Что такое синхрофазотрон простыми. Синхрофазотрон - что это: определение, принцип действия, применение. Подробнее об устройстве

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

В 1957 году СССР осуществил научный и технический прорыв в нескольких областях: произвел успешный запуск искусственного спутника Земли, а за несколько месяцев до данного события в Дубне начал работать синхрофазотрон. Что это такое и для чего нужна подобная установка? Этот вопрос волновал не только граждан СССР в то время, но и весь мир. Разумеется, в научном кругу понимали, что это такое, но обычные граждане приходили в недоумение, когда слышали это слово. Даже сегодня большинство людей не понимают сути и принципа синхрофазотрона, хотя не раз слышали это слово. Давайте разберемся, что это за устройство и для чего применялось.

Для чего нужен синхрофазотрон?

Разрабатывали эту установку для изучения микромира и познания структуры элементарных частиц, законов их взаимодействия друг с другом. Сам способ познания был чрезвычайно прост: поломать частицу и посмотреть, что находится внутри. Однако как можно поломать протон? Для этого и был создан синхрофазотрон, который разгоняет частицы и ударяет их о мишень. Последняя может быть неподвижной, а в современном Большом адронном коллайдере (он является усовершенствованной версией старого доброго синхрофазотрона) мишень является подвижной. Там пучки протонов с огромной скоростью движутся друг к другу и ударяются.

Считалось, что эта установка позволит осуществить научный прорыв, открыть новые элементы и способы получения атомной энергии из дешевых источников, которые превосходили бы по эффективности обогащенный уран и являлись бы более безопасными и менее вредными для окружающей среды.

Военные цели

Конечно, военные цели также преследовались. Создание атомной энергии в мирных целях - это лишь оправдание для наивных. Не зря проект синхрофазотрона вышел с грифом "Совершенно секретно", ведь строительство этого ускорителя осуществлялось в рамках проекта создания новой атомной бомбы. С его помощью хотели получить усовершенствованную теорию ядерных сил, которая необходима для расчета и создания бомбы. Правда, оказалось все гораздо сложнее, и даже сегодня эта теория отсутствует.

Что такое синхрофазотрон простыми словами?

Если обобщить, то данная установка представляет собой ускоритель элементарных частиц, протонов в частности. Синхрофазотрон состоит из немагнитной закольцованной трубы с вакуумом внутри, а также мощных электромагнитов. Поочередно магниты включаются, направляя заряженные частицы внутри вакуумной трубы. Когда они с помощью ускорителей достигают максимальной скорости, их направляют в специальную мишень. Протоны в нее ударяются, разбивают саму мишень и разбиваются при этом сами. Осколки разлетаются в разные стороны и оставляют следы в пузырьковой камере. По этим следам группа ученых анализирует их природу.

Так было ранее, однако в современных установках (типа Большого адронного коллайдера) применяются более современные детекторы вместо пузырьковой камеры, которые дают больше информации об осколках протонов.

Сама по себе установка является достаточно сложной и высокотехнологичной. Можно сказать, что синхрофазотрон - это "дальний родственник" современного Большого адронного коллайдера. По сути, его можно назвать аналогом микроскопа. Оба эти прибора предназначаются для изучения микромира, вот только принцип изучения разный.

Подробнее об устройстве

Итак, мы уже знаем, что такое синхрофазотрон, а также то, что здесь частицы разгоняются до огромных скоростей. Как оказалось, для разгона протонов до огромной скорости необходимо создать разность потенциалов в сотни миллиардов вольт. К сожалению, сделать такое человечеству не под силу, поэтому частицы придумали разгонять постепенно.

В установке частицы двигаются по кругу, и на каждом обороте их подпитывают энергией, получая ускорение. И хотя подобная подпитка невелика, за миллионы оборотов можно набрать необходимую энергию.

В основу работы синхрофазотрона положен именно этот принцип. Разогнанные до небольших значений элементарные частицы запускаются в туннель, где располагаются магниты. Они создают перпендикулярное кольцу магнитное поле. Многие ошибочно полагают, что эти магниты ускоряют частицы, но на самом деле это не так. Они лишь меняют их траекторию, заставляя двигаться по окружности, однако не ускоряют их. Само ускорение происходит на определенных разгонных промежутках.

Разгон частиц

Подобный промежуток ускорения представляет собой конденсатор, на который подается напряжение с высокой частотой. Кстати, это основа всей работы данной установки. Пучок протонов влетает в данный конденсатор в момент, когда напряжение в нем равно нулю. По мере того как частицы пролетают по конденсатору, напряжение успевает возрасти, что подгоняет частицы. На следующем кругу это повторяется, так как частота переменного напряжения специально подбирается равной частоте обращения частицы по кольцу. Следовательно, синхронно и в фазе осуществляется ускорение протонов. Отсюда и название - синхрофазотрон.

