УСКОРИТЕЛЬЧАСТИЦ, установка, в которой спомощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучкиэлектронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительнопревышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц,причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее времямногочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия),а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках).Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях – дляисследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц.
Согласно квантовоймеханике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определеннойдлиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чемменьше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тембольше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромиратребовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излученийвысокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователямлишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученыеначали работать над созданием установок, которыемогли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуютускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если,например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорениюподвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозногоили синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящеймишени интенсивным пучком протонов или дейтронов.
Энергия ядерныхчастиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт – это энергия, которуюприобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (зарядэлектрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками сразностью потенциалов в 1 В. (1 эВ »1,60219×10–19 Дж.) Ускорители позволяютполучать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (1012) электронвольт – накрупнейшем в мире ускорителе.
Для обнаружения в экспериментередких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этоготребуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современнойтехники ускорителей определяется двумя основными параметрами – энергией иинтенсивностью пучка частиц.
В современныхускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники:высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системыавтоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления,сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как «обычные»,так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления.
ВИДЫУСКОРИТЕЛЕЙ
ЛИНЕЙНЫЕУСКОРИТЕЛИ
Возможностьприменения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадныхускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, нои в пространстве. В любой момент времени напряженность поля изменяетсясинусоидально в зависимости от положения в пространстве, т.е. распределениеполя в пространстве имеет форму волны. А в любой точке пространства онаизменяется синусоидально во времени. Поэтому максимумы поля перемещаются впространстве с так называемой фазовой скоростью. Следовательно, частицы могутдвигаться так, чтобы локальное поле все время их ускоряло.
Влинейных ускорительных системахвысокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженерР.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанныхвысокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазоваяскорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения вускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобноскольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов впроцессе ускорения могут сильно увеличиваться. Соответственно этому должнаувеличиваться и фазовая скорость волны vфаз. Если электроны могутинжектироваться в ускоритель со скоростью, близкой к скорости света с,то в таком режиме фазовая скорость практически постоянна: vфаз = c.
Другой подход, позволяющийисключить влияние замедляющей фазы высокочастотного электрического поля,основан на использовании металлической конструкции, экранирующей пучок от поляв этот полупериод. Впервые такой способ был применен Э.Лоуренсом в циклотроне;он используется также в линейном ускорителе Альвареса. Последний представляетсобой длинную вакуумную трубу, в которой расположен целый ряд металлическихдрейфовых трубок. Каждая трубка последовательно соединена с высокочастотнымгенератором через длинную линию, вдоль которой со скоростью, близкой к скоростисвета, бежит волна ускоряющего напряжения.Таким образом, все трубки по очередиоказываются под высоким напряжением. Заряженная частица, вылетающая изинжектора в подходящий момент времени, ускоряется в направлении первой трубки,приобретая определенную энергию. Внутри этой трубки частица дрейфует – движетсяс постоянной скоростью. Если длина трубки правильно подобрана, то она выйдет изнее в тот момент, когда ускоряющее напряжение продвинулось на одну длину волны.При этом напряжение на второй трубке тоже будет ускоряющим и составляет сотнитысяч вольт. Такой процесс многократно повторяется, и на каждом этапе частицаполучает дополнительную энергию. Чтобы движение частиц было синхронно сизменением поля, соответственно увеличению их скорости должна увеличиватьсядлина трубок. В конце концов скорость частицы достигнет скорости, очень близкойк скорости света, и предельная длина трубок будет постоянной.
Пространственныеизменения поля налагают ограничение на временную структуру пучка. Ускоряющееполе изменяется в пределах сгустка частиц любой конечной протяженности.Следовательно, протяженность сгустка частиц должна быть мала по сравнению сдлиной волны ускоряющего высокочастотного поля. Иначе частицы будут по-разномуускоряться в пределах сгустка. Слишком большой разброс энергии в пучке нетолько увеличивает трудности фокусировки пучка из-за наличия хроматическойаберрации у магнитных линз, но и ограничивает возможности применения пучка вконкретных задачах. Разброс энергий может также приводить к размытию сгусткачастиц пучка в аксиальном направлении.
