Използва се синхрофазотрон. Синхрофазотрон: какво е това, принцип на действие и описание

Целият свят знае, че през 1957 г. СССР изстреля първия в света изкуствен спътник на Земята. Малко хора обаче знаят, че през същата година Съветският съюз започва да изпробва синхрофазотрона, който е родоначалник на съвременния Голям адронен колайдер в Женева. Статията ще обсъди какво е синхрофазотрон и как работи.

Отговаряйки на въпроса какво е синхрофазотрон, трябва да се каже, че това е високотехнологично и наукоемко устройство, което е предназначено за изследване на микрокосмоса. По-специално, идеята на синхрофазотрона беше следната: с помощта на мощни магнитни полета, създадени от електромагнити, беше необходимо да се ускори лъч от елементарни частици (протони) до високи скорости и след това да се насочи този лъч към цел в покой. От такъв сблъсък протоните ще трябва да се "разбият" на парчета. Недалеч от целта се намира специален детектор - камера за мехурчета. Този детектор прави възможно проследяването на следите, оставени от протонните части, за да се изследва тяхната природа и свойства.

Защо беше необходимо изграждането на синхрофазотрона на СССР? В този научен експеримент, който беше класифициран като „строго секретно“, съветските учени се опитваха да намерят нов източник на по-евтина и по-ефективна енергия от обогатения уран. Преследваха се и чисто научните цели за по-задълбочено изследване на природата на ядрените взаимодействия и света на субатомните частици.

Принципът на действие на синхрофазотрона

Горното описание на задачите, пред които е изправен синхрофазотронът, може да изглежда на мнозина не твърде трудно за тяхното изпълнение на практика, но това не е така. Въпреки простотата на въпроса какво е синхрофазотрон, за да се ускорят протоните до необходимите огромни скорости, са необходими електрически напрежения от стотици милиарди волта. Подобно напрежение не може да се създаде дори в момента. Затова беше решено енергията, изпомпана в протоните, да се разпредели във времето.

Принципът на работа на синхрофазотрона беше следният: протонен лъч започва своето движение по пръстеновиден тунел, на някое място от този тунел има кондензатори, които създават скок на мощността в момента, когато протонният лъч лети през тях. По този начин при всеки завой има малко ускорение на протоните. След като лъчът на частиците направи няколко милиона оборота през тунела на синхрофазотрона, протоните ще достигнат желаните скорости и ще бъдат насочени към целта.

Трябва да се отбележи, че електромагнитите, използвани по време на ускорението на протоните, играят водеща роля, тоест те определят траекторията на лъча, но не участват в неговото ускорение.

Проблеми, с които се сблъскват учените при провеждане на експерименти

За да се разбере по-добре какво е синхрофазотрон и защо неговото създаване е много сложен и наукоемък процес, трябва да се разгледат проблемите, които възникват по време на неговата работа.

Първо, колкото по-голяма е скоростта на протонния лъч, толкова по-голяма маса започват да имат според известния закон на Айнщайн. При скорости, близки до светлината, масата на частиците става толкова голяма, че за да ги задържи на желаната траектория, е необходимо да има мощни електромагнити. Колкото по-голям е размерът на синхрофазотрона, толкова по-големи магнити могат да се поставят.

Второ, създаването на синхрофазотрона се усложнява и от загубите на енергия на протонния лъч по време на кръговото им ускорение и колкото по-голяма е скоростта на лъча, толкова по-значими стават тези загуби. Оказва се, че за да се ускори лъчът до необходимите гигантски скорости, е необходимо да има огромни мощности.

Какви резултати са получени?

Несъмнено експериментите на съветския синхрофазотрон имат огромен принос за развитието на съвременните области на технологиите. И така, благодарение на тези експерименти, съветските учени успяха да подобрят процеса на обработка на използвания уран-238 и получиха някои интересни данни чрез сблъсък на ускорени йони на различни атоми с мишена.

Резултатите от експериментите на синхрофазотрона се използват и до днес при изграждането на атомни електроцентрали, космически ракети и роботика. Постиженията на съветската научна мисъл са използвани при конструирането на най-мощния синхрофазотрон на нашето време, който е Големият адронен колайдер. Самият съветски ускорител служи на науката на Руската федерация, като се намира в института FIAN (Москва), където се използва като йонен ускорител.

Какво е синхрофазотрон: принципът на действие и получените резултати - всичко за пътуването до обекта

+ фаза + електрон) е резонансен цикличен ускорител с дължина на равновесната орбита непроменена по време на ускорение. За да останат частиците в една и съща орбита по време на ускорение, се променят както водещото магнитно поле, така и честотата на ускоряващото се електрическо поле. Последното е необходимо, за да може лъчът да пристигне в ускоряващата секция винаги във фаза с високочестотното електрическо поле. В случай, че частиците са ултрарелативистични, честотата на въртене при фиксирана дължина на орбитата не се променя с увеличаване на енергията, а честотата на RF генератора също трябва да остане постоянна. Такъв ускорител вече се нарича синхротрон.