Кстати, при таком способе ускорения есть определенный полезный эффект. Если вдруг пучок протонов летит быстрее необходимой скорости, то он влетает в разгонный промежуток при отрицательном значении напряжения, из-за чего немного притормаживает. Если скорость движения меньшая, то эффект будет обратным: частица получает ускорение и догоняет основной сгусток протонов. В результате плотный и компактный пучок частиц движется с одной скоростью.

Проблемы

В идеале частицы необходимо разогнать до максимально возможной скорости. И если протоны на каждом круге движутся быстрее и быстрее, то почему нельзя их разогнать до максимально возможной скорости? Причин несколько.

Во-первых, рост энергии предполагает увеличение массы частиц. К сожалению, релятивистские законы не позволяют ни один элемент разогнать выше скорости света. В синхрофазотроне скорость протонов практически достигает скорости движения света, что сильно увеличивает их массу. В результате их становится трудно удерживать на круговой орбите радиуса. Еще со школы известно, что радиус движения частиц в магнитном поле обратно пропорционален массе и прямо пропорционален величине поля. И так как масса частиц растет, то радиус необходимо увеличивать и делать магнитное поле сильнее. Эти условия и создают ограничения в реализации условий для исследования, так как технологии даже сегодня ограничены. Пока что не удается создать поле с индукцией выше нескольких тесла. Поэтому и делают туннели большой длины, ведь при большом радиусе тяжелые частицы на огромной скорости удается удерживать в магнитном поле.

Вторая проблема - движение с ускорением по окружности. Известно, что заряд, который движется с определенной скоростью, излучает энергию, то есть теряет ее. Следовательно, частицы при ускорении постоянно теряют часть энергии, и чем выше их скорость, тем больше энергии они расходуют. В какой-то момент наступает равновесие между получаемой энергией на участке разгона и потерей этого же количества энергии за один оборот.

Исследования, проводимые на синхрофазотроне

Теперь мы понимаем, какой принцип лежит в основе работы синхрофазотрона. Он позволил провести ряд исследований и совершить открытия. В частности ученые смогли изучить свойства ускоренных дейтронов, поведение квантовой структуры ядер, взаимодействие тяжелых ионов с мишенями, а также разработать технологию утилизации урана-238.

Применение результатов, полученных в ходе испытаний

Полученные по этим направлениям результаты применяются на сегодняшний день в строительстве космических кораблей, проектировании атомных электростанций, а также при разработке специального оборудования и робототехники. Из всего этого следует, что синхрофазотрон - такое устройство, вклад в науку которого переоценить сложно.

Заключение

В течение 50 лет подобные установки служат на благо науки и активно применяются учеными всей планеты. Ранее созданный синхрофазотрон и подобные ему установки (они создавались не только в СССР) являются всего лишь одним звеном в цепочке эволюции. Сегодня появляются более совершенные устройства - нуклотроны, обладающие огромной энергией.

Одним из самых совершенных среди подобных устройств является Большой адронный коллайдер. В отличие от действия синхрофазотрона, он встречными курсами сталкивает два пучка частиц, в результате чего выделяемая от столкновения энергия во много раз превышает энергию на синхрофазотроне. Это открывает возможности для более точного изучения элементарных частиц.

Пожалуй, теперь вы должны понимать, что такое синхрофазотрон и для чего он вообще нужен. Эта установка позволила сделать целый ряд открытий. Сегодня из него сделали ускоритель электронов, и на данный момент он работает в ФИАНе.

Что такое синхрофазотрон?

Для начала немного углубимся в историю. Потребность в данном устройстве впервые возникла в 1938 году. Группа ученых-физиков Ленинградского ФТИ обратилась к Молотову с заявлением, что СССР нужна исследовательская база для изучения строения атомного ядра. Аргументировали данную просьбу тем, что подобная область изучения играет очень важную роль, а на данный момент Советский Союз несколько отстает от западных коллег. Ведь в Америке на то время уже имелось 5 синхрофазотронов, в СССР же ни одного. Было предложено завершить постройку уже начатого циклотрона, развитие которого приостановилось из-за слабого финансирования и отсутствия компетентных кадров.

В конце концов, было принято решение о строительстве синхрофазотрона, и во главе сего проекта стоял Векслер. Строительство было завершено в 1957 году. Так что же такое синхрофазотрон? Попросту говоря, – это ускоритель частиц. Он предает частицам огромной кинетической энергии. В его основе лежит переменчивое ведущее магнитное поле и изменяемая частота главного поля. Такое сочетание позволяет удерживать частицы на постоянной орбите. Используется это устройство для изучения разнообразнейших свойств частиц и их взаимодействия на высоких энергетических уровнях.