Рассмотрим сгустокнерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью v0. Продольные электрическиесилы, обусловленные пространственным зарядом, ускоряют головную часть пучка изамедляют хвостовую. Синхронизируя соответствующим образом движение сгустка свысокочастотным полем, можно добиться большего ускорения хвостовой частисгустка, чем головной. Таким согласованием фаз ускоряющего напряжения и пучкаможно осуществить фазировку пучка – скомпенсировать дефазирующее влияниепространственного заряда и разброса по энергии. В результате в некотороминтервале значений центральной фазы сгустка наблюдаются центрирование иосцилляции частиц относительно определенной фазы устойчивого движения. Этоявление, называемое автофазировкой, чрезвычайно важно для линейных ускорителейионов и современных циклических ускорителей электронов и ионов. К сожалению,автофазировка достигается ценой снижения коэффициента заполнения ускорителя дозначений, намного меньших единицы.
В процессе ускоренияпрактически у всех пучков обнаруживается тенденция к увеличению радиуса по двумпричинам: из-за взаимного электростатического отталкивания частиц и из-заразброса поперечных (тепловых) скоростей. Первая тенденция ослабевает сувеличением скорости пучка, поскольку магнитное поле, создаваемое током пучка,сжимает пучок и в случае релятивистских пучков почти компенсируетдефокусирующее влияние пространственного заряда в радиальном направлении.Поэтому данный эффект весьма важен в случае ускорителей ионов, но почтинесуществен для электронных ускорителей, в которых пучок инжектируется срелятивистскими скоростями. Второй эффект, связанный с эмиттансом пучка, важендля всех ускорителей.
Удержать частицывблизи оси можно с помощью квадрупольных магнитов. Правда, одиночныйквадрупольный магнит, фокусируя частицы в одной из плоскостей, в другой ихдефокусирует. Но здесь помогает принцип «сильной фокусировки», открытыйЭ.Курантом, С.Ливингстоном и Х.Снайдером: система двух квадрупольных магнитов,разделенных пролетным промежутком, с чередованием плоскостей фокусировки идефокусировки в конечном счете обеспечивает фокусировку во всех плоскостях.
Дрейфовые трубки всееще используются в протонных линейныхускорителях, где энергия пучка увеличивается от нескольких мегаэлектронвольтпримерно до 100 МэВ. В первых электронных линейных ускорителях типа ускорителяна 1 ГэВ, сооруженного в Стэнфордском университете (США), тоже использовалисьдрейфовые трубки постоянной длины, поскольку пучок инжектировался при энергиипорядка 1 МэВ. В более современных электронных линейных ускорителях, примеромсамых крупных из которых может служить ускоритель на 50 ГэВ длиной 3,2 км, сооруженный вСтэнфордском центре линейных ускорителей, используется принцип «серфингаэлектронов» на электромагнитной волне, что позволяет ускорять пучок сприращением энергии почти на 20 МэВ на одном метре ускоряющей системы. В этомускорителе высокочастотная мощность на частоте около 3 ГГц генерируется большимиэлектровакуумными приборами – клистронами.
Протонный линейныйускоритель на самую высокую энергию был построен в Лосаламосской национальнойлаборатории в шт. Нью-Мексико (США) в качестве «мезонной фабрики» для полученияинтенсивных пучков пионов и мюонов. Его медные резонаторы создают ускоряющееполе порядка 2 МэВ/м, благодаря чему он дает в импульсном пучке до 1 мАпротонов с энергией 800 МэВ.
Дляускорения не только протонов, но и тяжелых ионов были разработанысверхпроводящие высокочастотные системы. Самый большой сверхпроводящийпротонный линейный ускоритель служит инжектором ускорителя на встречных пучкахГЕРА в лаборатории Немецкого электронного синхротрона (ДЕЗИ) в Гамбурге (Германия).