В културата

Именно това устройство първокласникът „работи на работа“ в известната песен на Алла Пугачева „Песента на първокласника“. Синхрофазотрон се споменава и в комедията на Гайдай "Операция Y и други приключения на Шурик". Това устройство е показано и като пример за прилагането на теорията на относителността на Айнщайн в образователния късометражен филм "Каква е теорията на относителността?". В хумористичните предавания с нисък интелект, за широката публика, той често действа като „неразбираемо“ научно устройство или пример за високи технологии.

Отне на британските парламентаристи само 15 минути, за да вземат решение за публична инвестиция от £1 милиард в изграждането на синхрофазотрона. След това - един час енергично обсъждаха цената на кафето, нито повече, нито по-малко, в парламентарния бюфет. И все пак решихме: намалихме цената с 15%.

Изглежда, че задачите изобщо не са сравними по сложност и според логиката на нещата всичко трябваше да се случи точно обратното. Един час за наука, 15 минути за кафе. Но не! Както се оказа по-късно, повечето от почтените политици своевременно дадоха най-съкровеното си „за“, нямайки абсолютно никаква представа какво е „синхрофазотрон“.

Нека, скъпи читателю, заедно с теб да запълним тази празнина от знания и да не се уподобяваме на научното късогледство на някои другари.

Какво е синхрофазотрон?

Синхрофазотрон - електронна инсталация за научни изследвания - цикличен ускорител на елементарни частици (неутрони, протони, електрони и др.). Той има формата на огромен пръстен, тежащ повече от 36 хиляди тона. Неговите супермощни магнити и ускоряващи тръби насищат микроскопичните частици с колосална насочена енергия. В дълбините на фазотронния резонатор, на дълбочина 14,5 метра, се случват наистина фантастични трансформации на физическо ниво: например, малък протон получава 20 милиона електрон волта, а тежък йон - 5 милиона eV. И това е само малка част от всички възможности!

А именно, благодарение на уникалните свойства на цикличния ускорител, учените успяха да научат най-тайните тайни на Вселената: да изучат структурата на пренебрежимо малките частици и физикохимичните процеси, протичащи вътре в техните черупки; наблюдавайте реакцията на синтез със собствените си очи; откриват природата на неизвестни досега микроскопични обекти.

Фазотрон отбеляза нова ера на научни изследвания - територия на изследвания, където микроскопът беше безсилен, за което дори новаторите в научната фантастика говореха с голяма предпазливост (далновидно им творчески полет не можеше да предвиди направените открития!).

История на синхрофазотрона

Първоначално ускорителите бяха линейни, тоест нямаха циклична структура. Но скоро физиците трябваше да ги изоставят. Изискванията за енергийни стойности се увеличиха - беше необходимо повече. Но линейната конструкция не може да се справи: теоретичните изчисления показаха, че за тези стойности тя трябва да бъде с невероятна дължина.

• През 1929г Американецът Е. Лорънс прави опити да реши този проблем и изобретява циклотрона, прототипа на съвременния фазотрон. Тестовете вървят добре. Десет години по-късно, през 1939 г. Лорънс е удостоен с Нобелова награда.
• През 1938г в СССР талантливият физик V.I. Veksler започна активно да се занимава с въпроса за създаване и подобряване на ускорители. През февруари 1944г хрумва му революционна идея как да преодолее енергийната бариера. Векслер нарича своя метод "автофазиране". Точно една година по-късно Е. Макмилан, учен от САЩ, напълно независимо открива същата технология.
• През 1949 г. в Съветския съюз под ръководството на V.I. Векслер и С.И. Вавилов се разгръща мащабен научен проект – създаването на синхрофазотрон с капацитет 10 милиарда електронволта. В продължение на 8 години, на базата на Института за ядрени изследвания в град Дубно в Украйна, група физици-теоретици, конструктори и инженери усърдно работи по инсталацията. Затова се нарича още Дубнински синхрофазотрон.

Синхрофазотронът е пуснат в експлоатация през март 1957 г., шест месеца преди полета в космоса на първия изкуствен спътник на Земята.

Какви изследвания се извършват на синхрофазотрона?

Резонансният цикличен ускорител на Уекслер роди цяла плеяда от изключителни открития в много аспекти на фундаменталната физика и по-специално в някои противоречиви и малко проучени проблеми на теорията на относителността на Айнщайн:

• поведението на кварковата структура на ядрата в процеса на взаимодействие;
• образуването на кумулативни частици в резултат на реакции с участието на ядра;
• изследване на свойствата на ускорените дейтрони;
• взаимодействие на тежки йони с мишени (проверка на съпротивлението на микросхемите);
• обезвреждане на уран-238.