Аппарат имеет очень интригующие габариты: он занимает целый корпус университета, его вес равен 36 тыс. тонн, а диаметр магнитного кольца – 60 м. Довольно внушительные размеры для устройства, основной задачей которого является изучение частиц, размеры которых измеряются в микрометрах.

Принцип работы синхрофазотрона

Очень многие ученые физики пытались разработать устройство, которое давало бы возможность разгонять частицы, предавая им огромной энергии. Именно решением этой проблемы и является синхрофазотрон. Как же он работает и что лежит в основе?

Начало было положено циклотроном. Рассмотрим принцип его действия. Ионы, которые будут ускорять, попадают в вакуум, где находится дуант. В это время на ионы происходит воздействие магнитным полем: они продолжают двигаться по оси, набирая скорость. Преодолев ось и попав в следующий зазор, начинается набор ими скорости. Для большего ускорения требуется постоянный прирост радиуса дуги. При этом время прохождения будет постоянным, не смотря на увеличение расстояния. Из-за роста скорости наблюдается прирост массы ионов.

Такое явление влечет за собой потерю в наборе скорости. Это и есть основной недостаток циклотрона. В синхрофазотроне данная проблема полностью устранена – за счет изменения индукции магнитного поля с привязанной массой и одновременного изменения частоты перезарядки частиц. То есть, энергия частиц наращивается за счет электрического поля, задавая направление за счет наличия магнитного поля.

В 1957 году Советский Союз осуществил революционный научный прорыв сразу в двух направлениях: в октябре был запущен первый искусственный спутник Земли, а за несколько месяцев до этого, в марте, в Дубне начал работать легендарный синхрофазотрон - гигантская установка для исследования микромира. Эти два события потрясли весь мир, и слова «спутник» и «синхрофазотрон» прочно вошли в нашу жизнь.

Синхрофазотрон представляет собой один из видов ускорителей заряженных частиц. Частицы в них разгоняют до больших скоростей и, следовательно, до высоких энергий. По результату их соударений с другими атомными частицами судят о строении и свойствах материи. Вероятность соударений определяется интенсивностью ускоренного пучка частиц, то есть количеством частиц в нем, поэтому интенсивность наряду с энергией - важный параметр ускорителя.

О необходимости создания в Советском Союзе серьезной ускорительной базы было заявлено на правительственном уровне в марте 1938 года. Группа исследователей Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ) во главе с академиком А.Ф. Иоффе обратилась к председателю СНК СССР В.М. Молотову с письмом, в котором предлагалось создать техническую базу для исследований в области строения атомного ядра. Вопросы строения атомного ядра стали одной из центральных проблем естествознания, а Советский Союз в их решении значительно отставал. Так, если в Америке имелось по крайней мере пять циклотронов, то в Советском Союзе не было ни одного (единственный циклотрон Радиевого института АН (РИАН), пущенный в 1937 году, из-за дефектов проектирования практически не работал). Обращение к Молотову содержало просьбу создать условия для окончания к 1 января 1939 года постройки циклотрона ЛФТИ. Работу по его созданию, начатую в 1937 году, приостановили из-за ведомственных неувязок и прекращения финансирования.

В ноябре 1938 года С.И. Вавилов в обращении в президиум АН предложил строить циклотрон ЛФТИ в Москве и перевести в состав Физического института АН (ФИАН) из ЛФТИ лабораторию И.В. Курчатова, которая занималась его созданием. Сергей Иванович хотел, чтобы центральная лаборатория по изучению атомного ядра располагалась там же, где находилась Академия наук, то есть в Москве. Однако его не поддержали в ЛФТИ. Споры закончились в конце 1939 года, когда А.Ф. Иоффе предложил создать сразу три циклотрона. 30 июля 1940 года на заседании президиума АН СССР было решено поручить РИАНу в текущем году дооборудовать действующий циклотрон, ФИАНу - к 15 октября подготовить необходимые материалы по строительству нового мощного циклотрона, а ЛФТИ - окончить строительство циклотрона в первом квартале 1941 года.

В связи с этим решением в ФИАНе создали так называемую циклотронную бригаду, в которую вошли Владимир Иосифович Векслер, Сергей Николаевич Вернов, Павел Алексеевич Черенков, Леонид Васильевич Грошев и Евгений Львович Фейнберг. 26 сентября 1940 года бюро Отделения физико-математических наук (ОФМН) заслушало информацию В.И. Векслера о проектном задании на циклотрон, одобрило его основные характеристики и смету на строительство. Циклотрон был рассчитан на ускорение дейтронов до энергии 50 МэВ.

Итак, мы подошли к самому главному, к человеку, внесшему значительный вклад в развитие физики в нашей стране в те годы - Владимир Иосифович Векслер. Об этом выдающемся физике и пойдет дальше речь.