ЦИКЛИЧЕСКИЕУСКОРИТЕЛИ
Протонныйциклотрон. Существует весьма элегантныйи экономичный способ ускорения пучка путем многократного сообщения емунебольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучокзаставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот жеускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 Э.Лоуренсом иС.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне. Как и в линейном ускорителе сдрейфовыми трубками, пучок экранируется от действия электрического поля в тотполупериод, когда оно действует замедляюще. Заряженная частица с массой m и зарядом q, движущаяся со скоростью vв магнитном поле H, направленномперпендикулярно ее скорости, описывает в этом поле окружность радиусом R= mv/qH.Поскольку ускорение приводит к увеличению скорости v, возрастает и радиус R. Таким образом, протоны итяжелые ионы движутся по раскручивающейся спирали все возрастающего радиуса.При каждом обороте по орбите пучок проходит через зазор между дуантами –высоковольтными полыми D-образнымиэлектродами, где на него действует высокочастотное электрическое поле. Лоуренссообразил, что время между прохождениями пучка через зазор в случаенерелятивистских частиц остается постоянным, поскольку возрастание их скоростикомпенсируется увеличением радиуса. На протяжении той части периода обращения,когда высокочастотное поле имеет неподходящую фазу, пучок находится вне зазора.Частота обращения дается выражением
где f – частота переменногонапряжения в МГц, Н – напряженность магнитного поля в Тл, а mc2 – масса частицы в МэВ. Есливеличина Hпостоянна в той области, где происходит ускорение, то частота f, очевидно, не зависит отрадиуса.
Для ускорения ионовдо высоких энергий необходимо лишь, чтобы магнитное поле и частотавысоковольтного напряжения отвечали условию резонанса; тогда частицы будутдважды за оборот проходить через зазор между дуантами в нужный момент времени.Для ускорения пучка до энергии 50 МэВ при ускоряющем напряжении 10 кэВпотребуется 2500 оборотов. Рабочая частота протонного циклотрона можетсоставлять 20 МГц, так что время ускорения – порядка 1 мс.
Как и в линейныхускорителях, частицы в процессе ускорения в циклотроне должны фокусироваться впоперечном направлении, иначе все они, кроме инжектированных со скоростями,параллельными полюсным наконечникам магнита, выпадут из цикла ускорения. Вциклотроне возможность ускорения частиц с конечным разбросом по угламобеспечивается приданием магнитному полю особой конфигурации, при которой начастицы, выходящие из плоскости орбиты, действуют силы, возвращающие их в этуплоскость.
К сожалению, потребованиям стабильности сгустка ускоряемых частиц фокусирующая компонентамагнитного поля должна уменьшаться с увеличением радиуса. А это противоречитусловию резонанса и приводит к эффектам, ограничивающим интенсивность пучка.Другой существенный фактор, снижающий возможности простого циклотрона, –релятивистский рост массы, как необходимое следствие увеличения энергии частиц:
В случае ускоренияпротонов синхронизм будет нарушаться из-за релятивистского прироста массыпримерно при 10 МэВ. Один из способов поддержания синхронизма – модулироватьчастоту ускоряющего напряжения так, чтобы она уменьшалась по мере увеличениярадиуса орбиты и увеличения скорости частиц. Частота должна изменяться позакону
Такойсинхроциклотрон может ускорять протоны до энергии в несколько сотмегаэлектровольт. Например, если напряженность магнитного поля равна 2 Тл, то частота должнауменьшаться примерно от32 МГц в момент инжекции до 19 МГц и менее при достижении частицами энергии 400МэВ. Такое изменение частоты ускоряющего напряжения должно происходить напротяжении нескольких миллисекунд. После того как частицы достигают высшейэнергии и выводятся из ускорителя, частота возвращается к своему исходномузначению и в ускоритель вводится новый сгусток частиц.
Но даже приоптимальной конструкции магнита и наилучших характеристиках системы подводавысокочастотной мощности возможности циклотронов ограничиваются практическимисоображениями: для удержания на орбите ускоряемых частиц с высокой энергиейнужны чрезвычайно большие магниты. Так,масса магнита циклотрона на 600 МэВ, сооруженного в лаборатории ТРИУМФ вКанаде, превышает 2000 т,и он потребляет электроэнергию порядка нескольких мегаватт. Стоимость жесооружения сихроциклотрона примерно порпорциональна кубу радиуса магнита.Поэтому для достижения более высоких энергий при практически приемлемыхзатратах требуются новые принципы ускорения.
