雑です」と Emelyanov 氏は続けます。、熱量計、多重度センサー荷電粒子、遷移放射を記録するカウンターなど、クォークグルーオンプラズマに固有の微妙な違いを記録する希望があります.そのような高エネルギーでの原子核の相互作用のメカニズムはそれ自体興味深いですが、より重要なこと研究室で初めて宇宙の起源を探ります。」

著者：Musskiy S.A.

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