В. И. Векслер родился на Украине в городе Житомире 3 марта 1907 года. Его отец погиб в первой мировой войне.

В 1921 году, в период сильного голода и разрухи, с большими трудностями, без денег, Володя Векслер попадает в голодную преднэповскую Москву. Подросток оказывается в доме-коммуне, учрежденной в Хамовниках, в старинном особняке, покинутом хозяевами.

Векслера отличал интерес к физике и практической радиотехнике, он сам собрал детекторный радиоприемник, что в те годы было делом необычайно трудным, много читал, в школе хорошо учился.
Выйдя из коммуны, Векслер сохранил многие воспитанные ею взгляды и привычки.
Заметим, что поколение, к которому принадлежал Владимир Иосифович, в подавляющем своем большинстве с полным пренебрежением относилось к бытовым сторонам своей жизни, но фанатично увлекалось научными, профессиональными и социальными проблемами.

Векслер в числе других коммунаров окончил девятилетнюю среднюю школу и вместе со всеми выпускниками поступил рабочим на производство, где работал электромонтером более двух лет.
Его тяга к знаниям, любовь к книге и редкая сообразительность были замечены и в конце 20-х годов юноша получил "комсомольскую путевку" в институт.
Когда Владимир Иосифович кончал институт, проводилась очередная реорганизация высших учебных заведений и изменение их названий. Получилось так, что Векслер поступал в Плехановский институт народного хозяйства, а окончил МЭИ (Московский энергетический институт) и получил квалификацию инженера по специальности ренгенотехника.
В том же году он поступил в лабораторию рентгеноструктурного анализа Всесоюзного электротехнического института в Лефортове, где Владимир Иосифович начал свою работу с постройки измерительных приборов и изучения методов измерения ионизирующего излучения, т.е. потоков заряженных частиц.

В этой лаборатории Векслер работал 6 лет, быстро пройдя путь от лаборанта до заведующего. Здесь уже проявился характерный "почерк" Векслера как талантливого ученого-экспериментатора. Его ученик, профессор М. С. Рабинович впоследствии писал в своих воспоминаниях о Векслере: "Почти 20 лет он сам собирал, монтировал различные придуманные им установки, никогда не чураясь любой работы. Это позволяло ему видеть не только фасад, не только ее идейную сторону, но и все, что скрывается за окончательными результатами, за точностью измерений, за блестящими шкафами установок. Он всю жизнь учился и переучивался. До самых последних лет жизни вечерами, в отпуске он тщательно изучал и конспектировал теоретические работы".

В сентябре 1937 года Векслер перешел из Всесоюзного электротехнического института в Физический институт Академии наук СССР имени П. Н. Лебедева (ФИАН). Это было важное событие в жизни ученого.

К этому времени Владимир Иосифович уже защитил кандидатскую диссертацию, темой которой было устройство и применение сконструированных им "пропорциональных усилителей".

В ФИАНе Векслер занялся изучением космических лучей. В отличие от А. И. Алиханова и его сотрудников, облюбовавших живописную гору Арагац в Армении, Векслер участвовал в экспедициях ученых на Эльбрус, а затем, позже, на Памир - Крышу мира. Физиков всего мира изучали потоки заряженных частиц высокой энергии, которые невозможно было получить в земных лабораториях. Исследователи поднимались поближе к таинственным потокам космического излучения.

Даже сейчас космические лучи занимают важное место в арсенале астрофизиков и специалистов по физике высоких энергий, выдвигаются захватывающе интересные теории их происхождения. В те же времена получить частицы с такой энергией для изучения было просто невозможно, а для физикам было просто необходимо изучать их взаимодействие с полями и другими частицами. Уже в тридцатых годах у многих ученых-атомников возникала мысль: как хорошо было бы получить частицы таких высоких "космических" энергий в лаборатории с помощью надежных приборов для изучения субатомных частиц, метод изучения которых был один - бомбардировка (как образно говорили раньше и редко говорят теперь) одних частиц другими. Резерфорд открыл существование атомного ядра, бомбардируя атомы мощными снарядами - альфа-частицами. Таким же методом были открыты ядерные реакции. Чтобы превратить один химический элемент в другой, потребовалось изменить состав ядра. Это достигалось путем бомбардировки ядер альфа-частицами, а теперь - частицами, разогнанными в мощных ускорителях.

После вторжения гитлеровской Германии многие физики немедленно включились в работы военного значения. Векслер прервал изучение космических лучей и занялся конструированием и усовершенствованием радиотехнической аппаратуры для нужд фронта.