Протонныйсинхротрон. Высокая стоимость циклическихускорителей связана с большим радиусом магнита.Но можно удерживатьчастицы на орбите с постоянным радиусом,увеличивая напряженность магнитного поля по мере увеличения их энергии.Линейный ускоритель инжектирует на эту орбиту пучок частиц сравнительнонебольшой энергии. Поскольку удерживающее поле необходимо лишь в узкой областивблизи орбиты пучка, нет необходимости в магнитах, охватывающих всю площадьорбиты. Магнитырасположены лишь вдоль кольцевой вакуумной камеры, что дает огромную экономиюсредств.
Такой подход былреализован в протонном синхротроне. Первым ускорителем подобного типа был«Космотрон» наэнергию 3 ГэВ, который начал работать в Брукхейвенской национальной лабораториив 1952 в США; за ним вскоре последовал «Беватрон» на энергию 6 ГэВ,построенный в Лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли (США). Сооруженный специально дляобнаружения антипротона, он работал на протяжении 39 лет, продемонстрировавдолговечность и надежность ускорителей частиц.
Рис. 4. КОСМОТРОН В БРУКХЕЙВЕНЕ. Ускорялпротоны до энергии 3 ГэВ. Внизу– поперечное сечение ускоряющей системы. 1– 90°-й магнит; 2 – мишень; 3 – прямолинейный участок; 4 – равновесная орбита; 5 – инжектор; 6 – ускоряющая система; 7– ферритовый сердечник; 8 –пучок частиц; 9 – ускоряющеенапряжение.
В синхротронахпервого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР, фокусировка была слабой. Поэтому была великаамплитуда радиальных колебаний частиц в процессе их ускорения. Ширина вакуумныхкамер составляла примерно 30 см, и в этом все-таки большом объеме требовалось тщательноконтролировать конфигурацию магнитного поля.
В 1952 было сделанооткрытие, позволившее резко уменьшить колебания пучка, а следовательно, и размеры вакуумной камеры.Это был принцип сильной,или жесткой,фокусировки. В современных протонных синхротронах со сверхпроводящимиквадрупольными магнитами, расположеннымипо схеме сильной фокусировки, вакуумная камера может быть меньше 10 см в поперечнике, чтоприводит к значительному уменьшению размеров, стоимости и потребляемой мощностифокусирующих и отклоняющих магнитов.
Первым синхротроном,основанным на этом принципе, был «Синхротронс переменным градиентом» наэнергию 30 ГэВ в Брукхейвене. Аналогичная установка была построена влаборатории Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Всередине 1990-х годов оба ускорителя все еще находились в эксплуатации.Апертура «Синхротрона с переменным градиентом» была примерно в 25 раз меньше,чем у «Космотрона». Потребляемая магнитом мощность при энергии 30 ГэВ примерносоответствовала мощности, потребляемой магнитом «Космотрона» при 3 ГэВ.«Синхротрон с переменным градиентом» ускорял 6×1013протонов в импульсе, что соответствовало самой высокой интенсивности средиустановок этого класса. Фокусировка в этом ускорителе осуществлялась теми жемагнитами, что и отклоняли пучок; это достигалось приданием полюсам магнитаформы, показанной на рис. 5. В современных ускорителях для отклонения ифокусировки пучка, как правило, используются отдельные магниты.
В середине 1990-хгодов самым крупным протонным синхротроном являлся «Теватрон» Национальнойускорительной лаборатории им. Э.Ферми в Батавии (США). Как подсказывает самоназвание, «Теватрон» ускоряет сгустки протонов в кольце диаметром 2 км до энергии порядка 1 ТэВ.Ускорение протонов осуществляется целой системой ускорителей, начиная сгенератора Кокрофта – Уолтона в качестве инжектора, из которого отрицательныеионы водорода с энергией 750 кэВ вводятся в линейный ускоритель на энергию 400МэВ. Затем пучок линейного ускорителя пропускается через углеродную пленку дляобдирки электронов и инжектируется в промежуточный синхротрон – бустер –диаметром 150 м.В бустере протоны совершают примерно 20 000 оборотов и приобретают энергию 8ГэВ. Обычно бустер выполняет 12 быстро следующих друг за другом рабочих циклов,в результате которых в «Главное кольцо» – еще один протонный синхротрон спротяженностью кольца 6,3 км– инжектируется 12 сгустков протонов. «Главное кольцо», в котором протоныускоряются до энергии 150 ГэВ, состоит из 1000 обычных магнитов с меднымиобмотками, отклоняющих и фокусирующих протоны. Непосредственно под «Главнымкольцом» расположен состоящий из 1000 сверхпроводящих магнитов оконечныйсинхротрон «Теватрон». Пучок может выводиться по многим каналам на расстояние1,5–3 км для проведения исследований во внешних экспериментальных залах.
