В современной физике для исследования структуры атомов и элементарных частиц широко применяются пучки заряженных частиц высокой энергии. Однако естественные источники, такие как радиоактивный распад, не могут обеспечить достаточную энергию для глубокого проникновения в материю. Это привело к разработке специальных устройств — ускорителей заряженных частиц, которые искусственно разгоняют электроны, протоны и ионы до колоссальных скоростей.
Принцип работы и эволюция ускорителей
Основная идея ускорения основана на воздействии электрического поля на заряженные частицы. Попадая в область между электродами с разными потенциалами, частица (например, электрон или протон) начинает двигаться быстрее под действием электрических сил. Этот фундаментальный принцип лег в основу первых ускорителей, созданных в 1930-х годах.
Линейные ускорители
Простейшим типом является линейный ускоритель. Он представляет собой длинную вакуумную трубу, внутри которой расположена цепочка трубчатых электродов (трубок дрейфа). К электродам подводится переменное высокочастотное напряжение от специального генератора. Когда частица попадает в зазор между электродами, электрическое поле ускоряет её. Ключевая особенность заключается в синхронизации: в момент пролёта частицы через электрод полярность напряжения меняется, так что следующий электрод притягивает и дополнительно разгоняет её. Таким образом, частица получает энергию на каждом ускоряющем промежутке.
Энергия частиц в линейных ускорителях напрямую зависит от длины установки. Современные модели, такие как 3-километровый ускоритель в Станфорде (США), позволяют достигать энергии электронов до 20 ГэВ. Однако увеличение длины имеет практические ограничения, что стимулировало поиск альтернативных конструкций.
Циклические ускорители: от циклотрона к синхрофазотрону
Наблюдение за движением заряженных частиц в магнитном поле привело к созданию циклических ускорителей. В циклотроне частицы движутся по спирали внутри вакуумной камеры, помещённой между полюсами мощного электромагнита. Камеру разделяют два электрода в форме полуцилиндров (дуанты). Частицы (например, протоны), испускаемые источником в центре, ускоряются переменным электрическим полем в зазоре между дуантами, а магнитное поле закручивает их траекторию.
Одним из крупнейших ускорителей такого типа является фазотрон в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне, где получают протоны с энергией 680 МэВ.
С развитием физики высоких энергий потребовались ещё более мощные установки. На смену циклотронам пришли синхротроны и синхрофазотроны. В этих установках частицы движутся не по спирали, а по замкнутой кольцевой орбите постоянного радиуса. Траектория удерживается множеством магнитных секций, расположенных по периметру кольца, а ускорение обеспечивается специальными резонаторами. Это позволяет достигать гигантских энергий.
Ярким примером является протонный синхрофазотрон Института физики высоких энергий под Серпуховом с длиной кольца 1,5 км, разгоняющий протоны до 76 ГэВ. Современные установки этого типа достигают энергий порядка 500 ГэВ.
Применение ускорителей в науке и промышленности
Ускорители заряженных частиц стали не только инструментом фундаментальных исследований микромира, но и нашли широкое практическое применение. Например, компактные циклические ускорители электронов — бетатроны (с энергией около 100 МэВ) — используются в медицине для лучевой терапии и в технике для неразрушающего контроля материалов (дефектоскопии). Пучки ионов применяются в микроэлектронике для создания полупроводниковых структур и микросхем. Таким образом, ускорительная техника продолжает развиваться, открывая новые горизонты как в познании Вселенной, так и в решении прикладных задач.