В это время Физический институт Академии наук, как и некоторые другие академические институты, эвакуировался в Казань. Лишь в 1944 году удалось организовать из Казани экспедицию на Памир, где группа Векслера смогла продолжить начатые на Кавказе исследования космических лучей и ядерных процессов, вызываемых частицами высоких энергий. Не рассматривая подробно вклад Векслера в изучение ядерных процессов, связанных с космическими лучами, которому были посвящены долгие годы его работы, можно сказать, что он был весьма значительным и дал много важных результатов. Но, пожалуй, самое важное заключалось в том, что изучение космических лучей привело ученого к совершенно новым идеям ускорения частиц. В горах Векслеру пришла в голову мысль о строительстве ускорителей заряженных частиц для создания собственных "космических лучей".

С 1944 года В. И. Векслер перешел к новой области, занявшей главное место в его научной работе. С этого времени имя Векслера уже навсегда связано с созданием крупных «автофазирующих» ускорителей и разработкой новых методов ускорения.

Однако он не утратил интереса к космическим лучам и продолжал работать в этой области. Векслер участвовал в высокогорных научных экспедициях на Памир а в течение 1946-1947 годов. В космических лучах обнаруживают частицы фантастически высоких энергий, недоступных для ускорителей. Векслеру было ясно, что «природный ускоритель» частиц до таких высоких энергий не может идти в сравнение с «творением рук человеческих».

Векслер предложил выход из этого тупика в 1944 году. Новый принцип, по которому действовали ускорители Векслера, автор назвал автофазировкой.

К этому времени был создан ускоритель заряженных частиц типа "циклотрон" (Векслер в популярной газетной статье так пояснил принцип действия циклотрона: "В этом приборе заряженная частица, двигаясь в магнитном поле по спирали, непрерывно ускоряется переменным электрическим полем. Благодаря этому к циклотроне удается сообщить частицам энергию в 10-20 миллионов электрон-вольт"). Но стало ясно, что порога 20 МэВ этим методом не перейти.

В циклотроне магнитное поле изменяется циклически, разгоняя заряженные частицы. Но в процессе ускорения происходит приращение массы частиц (как это и должно быть по СТО - специальной теории относительности). Это приводит к нарушению процесса - через определенное число оборотов магнитное поле вместо ускорения начинает тормозить частицы.

Векслер предлагает начать медленно увеличивать во времени магнитное поле в циклотроне, питая магнит переменным током. Тогда окажется, что в среднем частота обращения частиц по окружности автоматически будет поддерживаться равной частоте электрического поля, приложенного к дуантам (паре магнитных систем, искривляющей путь и ускорящей частицы магнитным полем).

При каждом прохождении через щель дуантов частицы имеют и дополнительно получают разное приращение массы (и соответственно, получают разное приращение радиуса, по которому их заворачивает магнитное поле) в зависимости от напряжения поля между дуантами в момент ускорения данной частицы. Среди всех частиц можно выделить равновесные ("удачливые") частицы. Для этих частиц механизм, автоматически поддерживающий постоянство периода обращения, особенно прост.

"Удачливые" частицы при каждом прохождении через щель дуантов испытывают приращение массы и увеличение радиуса окружности. Оно точно компенсирует уменьшение радиуса, вызванное приращением магнитного поля за время одного оборота. Следовательно, "удачливые" (равновесные) частицы могут резонансно ускоряться до тех пор, пока происходит возрастание магнитного поля.

Оказалось, что такой же способностью обладают и почти все остальные частицы, только разгон длится дольше. В процессе ускорения все частицы будут испытывать колебания около радиуса орбиты равновесных частиц. Энергия частиц в среднем будет равна энергии равновесных частиц. Итак, практически почти все частицы участвуют в резонансном ускорении.

Если вместо того чтобы медленно увеличивать во времени магнитное поле в ускорителе (циклотроне), питая магнит переменным током, увеличивать период переменного электрического поля, приложенного к дуантам, то и тогда установится режим «автофазировки».

"Может показаться, что для появления автофазировки и осуществления резонансного ускорения обязательно изменять во времени либо магнитное поле, либо период электрического. На самом деле это не так. Пожалуй, наиболее простой по идее (но далеко не простой по практическому осуществлению) способ ускорения, установленный автором раньше других способов, может быть реализован при неизменном во времени магнитном поле и постоянной частоте".

В 1955 году, когда Векслер написал свою брошюру об ускорителях, этот принцип, как указывал автор, лег в основу ускорителя - микротрона - ускорителя, требующего мощные источники микроволн. По утверждению Векслера, микротрон "не получил еще распространения (1955). Однако несколько ускорителей электронов на энергию до 4 МэВ работает уже ряд лет".

Векслер был блестящим популяризатором физики, но, к сожалению, из-за занятости редко выступал с популярными статьями.