Для удержания наорбите пучков с более высокими энергиями требуются более сильные отклоняющие ифокусирующие магниты. Предназначенные для субъядерной «микроскопии» протонные синхротронына энергии больше 1 ТэВ требуют тысяч сверхпроводящих и фокусирующих магнитовдлиной 5–15 м с апертурой шириной в несколько сантиметров, обеспечивающихисключительно высокую точность полей и стабильность их во времени. Основнымифакторами, сдерживающими создание протонных синхротронов на более высокиеэнергии, являются большая стоимость и сложность управления, связанные с ихогромными размерами.
УСКОРИТЕЛИСО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ
Циклическиеколлайдеры. Далеко не вся энергияускоренной частицы идетна осуществление нужной реакции. Значительная ее часть бесполезно теряется ввиде отдачи, претерпеваемой частицей мишени в силу закона сохранения импульса.Если налетающая частица имеет энергию Е, а масса частицы покоящейсямишени равна М, то полезная энергия составляет
Таким образом, вэкспериментах с покоящейся мишенью на «Теватроне»полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ.
Стремлениеиспользовать в исследованиях частиц как можно более высокие энергии привело ксозданию в ЦЕРНе и Лаборатории им. Э.Ферми протон-антипротонных коллайдеров, атакже большого числа установок в разных странах со встречнымиэлектрон-позитронными пучками. В первом протонном коллайдере соударенияпротонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ происходили в кольце с длиной окружности1,6 км. За несколько дней удавалось накопить пучки с током до 50 А.
В настоящее времяколлайдером с самой высокой энергией является «Теватрон», на котором проводятсяэксперименты при соударении пучка протонов, имеющих энергию 1 ТэВ, со встречнымпучком антипротонов той же энергии. Для таких экспериментов необходимыантипротоны, которые можно получить, бомбардируя пучком протонов высокойэнергии из «Главного кольца» металлическую мишень. Рождающиеся в этихсоударениях антипротоны накапливают в отдельном кольце при энергии 8 ГэВ. Когданакоплено достаточно много антипротонов, их инжектируют в «Главное кольцо»,ускоряют до 150 ГэВ и далее инжектируют в «Теватрон». Здесь протоны иантипротоны одновременно ускоряют до полной энергии, а затем осуществляют ихсоударения. Суммарный импульс сталкивающихся частиц равен нулю, так что всяэнергия 2Е оказывается полезной. В случае «Теватрона» она достигаетпочти 2 ТэВ.
Наибольшая энергиясреди электрон-позитронных коллайдеров была достигнута на «Большом электрон-позитронномнакопительном кольце» в ЦЕРНе, где энергия сталкивающихся пучков на первомэтапе составляла 50 ГэВ на пучок, а затем была увеличена до 100 ГэВ на пучок. ВДЕЗИ сооружен коллайдер ГЕРА, в котором происходят соударения электронов спротонами.
Этот огромныйвыигрыш в энергии достигается ценой значительного уменьшения вероятностистолкновений между частицами встречных пучков низкой плотности. Частотастолкновений определяется светимостью, т.е. числом столкновений в секунду,сопровождающихся реакцией данного типа, имеющей определенное сечение.Светимость линейно зависит от энергии и тока пучка и обратно пропорциональнаего радиусу. Энергию пучка коллайдера выбирают в соответствии с энергетическиммасштабом исследуемых физических процессов.
Для обеспечениянаибольшей светимости необходимо добиться максимально возможной плотностипучков в месте их встречи. Поэтому главной технической задачей припроектировании коллайдеров является фокусировка пучков в месте их встречи впятно очень малых размеров и увеличение тока пучка. Для достижения нужнойсветимости могут потребоваться токи более 1 А.