Получените резултати в тези области се прилагат успешно при конструирането на космически кораби, проектирането на атомни електроцентрали, разработването на роботика и оборудване за работа в екстремни условия. Но най-удивителното е, че поредица от изследвания, проведени на синхрофазотрона, приближава учените все по-близо до разкриването на голямата мистерия за произхода на Вселената.

Ето я фино познатата дума "синхрофазотрон"! Напомни ми как попадна в ушите на обикновен лаик в Съветския съюз? Имаше някакъв филм или популярна песен, нещо, помня точно! Или беше просто аналог на непроизносима дума?

И сега нека все пак си спомним какво е това и как е създадено ...

През 1957 г. Съветският съюз направи революционен научен пробив в две посоки едновременно: през октомври беше изстрелян първият изкуствен спътник на Земята, а няколко месеца по-рано, през март, започна легендарният синхрофазотрон, гигантска инсталация за изучаване на микросвета. действащи в Дубна. Тези две събития шокираха целия свят, а думите "сателит" и "синхрофазотрон" здраво влязоха в живота ни.

Синхрофазотронът е един от видовете ускорители на заредени частици. Частиците в тях се ускоряват до високи скорости и следователно до високи енергии. В резултат на сблъсъците им с други атомни частици се съди за структурата и свойствата на материята. Вероятността от сблъсъци се определя от интензитета на ускорения лъч от частици, тоест от броя на частиците в него, така че интензитетът, заедно с енергията, е важен параметър на ускорителя.

Ускорителите достигат огромни размери и не случайно писателят Владимир Карцев ги нарече пирамиди на ядрената епоха, по които потомците ще съдят за нивото на нашата технология.

Преди изграждането на ускорители, космическите лъчи са били единственият източник на високоенергийни частици. По принцип това са протони с енергия от порядъка на няколко GeV, свободно идващи от космоса, и вторични частици, които възникват, когато взаимодействат с атмосферата. Но потокът от космически лъчи е хаотичен и има нисък интензитет, следователно с течение на времето започват да се създават специални съоръжения за лабораторни изследвания - ускорители с контролирани лъчи на частици с висока енергия и по-голяма интензивност.

Работата на всички ускорители се основава на добре известен факт: заредена частица се ускорява от електрическо поле. Въпреки това е невъзможно да се получат частици с много висока енергия, като се ускорят само веднъж между два електрода, тъй като това би изисквало прилагане на огромно напрежение към тях, което е технически невъзможно. Следователно, високоенергийни частици се получават чрез многократното им преминаване между електродите.

Ускорителите, при които една частица преминава през последователни ускоряващи пролуки, се наричат ​​линейни. С тях започва развитието на ускорителите, но изискването за увеличаване на енергията на частиците доведе до почти нереално големи дължини на инсталациите.

През 1929 г. американският учен Е. Лорънс предлага дизайна на ускорител, в който частицата се движи по спирала, многократно преминавайки през една и съща междина между два електрода. Траекторията на частицата се огъва и усуква от еднородно магнитно поле, насочено перпендикулярно на равнината на орбитата. Ускорителят се наричаше циклотрон. През 1930-1931 г. Лорънс и неговите сътрудници построяват първия циклотрон в Калифорнийския университет (САЩ). За това изобретение той е удостоен с Нобелова награда през 1939 г.

В циклотрона голям електромагнит създава еднородно магнитно поле и електрическо поле възниква между два кухи D-образни електрода (оттук и името им - "dees"). Към електродите се прилага променливо напрежение, което обръща полярността всеки път, когато частицата направи половин оборот. Поради това електрическото поле винаги ускорява частиците. Тази идея не би могла да бъде реализирана, ако частиците с различни енергии имат различни периоди на въртене. Но, за щастие, въпреки че скоростта се увеличава с увеличаване на енергията, периодът на въртене остава постоянен, тъй като диаметърът на траекторията се увеличава в същото съотношение. Именно това свойство на циклотрона прави възможно използването на постоянна честота на електрическото поле за ускорение.

Скоро циклотрони започнаха да се създават в други изследователски лаборатории.

Синхрофазотронна сграда през 50-те години на миналия век

Необходимостта от създаване на сериозна база за ускорители в Съветския съюз беше обявена на правителствено ниво през март 1938 г. Група изследователи от Ленинградския физико-технически институт (LFTI), ръководена от акад. А.Ф. Йофе се обърна към председателя на Съвета на народните комисари на СССР В.М. Молотов с писмо с предложение за създаване на техническа база за изследвания в областта на структурата на атомното ядро. Въпросите за структурата на атомното ядро ​​се превърнаха в един от централните проблеми на естествената наука и Съветският съюз изоставаше много в тяхното решаване. Така че, ако в Америка имаше поне пет циклотрона, то в Съветския съюз нямаше нито един (единственият циклотрон на Радиевия институт на Академията на науките (RIAN), пуснат през 1937 г., практически не работи поради дефекти в дизайна). Обжалването до Молотов съдържаше искане да се създадат условия за завършване до 1 януари 1939 г. на строителството на циклотрона LPTI. Работата по създаването му, започнала през 1937 г., е спряна поради ведомствени несъответствия и прекратяване на финансирането.