Принцип автофазировки показал, что можно иметь устойчивую область фаз и, следовательно, можно изменять частоту ускоряющего поля, не опасаясь выйти из области резонансного ускорения. Необходимо только правильно выбрать фазу ускорения. Изменением частоты поля стало возможно легко скомпенсировать изменение массы частиц. Больше того, изменение частоты позволило быстро раскручивающуюся спираль циклотрона приблизить к окружности и ускорять частицы до тех пор, пока хватало напряженности магнитного поля, чтобы удержать частицы на заданной орбите.

Описанный ускоритель с автофазировкой, в котором изменяется частота электромагнитного поля, называется синхроциклотроном, или фазотроном.

В синхрофазотроне используется комбинация двух принципов автофазировки. Первый из них лежит в основе фазотрона, о котором уже говорилось, - это изменение частоты электромагнитного поля. Второй принцип использован в синхротронах - здесь изменяется напряженность магнитного поля.

Со времени открытия автофазировки ученые и инженеры начали проектировать ускорители на миллиарды электрон-вольт. Первым из них в нашей стране был протонный ускоритель - синхрофазотрон на 10 миллиардов электрон-вольт в Дубне.

Проектирование этого большого ускорителя началось в 1949 году по инициативе В. И. Векслера и С. И. Вавилова, пуск в эксплуатацию состоялся в 1957 году. Второй крупный ускоритель построен в Протвино близ Серпухова уже на энергию 70 ГэВ. На нем работают сейчас не только советские исследователи, но и физики других стран.

Но задолго до пуска двух гигантских "миллиардных" ускорителей в Физическом институте Академии наук (ФИАНе) под руководством Векслера были построены ускорители релятивистских частиц. В 1947 году состоялся пуск ускорителя электронов до энергий 30 МэВ, который служил моделью более крупного ускорителя электронов - синхротрона на энергию 250 МэВ. Синхротрон был запущен в 1949 году. На этих ускорителях научные сотрудники Физического института Академии наук СССР выполнили первоклассные работы по мезонной физике и атомному ядру.

После запуска дубненского синхрофазотрона наступил период быстрого прогресса в строительстве ускорителей на большие энергии. В СССР и в других странах были построены и введены в действие многие ускорители. К ним относятся упоминавшийся уже ускоритель на 70 ГэВ в Серпухове, на 50 ГэВ в Батавии (США), на 35 ГэВ в Женеве (Швейцария), на 35 ГэВ в Калифорнии (США). В настоящее время физики ставят перед собой задачи создания ускорителей на несколько тераэлектрон-вольт (тераэлектрон-вольт - 1012 эВ).

В 1944 году, когда родился термин "автофазировка". Векслеру было 37 лет. Векслер оказался одаренным организатором научной работы и главой научной школы.

Метод автофазировки как созревший плод ожидал ученого-провидца, который его снимет и завладеет им. Через год независимо от Векслера принцип автофазировки открыл известный американский ученый мак-Милан. Он признал приоритет советского ученого. Мак-Милан не раз встречался с Векслером. Они были очень дружны, и дружба двух замечательных ученых никогда ничем не омрачалась до самой смерти Векслера.

Ускорители, построенные в последние годы, хотя и основаны на принципе автофазировки Векслера, но, конечно, значительно усовершенствованы по сравнению с машинами первого поколения.

Кроме автофазировки, Векслер высказал другие идеи ускорения частиц, которые оказались очень плодотворными. Развитием этих идей Векслера широко занимаются в СССР и других странах.

В марте 1958 года в Доме ученых на Кропоткинской улице состоялось традиционное годичное собрание Академии наук СССР. Векслер изложил идею нового принципа ускорения, названного им "когерентным". Он позволяет ускорять не только отдельные частицы, но и сгустки плазмы, состоящие из большого числа частиц. "Когерентный" метод ускорения, как осторожно говорил Векслер в 1958 году, позволяет думать о возможности ускорения частиц до энергий в тысячу миллиардов электрон-вольт и даже выше.

В 1962 году Векслер во главе делегации ученых вылетел в Женеву для участия в работе Международной конференции по физике высоких энергий. Среди сорока членов советской делегации были такие крупные физики, как А. И. Алиханов, Н. Н. Боголюбов, Д. И. Блохинцев, И. Я. Померанчук, М. А. Марков. Многие ученые, входившие в делегацию, были специалистами по ускорителям и учениками Векслера.

Владимир Иосифович Векслер в течение ряда лет был председателем Комиссии по физике высоких энергий Международного союза теоретической и прикладной физики.

25 октября 1963 года Векслеру и его американскому коллеге - директору радиационной лаборатории Калифорнийского университета имени Лоуренса Эдвину Мак-Миллану - была присуждена американская премия «Атом для мира».

Векслер был бессменным директором Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Теперь о пребывании Векслера в этом городе напоминает названнная его именем улица.