Еще однаисключительно сложная техническая проблема связана с необходимостьюобеспечивать в камере коллайдера сверхвысокий вакуум. Поскольку столкновениямежду частицами пучков происходят сравнительно редко, соударения с молекуламиостаточного газа могут существенно ослаблять пучки, уменьшая вероятностьизучаемых взаимодействий. Кроме того, рассеяние пучков на остаточном газе даетнежелательный фон в детекторе, способный замаскировать изучаемый физическийпроцесс. Вакуум в камере коллайдера должен лежать в пределах 10–9–10–7 Па (10–11–10–9 мм рт. ст.) в зависимости отсветимости.
При более низкихэнергиях можно ускорять более интенсивные пучки электронов, что дает возможностьисследовать редкие распады В- и К-мезонов, обусловленныеэлектрослабыми взаимодействиями. Ряд таких установок, иногда называемых«фабриками ароматов», сооружается в настоящее время в США, Японии и Италии.Такие установки имеют два накопительных кольца – для электронов и дляпозитронов, пересекающихся в одной или двух точках, – областях взаимодействия.В каждом кольце содержится много сгустков частиц при полном токе более 1 А.Энергии пучков выбираются с таким расчетом, чтобы полезная энергия соответствоваларезонансу, который распадается на изучаемые короткоживущие частицы – В-или К-мезоны. В основе конструкции этих установок лежат электронныйсинхротрон и накопительные кольца.
Линейныеколлайдеры. Энергии циклическихэлектрон-позитронных коллайдеров ограничиваются интенсивным синхротроннымизлучением, которое испускают пучки ускоренных частиц (см. ниже). Этогонедостатка нет у линейных коллайдеров, в которых синхротронное излучение несказывается на процессе ускорения. Линейный коллайдер состоит их двух линейныхускорителей на высокие энергии, высокоинтенсивные пучки которых – электронный ипозитронный – направлены навстречу друг другу. Пучки встречаются и соударяютсятолько один раз, после чего отводятся в поглотители.
Первым линейнымколлайдером является «Стэнфордский линейный коллайдер», использующийСтэнфордский линейный ускоритель длиной 3,2 км и работающий при энергии 50 ГэВ. Всистеме этого коллайдера сгустки электронов и позитронов ускоряются в одном итом же линейном ускорителе и разделяются по достижении пучками полной энергии.Затем электронные и позитронные сгустки транспортируются по отдельным дугам,форма которых напоминает трубки медицинского стетоскопа, и фокусируются додиаметра около 2 мкм в области взаимодействия.
Новыетехнологии. Поиски более экономичныхметодов ускорения привели к созданию новых ускорительных систем ивысокочастотных генераторов большой мощности, работающих в диапазоне частот от10 до 35 ГГц. Светимость электрон-позитронных коллайдеров должна бытьисключительно высокой, поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергиичастиц. Соответственно этому и плотности пучков должны быть чрезвычайновысокими. В линейном коллайдере на энергию порядка 1 ТэВ размеры пучков могутдостигать 10 нм, что намного меньше размеров пучка в «Стэнфордском линейномколлайдере» (2 мкм). При столь малых размерах пучков для точного согласованияфокусирующих элементов необходимы очень мощные стабильные магниты со сложнымиэлектронными автоматическими регуляторами. При прохождении электронного ипозитронного пучков друг через друга их электрическое взаимодействиенейтрализуется, а магнитное усиливается. В результате магнитные поля могутдостигать 10 000 Тл. Такие гигантские поля способны сильно деформировать пучкии приводить к большому энергетическому разбросу вследствие генерациисинхротронного излучения. Эти эффекты наряду с экономическими соображениями,связанными с сооружением все более и более протяженных машин, будут ставитьпредел энергии, достижимой на электронно-позитронных коллайдерах.
ЭЛЕКТРОННЫЕНАКОПИТЕЛИ
Электронныесинхротроны основаны на тех же принципах, что и протонные. Однако благодаряодной важной особенности они проще в техническом отношении. Малость массыэлектрона позволяет инжектировать пучок при скоростях, близких к скоростисвета. Поэтому дальнейшее увеличение энергии не связано с заметным увеличениемскорости, и электронные синхротроны могут работать при фиксированной частотеускоряющего напряжения, если пучок инжектируется с энергией около 10 МэВ.