Всъщност към момента на писане на писмото в правителствените кръгове на страната имаше явно неразбиране относно уместността на изследванията в областта на атомната физика. Според спомените на М.Г. Мешчеряков, през 1938 г. дори възниква въпросът за ликвидиране на Радиевия институт, който според някои се занимава с безполезни изследвания на урана и тория, докато страната се стреми да увеличи въгледобива и топенето на стомана.

Писмото до Молотов има ефект и още през юни 1938 г. комисия от Академията на науките на СССР, оглавявана от П.Л. Капица, по искане на правителството, даде заключение за необходимостта от изграждане на 10–20 MeV LPTI циклотрон, в зависимост от вида на ускорените частици, и подобряване на циклотрона RIAN.

През ноември 1938 г. S.I. Вавилов, в обръщението си към Президиума на Академията на науките, предлага да се построи циклотрон LFTI в Москва и да се прехвърли лабораторията на I.V. Курчатов, който участва в създаването му. Сергей Иванович искаше централната лаборатория за изследване на атомното ядро ​​да бъде разположена на същото място, където се намираше Академията на науките, тоест в Москва. Той обаче не беше подкрепен от LFTI. Споровете приключват в края на 1939 г., когато А.Ф. Йофе предложи да се създадат три циклотрона наведнъж. На 30 юли 1940 г. на заседание на Президиума на Академията на науките на СССР беше решено да се възложи на RIAN тази година да оборудва съществуващия циклотрон, FIAN да подготви необходимите материали за изграждането на нов мощен циклотрон до 15 октомври , и LFTI за завършване на строителството на циклотрона през първото тримесечие на 1941 г.

Във връзка с това решение във FIAN беше създадена така наречената циклотронна бригада, която включваше Владимир Йосифович Векслер, Сергей Николаевич Вернов, Павел Алексеевич Черенков, Леонид Василиевич Грошев и Евгений Львович Файнберг. На 26 септември 1940 г. бюрото на Катедрата по физико-математически науки (OPMS) чу информация от V.I. Векслер относно проектната задача за циклотрона, одобри основните му характеристики и разчет на конструкцията. Циклотронът е проектиран да ускорява деутроните до енергия от 50 MeV. FIAN планира да започне изграждането му през 1941 г. и да го пусне в експлоатация през 1943 г. Планираните планове бяха нарушени от войната.

Спешната необходимост от създаване на атомна бомба принуди Съветския съюз да мобилизира усилия в изучаването на микросвета. Два циклотрона са построени един след друг в лаборатория № 2 в Москва (1944, 1946); в Ленинград след вдигане на блокадата са възстановени циклотроните на РИАН и ЛФТИ (1946 г.).

Въпреки че проектът за циклотрон на Фиановски беше одобрен преди войната, стана ясно, че дизайнът на Лорънс се е изчерпал, тъй като енергията на ускорените протони не може да надвишава 20 MeV. Именно от тази енергия започва да се отразява ефектът от увеличаване на масата на частица със скорости, съизмерими със скоростта на светлината, което следва от теорията на относителността на Айнщайн.

Поради нарастването на масата се нарушава резонансът между преминаването на частицата през ускоряващата междина и съответната фаза на електрическото поле, което води до забавяне.

Трябва да се отбележи, че циклотронът е предназначен да ускорява само тежки частици (протони, йони). Това се дължи на факта, че поради твърде малката маса на покой електронът вече при енергии от 1–3 MeV достига скорост, близка до скоростта на светлината, в резултат на което масата му забележимо нараства и частицата бързо отива извън резонанс.

Първият цикличен електронен ускорител е бетатронът, построен от Керст през 1940 г. въз основа на идеята на Wideröe. Бетатронът се основава на закона на Фарадей, според който, когато магнитният поток, проникващ в затворена верига, се промени, в тази верига възниква електродвижеща сила. В бетатрон затворената верига е поток от частици, движещи се по пръстеновидна орбита във вакуумна камера с постоянен радиус в постепенно нарастващо магнитно поле. Когато магнитният поток вътре в орбитата се увеличава, възниква електродвижеща сила, чийто тангенциален компонент ускорява електроните. В бетатрона, подобно на циклотрона, има ограничение за производството на частици с много висока енергия. Това се дължи на факта, че според законите на електродинамиката електроните, движещи се по кръгови орбити, излъчват електромагнитни вълни, които отнасят много енергия при релативистични скорости. За да се компенсират тези загуби, е необходимо значително увеличаване на размера на магнитната сърцевина, което има практическа граница.