В Дубне долгие годы концентрировалась научно-исследовательская работа Векслера. Он совмещал свою работу в Объединенном институте ядерных исследований с работой в Физическом институте имени П. Н. Лебедева, где в далекой молодости начал свой путь исследователя, был профессором МГУ, где заведовал кафедрой.

В 1963 году Векслер был избран академиком-секретарем отделения ядерной физики Академии наук СССР и бессменно занимал этот важный пост.

Научные достижения В. И. Векслера были высоко оценены присуждением ему Государственной премии Первой степени и Ленинской премии (1959). Выдающаяся научная, педагогическая, организационная и общественная деятельность ученого была отмечена тремя орденами Ленина, орденом Трудового Красного Знамени и медалями СССР.

Владимир Иосифович Векслер скоропостижно скончался 20 сентября 1966 года от повторного инфаркта. Ему было всего 59 лет. В жизни он всегда казался моложе своих лет, был энергичным, деятельным и неутомимым.

Технологии в СССР развивались стремительно. Чего только стоит запуск первого искусственного спутника Земли, за которым наблюдал весь мир. Мало кто знает, что в тот же 1957 год в СССР заработал (то есть был не просто достроен и введен в эксплуатацию, а именно запущен) синхрофазотрон. Слово это обозначает установку для разгона элементарных частиц. Практически каждый сегодня слышал про Большой адронный коллайдер - он представляет собой более новую и усовершенствованную версию описанного в данной статье устройства.

Что это - синхрофазотрон? Для чего он нужен?

Эта установка представляет собой большой ускоритель элементарных частиц (протонов), который позволяет более глубоко изучить микромир, а также взаимодействие этих самых частиц друг с другом. Способ изучения очень прост: разбить протоны на мелкие части и посмотреть, что находится внутри. Звучит все просто, но сломать протон - это чрезвычайно сложная задача, для решения которой потребовалось строительство столь огромного сооружения. Здесь по специальному тоннелю частицы разгоняются до огромных скоростей и затем направляются на мишень. Ударившись о нее, они разлетаются на мелкие осколки. Ближайший "коллега" синхрофазотрона, Большой адронный коллайдер, действует приблизительно по такому же принципу, вот только там частицы разгоняются в противоположных направлениях и ударяются не о стоячую мишень, а сталкиваются друг с другом.

Теперь вы немного понимаете, что это - синхрофазотрон. Считалось, что установка позволит сделать научный прорыв в области исследования микромира. В свою очередь, это позволит открыть новые элементы и способы получать дешевые источники энергии. В идеале хотели открыть элементы, превосходившие по эффективности и являющиеся при этом менее вредными и более простыми в утилизации.

Применение в военных целях

Стоит отметить, что создавалась данная установка для осуществления научно-технического прорыва, однако ее цели были не только лишь мирными. Во многом научно-технический прорыв обязан гонке военных вооружений. Синхрофазотрон был создан под грифом "Совершенно секретно", и его разработка и строительство проводились в рамках создания атомной бомбы. Предполагалось, что устройство позволит создать совершенную теорию ядерных сил, однако все оказалось не так просто. Даже сегодня эта теория отсутствует, хотя технический прогресс шагнул далеко вперед.

простыми словами?

Если обобщить и говорить понятным языком? Синхрофазотрон - это установка, где протоны можно разогнать до большой скорости. Она состоит из закольцованной трубы с вакуумом внутри и мощных электромагнитов, которые не дают протонам двигаться хаотично. Когда протоны достигают своей максимальной скорости движения, их поток направляется на специальную мишень. Ударяясь о нее, протоны разлетаются на мелкие осколки. Учены могут видеть следы разлетающихся осколков в специальной пузырьковой камере, и по этим следам они анализируют природу самих частиц.

Пузырьковая камера - это немного устаревшее устройство для фиксации следов протонов. Сегодня в подобных установках применяются более точные радары, дающие больше информации о движении осколков протонов.

Несмотря на простой принцип синхрофазотрона, сама эта установка является высокотехнологичной, и ее создание возможно только при достаточном уровне технического и научного развития, которым, безусловно, обладал СССР. Если приводить аналогию, то обычный микроскоп является тем устройством, предназначение которого совпадает с назначением синхрофазотрона. Оба прибора позволяют исследовать микромир, только последний позволяет "копнуть глубже" и имеет несколько своеобразный метод исследования.

Подробно

Выше была описана работа прибора простыми словами. Разумеется, принцип действия синхрофазотрона является более сложным. Дело в том, что для разгона частиц до высоких скоростей необходимо обеспечить разность потенциалов в сотни миллиарды вольт. Это невозможно даже на нынешнем этапе развитии технологий, не говоря уже о предыдущем.