Однако этопреимущество сводится на нет другим следствием малости электронной массы.Поскольку электрон движется по круговой орбите, он движется с ускорением(центростремительным), а потому испускает фотоны – излучение, котороеназывается синхротронным. Мощность Р синхротронного излученияпропорциональна четвертой степени энергии пучка Е и току I, а также обратнопропорциональна радиусу кольца R,так что она пропорциональна величине (E/m)4IR–1. Эта энергия, теряемая прикаждом обороте электронного пучка по орбите, должна компенсироватьсявысокочастотным напряжением, подаваемым на ускоряющие промежутки. Врассчитанных на большие интенсивности «фабриках аромата» такие потери мощностимогут достигать десятков мегаватт.
Циклическиеускорители типа электронных синхротронов могут использоваться и как накопителибольших циркулирующих токов с постоянной высокой энергией. Такие накопителиимеют два основных применения: 1) в исследованиях ядра и элементарных частицметодом встречных пучков, о чем говорилось выше, и 2) как источникисинхротронного излучения, используемые в атомной физике, материаловедении,химии, биологии и медицине.
Средняя энергияфотонов синхротронного излучения пропорциональна (E/m)3R–1. Таким образом, электроны сэнергией порядка 1 ГэВ, циркулирующие в накопителе, испускают интенсивноесинхротронное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Большаячасть фотонов испускается в пределах узкого вертикального угла порядка m/E. Поскольку радиусэлектронных пучков в современных накопителях на энергию порядка 1 ГэВизмеряется десятками микрометров, пучки испускаемого ими рентгеновскогоизлучения характеризуются высокой яркостью, а потому могут служить мощнымсредством исследования структуры вещества. Излучение испускается по касательнойк криволинейной траектории электронов. Следовательно, каждый отклоняющий магнитэлектронного накопительного кольца, когда через него проходит сгустокэлектронов, создает разворачивающийся «прожекторный луч» излучения. Оновыводится по длинным вакуумным каналам, касательным к основной вакуумной камеренакопителя. Расположенные вдоль этих каналов щели и коллиматоры формируют узкиепучки, из которых далее с помощью монохроматоров выделяется нужный диапазонэнергий рентгеновского излучения.
Первыми источникамисинхротронного излучения были установки, первоначально сооруженные для решениязадач физики высоких энергий. Примером может служить Стэнфордскийпозитрон-электронный накопитель на энергию 3 ГэВ в Стэнфордской лабораториисинхротронного излучения. На этой установке в свое время были открыты«очарованные» мезоны.
Первые источникисинхротронного излучения не обладали той гибкостью, которая позволяла бы имудовлетворять разнообразным нуждам сотен пользователей. Быстрый ростпотребности в синхротронном излучении с высоким потоком и большойинтенсивностью пучка вызвал к жизни источники второго поколения,спроектированные с учетом потребностей всех возможных пользователей. Вчастности, были выбраны системы магнитов, уменьшающие эмиттанс электронногопучка. Малый эмиттанс означает меньшие размеры пучка и, следовательно, болеевысокую яркость источника излучения. Типичными представителями этого поколенияявились накопители в Брукхейвене, служившие источниками рентгеновскогоизлучения и излучения вакуумной ультрафиолетовой области спектра.
Яркость излученияможно также увеличить, заставив пучок двигаться по синусоидальной траектории впериодической магнитной структуре и затем объединяя излучение, возникающее прикаждом изгибе. Ондуляторы – магнитные структуры, обеспечивающие подобноедвижение, представляют собой ряд магнитных диполей, отклоняющих пучок нанебольшой угол, расположенных по прямой на оси пучка. Яркость излучения такогоондулятора может в сотни раз превышать яркость излучения, возникающего вотклоняющих магнитах.
В середине 1980-хгодов начали создаваться источники синхротронного излучения третьего поколенияс большим числом таких ондуляторов. Среди первых источников третьего поколенияможно отметить «Усовершенствованный источник света» с энергией 1,5 ГэВ вБеркли, генерирующий мягкое рентгеновское излучение, а также«Усовершенствованный источник фотонов» с энергией 6 ГэВ в Аргоннскойнациональной лаборатории (США) и синхротрон на энергию 6 ГэВ в Европейскомцентре синхротронного излучения в Гренобле (Франция), которые используются какисточники жесткого рентг