Така до началото на 40-те години на миналия век възможностите за получаване на по-високи енергии както за протоните, така и за електроните са изчерпани. За по-нататъшни изследвания на микрокосмоса беше необходимо да се увеличи енергията на ускорените частици, така че задачата за намиране на нови методи за ускорение стана остра.

През февруари 1944 г. V.I. Векслер изложи революционна идея как да се преодолее енергийната бариера на циклотрона и бетатрона. Беше толкова просто, че изглеждаше странно, че не беше обърнато към него по-рано. Идеята беше, че по време на резонансно ускорение, честотите на въртене на частиците и ускоряващото поле трябва постоянно да съвпадат, с други думи, да бъдат синхронни. При ускоряване на тежки релативистични частици в циклотрон за синхронизация беше предложено да се промени честотата на ускоряващото се електрическо поле според определен закон (по-късно такъв ускорител беше наречен синхроциклотрон).

За ускоряване на релативистките електрони е предложен ускорител, наречен по-късно синхротрон. При него ускорението се осъществява от променливо електрическо поле с постоянна честота, а синхронът се осигурява от магнитно поле, което се променя по определен закон, което задържа частиците в орбита с постоянен радиус.

За практически цели беше необходимо теоретично да се гарантира, че предложените процеси на ускорение са стабилни, тоест с незначителни отклонения от резонанса, фазирането на частиците ще се извършва автоматично. Физикът-теоретик от циклотронния екип Е.Л. Файнберг привлече вниманието на Векслер към това и самият той доказа стабилността на процесите по строг математически начин. Ето защо идеята на Уекслър беше наречена „принцип на автофазиране“.

За обсъждане на полученото решение ФИАН проведе семинар, на който Векслер направи встъпителен доклад, а Файнберг доклад за стабилността. Работата е одобрена и през същата 1944 г. списанието „Доклади на Академията на науките на СССР“ публикува две статии, в които се разглеждат нови методи за ускорение (първата статия се занимава с ускорител, базиран на множество честоти, по-късно наречен микротрон). Като техен автор е посочен само Векслер, а името на Файнберг изобщо не се споменава. Много скоро ролята на Файнберг в откриването на принципа на автофазирането е незаслужено предадена на пълна забрава.

Година по-късно принципът на автофазиране е независимо открит от американския физик Е. Макмилън, но Уекслър запазва приоритет.

Трябва да се отбележи, че в ускорителите, базирани на новия принцип, "правилото на лоста" се проявява в изрична форма - увеличаването на енергията води до загуба на интензитета на лъча от ускорени частици, което е свързано с цикличността на тяхното ускорение, за разлика от плавното ускорение при циклотроните и бетатроните. Този неприятен момент веднага беше посочен на заседанието на Катедрата по физико-математически науки на 20 февруари 1945 г., но тогава всички единодушно стигнаха до извода, че това обстоятелство в никакъв случай не трябва да пречи на изпълнението на проекта. Въпреки че, между другото, борбата за интензивност впоследствие постоянно дразнеше „ускорителите“.

На същата сесия, по предложение на президента на Академията на науките на СССР С.И. Вавилов, беше решено незабавно да се изградят двата типа ускорители, предложени от Veksler. На 19 февруари 1946 г. Специалният комитет към Съвета на народните комисари на СССР възлага на съответната комисия да разработи своите проекти, като посочи капацитета, времето за производство и строителната площадка. (ФИАН отказа да създаде циклотрон.)

В резултат на това на 13 август 1946 г. са издадени едновременно две постановления на Министерския съвет на СССР, подписани от председателя на Министерския съвет на СССР И.В. Сталин и управителят на Министерския съвет на СССР Я.Е. Чадаев, за създаването на синхроциклотрон за деутронна енергия от 250 MeV и синхротрон за енергия от 1 GeV. Енергията на ускорителите беше продиктувана преди всичко от политическата конфронтация между САЩ и СССР. Съединените щати вече са изградили синхроциклотрон с енергия на дейтрон от около 190 MeV и са започнали изграждането на синхротрон с енергия от 250–300 MeV. Домашните ускорители трябваше да надминат американските по отношение на енергията.

На синхроциклотрона се възлагаха надежди за откриване на нови елементи, нови методи за получаване на атомна енергия от източници, по-евтини от урана. С помощта на синхротрона те възнамерявали да получат изкуствено мезони, които, както предполагаха съветските физици по това време, са способни да предизвикат ядрен делене.

И двата указа излязоха с печата „Строго секретно (специална папка)“, тъй като изграждането на ускорители беше част от проекта за създаване на атомна бомба. С тяхна помощ се надяваше да се получи точна теория за ядрените сили, необходима за изчисления на бомби, които по това време се извършваха само с помощта на голям набор от приблизителни модели. Вярно е, че всичко се оказа не толкова просто, колкото се смяташе в началото, и трябва да се отбележи, че такава теория не е създадена и до днес.