Поэтому было принято решение разгонять частицы постепенно и гонять их по кругу долго. На каждом кругу протоны подпитывались энергией. В результате прохождения миллионов оборотов удалось набрать требуемую скорость, после чего их направляли в мишень.

Именно такой принцип применялся в синхрофазотроне. Сначала по тоннелю частицы двигались с небольшой скоростью. На каждом круге они попадали на так называемые промежутки ускорения, где получали дополнительный заряд энергии и набирали скорость. Эти участки ускорения являются конденсаторами, частота переменного напряжения которых равна частоте прохождения протонов по кольцу. То есть частицы попадали на участок ускорения при отрицательном заряде, в этот момент напряжение резко возрастало, что придавало им скорости. Если же частицы попадали на участок ускорения при положительном заряде, то их движение притормаживалось. И это - положительная особенность, так как из-за нее весь пучок протонов двигался с одной скоростью.

И так повторялось миллионы раз, и когда частицы приобретали требуемую скорость, их направляли в специальную мишень, о которую те разбивались. После группа ученых изучала результаты столкновения частиц. Вот по такой схеме синхрофазотрон и работал.

Роль магнитов

Известно, что в этой огромной машине по ускорению частиц применялись также мощные электромагниты. Люди ошибочно полагают, что они использовались для разгона протонов, но это не так. Разгонялись частицы с помощью специальных конденсаторов (участков ускорения), а магниты лишь удерживали протоны в строго заданной траектории. Без них последовательное движение пучка элементарных частиц было бы невозможно. А высокая мощность электромагнитов объясняется большой массой протонов при высокой скорости движения.

С какими проблемами столкнулись ученые?

Одна из главных проблем при создании этой установки заключалась именно в разгоне частиц. Конечно, им можно было придавать ускорение на каждом круге, однако при ускорении их масса становилась выше. При скорости движения, близкой к скорости света (как известно, ничто не может двигаться быстрее скорости света), их масса становилась огромной, из-за чего удерживать их на круговой орбите было сложно. Из школьной программы нам известно, что радиус движения элементов в магнитом поле обратно пропорционален их массе, поэтому с ростом массы протонов приходилось увеличивать радиус и использовать большие сильные магниты. Подобные законы физики сильно ограничивают возможности для исследования. Кстати, ими же можно объяснить, почему синхрофазотрон получился таким огромным. Чем большим будет тоннель, тем большие магниты можно установить для создания сильного магнитного поля для удержания нужного направления движения протонов.

Вторая проблема - потеря энергии при движении. Частицы при прохождении по окружности излучают энергию (теряют ее). Следовательно, при движении на скорости часть энергии улетучивается, и, чем выше скорость движения, тем выше и потери. Рано или поздно наступает момент, когда величины излучаемой и получаемой энергии сравниваются, что делает невозможным дальнейший разгон частиц. Следовательно, возникают потребности в больших мощностях.

Можно сказать, что мы теперь более точно понимаем, что это - синхрофазотрон. Но чего именно добились ученые в ходе испытаний?

Какие исследования проводились?

Естественно, работа этой установки не прошла бесследно. И хотя от нее ожидали получить более серьезные результаты, некоторые исследования оказались крайне полезными. В частности, ученые изучили свойства ускоренных дейтронов, взаимодействий тяжелых ионов с мишенями, разработали более эффективную технологию для утилизации отработанного урана-238. И хотя для обычного человека все эти результаты мало о чем говорят, в научной сфере их значимость сложно переоценить.

Применение результатов

Результаты проводимых на синхрофазотроне испытаний применяются даже сегодня. В частности, они используются при строительства электростанций, работающих на применяются при создании космических ракет, робототехники и сложного оборудования. Безусловно, вклад в науку и технический прогресс этого проекта достаточно большой. Некоторые результаты применяются и в военной сфере. И хотя ученым не удалось открыть новые элементы, которые можно было бы использовать для создания новых атомным бомб, на самом деле никто не знает, правда это или нет. Вполне возможно, что от населения скрывают некоторые результаты, ведь стоит учитывать, что данный проект был реализован под грифом "Совершенно секретно".

Заключение

Теперь вы понимаете, что это - синхрофазотрон, и какова его роль в научно-техническом прогрессе СССР. Даже сегодня подобные установки активно используются во многих странах, вот только есть уже более усовершенствованные варианты - нуклотроны. Большой адронный коллайдер является, пожалуй, самой лучшей на сегодняшний день реализацией идеи синхрофазотрона. Применение этой установки позволяет ученым точнее познавать микромир за счет сталкивания двух пучков протонов, движущихся на огромных скоростях.

Что касается нынешнего состояния советского синхрофазотрона, то он был переделан в ускоритель электронов. Сейчас работает в ФИАНе.