Резолюциите определят местата за изграждане на ускорители: синхротронът - в Москва, на магистрала Калуга (сега Ленински проспект), на територията на ФИАН; синхроциклотрон - в района на ​Иванковската водноелектрическа централа, на 125 километра северно от Москва (по това време Калининска област). Първоначално създаването и на двата ускорителя е поверено на ФИАН. V.I. Векслер, а за синхроциклотрона - Д.В. Скобелцин.

Вляво - доктор на техническите науки професор Л.П. Зиновиев (1912–1998), вдясно - академик на Академията на науките на СССР В.И. Векслер (1907–1966) по време на създаването на синхрофазотрона

Шест месеца по-късно ръководителят на атомния проект И.В. Курчатов, недоволен от хода на работата по фиановския синхроциклотрон, прехвърли тази тема в своята лаборатория № 2. Той назначи М.Г. Мешчеряков, освобождавайки го от работа в Ленинградския радиев институт. Под ръководството на Мещеряков в лаборатория № 2 беше създаден синхроциклотронен модел, който вече експериментално потвърди правилността на принципа на автофазиране. През 1947 г. започва изграждането на ускорител в района на Калинин.

14 декември 1949 г. под ръководството на М.Г. Синхроциклотронът на Мещеряков е пуснат успешно по график и става първият ускорител от този тип в Съветския съюз, блокирайки енергията на подобен ускорител, създаден през 1946 г. в Бъркли (САЩ). Той остава рекорден до 1953 г.

Първоначално лабораторията, базирана на синхроциклотрона, се нарича Хидротехническа лаборатория на Академията на науките на СССР (ГТЛ) за секретност и е филиал на лаборатория № 2. През 1953 г. тя е преобразувана в самостоятелен Институт по ядрени проблеми на Академията на науките на СССР (ИНП), ръководена от М.Г Мещеряков.

Академик на Украинската академия на науките A.I. Лейпунски (1907–1972), базиран на принципа на автофазирането, предложи дизайна на ускорител, по-късно наречен синхрофазотрон (снимка: Science and Life)
Създаването на синхротрона по редица причини се провали. Първо, поради непредвидени трудности се наложи да се изградят два синхротрона за по-ниски енергии - 30 и 250 MeV. Те се намираха на територията на ФИАН, а синхротронът 1 GeV беше решен да бъде построен извън Москва. През юни 1948 г. му е отредено място на няколко километра от синхроциклотрона, който вече се строи в района на Калинин, но той никога не е построен там, тъй като предпочитание се дава на ускорителя, предложен от Александър Илич Лейпунски, академик на Украинската академия на науките. Науки. Това се случи по следния начин.

През 1946 г. A.I. Лейпунски, базиран на принципа на автофазиране, изложи идеята за възможността за създаване на ускорител, в който се комбинират характеристиките на синхротрон и синхроциклотрон. Впоследствие Векслер нарече този тип ускорители синхрофазотрон. Името става ясно, ако вземем предвид, че синхроциклотронът първоначално се е наричал фазотрон, а във връзка със синхротрона се получава синхрофазотрон. В него, в резултат на промяна в управляващото магнитно поле, частиците се движат по пръстена, както в синхротрон, а ускорението произвежда високочестотно електрическо поле, чиято честота варира с времето, както при синхроциклотрон. Това даде възможност значително да се увеличи енергията на ускорените протони в сравнение със синхроциклотрона. В синхрофазотрона протоните се ускоряват предварително в линеен ускорител - инжектор. Частиците, въведени в основната камера под действието на магнитно поле, започват да циркулират в нея. Този режим се нарича бетатронен режим. След това високочестотното ускорително напрежение се включва на електродите, поставени в две диаметрално противоположни праволинейни пролуки.

От всичките три вида ускорители, базирани на принципа на автофазиране, синхрофазотронът е технически най-сложен и тогава мнозина се съмняваха във възможността за неговото създаване. Но Лейпунски, убеден, че всичко ще се получи, смело се зае да реализира идеята си.

През 1947 г. в лаборатория "В" близо до станция Обнинское (днес град Обнинск) специална ускорителна група под негово ръководство започва разработването на ускорител. Първите теоретици на синхрофазотрона са Ю.А. Крутков, О.Д. Казачковски и Л.Л. Събсович. През февруари 1948 г. се провежда закрита конференция за ускорителите, на която освен министрите присъстват и А.Л. Минтс, известен специалист по радиотехника по това време, и главни инженери на Ленинградските електросилни и трансформаторни заводи. Всички те заявиха, че ускорителят, предложен от Leipun, може да бъде направен. Насърчаването на първите теоретични резултати и подкрепата на инженери от водещи заводи позволиха да се започне работа по конкретен технически проект за голям ускорител за протонни енергии от 1,3–1,5 GeV и да се развие експериментална работа, която потвърди правилността на идеята на Лейпунски. До декември 1948 г. техническият проект на ускорителя е готов, а до март 1949 г. Лейпунски трябва да представи проект на синхрофазотрона с 10 GeV.

И изведнъж, през 1949 г., в разгара на работата, правителството решава да прехвърли работата по синхрофазотрона, която е започнала, на FIAN. За какво? Защо? Все пак ФИАН вече изгражда синхротрон с 1 GeV! Да, фактът е, че и двата проекта, както синхротрона 1,5 GeV, така и синхротрона 1 GeV, бяха твърде скъпи и възникна въпросът за тяхната целесъобразност. Окончателно то беше решено на една от специалните срещи във ФИАН, където се събраха водещите физици в страната. Те смятат, че не е необходимо да се изгражда синхротрон с 1 GeV поради липсата на голям интерес към ускорението на електроните. Основният противник на тази позиция беше M.A. Марков. Основният му аргумент беше, че е много по-ефективно да се изучават както протоните, така и ядрените сили с помощта на вече добре проучените електромагнитни взаимодействия. Той обаче не успя да защити своята гледна точка и положителното решение се оказа в полза на проекта на Лейпунски.

Ето как изглежда синхрофазотронът 10 GeV в Дубна

Заветната мечта на Векслер да построи най-големия ускорител се разпадаше. Не желаейки да се примири с настоящата ситуация, той с подкрепата на С.И. Вавилов и Д.В. Скобелцина предложи да се изостави изграждането на 1,5 GeV синхрофазотрон и незабавно да се пристъпи към проектирането на ускорител 10 GeV, поверен преди това на A.I. Лейпунски. Правителството прие това предложение, тъй като през април 1948 г. стана известно за проекта за синхрофазотрон 6–7 GeV в Калифорнийския университет и те искаха да изпреварят САЩ поне за известно време.

На 2 май 1949 г. Министерският съвет на СССР издава постановление за създаване на синхрофазотрон за енергия от 7–10 GeV на територията, отредена по-рано за синхротрона. Темата беше прехвърлена на ФИАН, а V.I. Векслер, въпреки че бизнесът на Лейпунски вървеше доста добре.

Това може да се обясни, първо, с факта, че Векслер е смятан за автор на принципа на автофазиране и според спомените на неговите съвременници Л. П. го е облагодетелствал много. Берия. Второ, по това време С. И. Вавилов беше не само директор на FIAN, но и президент на Академията на науките на СССР. На Лейпунски е предложено да стане заместник на Векслер, но той отказва и по-късно не участва в създаването на синхрофазотрона. Според заместник Leipunsky O.D. Казачковски, „беше ясно, че две мечки не могат да се разберат в една бърлога“. Впоследствие А.И. Лейпунски и О.Д. Казачковски става водещ специалист в реакторите и през 1960 г. е удостоен с Ленинската награда.

Резолюцията съдържаше клауза за преместване на работа във ФИАН на служителите на лаборатория "V", които се занимаваха с разработването на ускорителя, с прехвърлянето на съответното оборудване. И имаше какво да се предаде: работата по ускорителя в лаборатория "В" по това време беше доведена до етапа на модел и обосновка на основните решения.

Не всички бяха ентусиазирани от прехвърлянето във FIAN, тъй като беше лесно и интересно да се работи с Лейпунски: той беше не само отличен научен съветник, но и прекрасен човек. Въпреки това беше почти невъзможно да се откаже прехвърляне: в това сурово време отказът беше заплашен от съд и лагери.

В групата, прехвърлена от лаборатория "В", влизаше инженер Леонид Петрович Зиновиев. Той, подобно на други членове на групата на ускорителите, в лабораторията на Лейпунски за първи път се занимава с разработването на отделни компоненти, необходими за модела на бъдещия ускорител, по-специално йонния източник и високоволтови импулсни вериги за захранване на инжектора. Лейпунски веднага привлече вниманието към компетентен и креативен инженер. По негово указание Зиновиев е първият, който участва в създаването на пилотна инсталация, в която е възможно да се симулира целия процес на протонно ускорение. Тогава никой не можеше да си представи, че след като се превърна в един от пионерите в работата по оживяването на идеята за синхрофазотрона, Зиновиев ще бъде единственият човек, който ще премине през всички етапи на неговото създаване и усъвършенстване. И не просто минавайте, а ги водете.

Теоретични и експериментални резултати, получени в лаборатория "V", са използвани във Физическия институт Лебедев при проектирането на 10 GeV синхрофазотрон. Въпреки това, увеличаването на енергията на ускорителя до тази стойност изисква значителни подобрения. Трудностите при създаването му се утежняват до голяма степен от факта, че по това време няма опит в изграждането на толкова големи инсталации в цял свят.

Под ръководството на теоретиците M.S. Рабинович и А.А. Коломенски от FIAN направи физическа обосновка на техническия проект. Основните компоненти на синхрофазотрона са разработени от Московския радиотехнически институт на Академията на науките и Ленинградския изследователски институт под ръководството на техните директори A.L. Монетни дворове и Е.Г. комар.

За да получим необходимия опит, решихме да изградим модел на синхрофазотрон за енергия от 180 MeV. Намира се на територията на ФИАН в специална сграда, която от съображения за секретност се нарича склад № 2. В началото на 1951 г. Векслер възлага на Зиновиев цялата работа по модела, включително монтажа, настройката и неговото интегрирано стартиране.

Моделът на Фиановски в никакъв случай не беше бебе - магнитът му с диаметър 4 метра тежеше 290 тона. Впоследствие Зиновиев припомни, че когато сглобиха модела в съответствие с първите изчисления и се опитаха да го пуснат, в началото нищо не се получи. Много непредвидени технически трудности трябваше да бъдат преодолени, преди моделът да бъде пуснат на пазара. Когато това се случи през 1953 г., Векслер каза: „Е, това е! Иванковски синхрофазотрон ще работи!” Ставаше дума за голям синхрофазотрон от 10 GeV, който вече беше започнал да се строи през 1951 г. в района на Калинин. Строителството е извършено от организация с кодово име TDS-533 (Техническа дирекция на строителството 533).

Малко преди пускането на модела американско списание неочаквано публикува репортаж за нов дизайн на ускорителната магнитна система, наречена твърдо фокусиране. Изпълнява се като набор от редуващи се участъци с противоположно насочени градиенти на магнитно поле. Това значително намалява амплитудата на трептенията на ускорените частици, което от своя страна прави възможно значително намаляване на напречното сечение на вакуумната камера. В резултат на това се спестява голямо количество желязо, което отива за конструкцията на магнита. Например ускорителят от 30 GeV в Женева, базиран на твърдо фокусиране, има три пъти по-голяма енергия и три пъти по-голяма обиколка от синхрофазотрона от Дубна, а магнитът му е десет пъти по-лек.

Дизайнът на магнити за твърдо фокусиране е предложен и разработен от американските учени Курант, Ливингстън и Снайдер през 1952 г. Няколко години преди тях същото нещо е измислено, но не е публикувано от Христофил.

Зиновиев веднага оцени откритието на американците и предложи да се преработи синхрофазотрона от Дубна. Но за това ще трябва да се пожертва времето. Тогава Векслер каза: „Не, дори за един ден, но трябва да сме по-напред от американците“. Вероятно в условията на Студената война той беше прав – „конете не се сменят по средата на потока“. И големият ускорител продължи да се изгражда по предварително разработения проект. През 1953 г. на базата на строящия се синхрофазотрон е създадена Електрофизическата лаборатория на Академията на науките на СССР (EFLAN). За негов директор е назначен В.И. Векслер.

През 1956 г. INP и EFLAN формират основата на създадения Съвместен институт за ядрени изследвания (ОИЯИ). Местоположението му стана известно като град Дубна. По това време протонната енергия в синхроциклотрона е била 680 MeV и изграждането на синхрофазотрона е било завършено. От първите дни на образуването на ОИЯИ стилизираният чертеж на сградата на синхрофазотрона (автор В. П. Бочкарев) става негов официален символ.

Моделът помогна при решаването на редица проблеми за ускорителя от 10 GeV, но дизайнът на много възли претърпя значителни промени поради голямата разлика в размера. Средният диаметър на синхрофазотронния електромагнит е 60 метра, а теглото е 36 хиляди тона (според параметрите му той все още остава в Книгата на рекордите на Гинес). Възникна цяла гама от нови сложни инженерни проблеми, които екипът успешно разреши.

Най-накрая всичко беше готово за интегрираното стартиране на ускорителя. По заповед на Векслер се ръководи от Л.П. Зиновиев. Работата започна в края на декември 1956 г., ситуацията беше напрегната и Владимир Йосифович не пощади нито себе си, нито служителите си. Често оставахме да нощуваме на легла точно в огромната контролна зала на инсталацията. Според спомените на А.А. Коломенски, Векслер изразходва по-голямата част от неизчерпаемата си енергия по това време за „изнудване“ на помощ от външни организации и за прилагане на практика на практически предложения, до голяма степен идващи от Зиновиев. Векслер високо оцени своята експериментална интуиция, която изигра решаваща роля при стартирането на гигантския ускорител.

Много дълго време не можеха да получат бетатронния режим, без който стартирането е невъзможно. И именно Зиновиев в решаващия момент осъзна какво трябва да се направи, за да се вдъхне живот на синхрофазотрона. Експериментът, който се подготвяше две седмици, за радост на всички, накрая се увенча с успех. На 15 март 1957 г. започва работа Дубненският синхрофазотрон, за който в. „Правда“ съобщава на целия свят на 11 април 1957 г. (статия В. И. Векслер). Интересното е, че тази новина се появи едва когато енергията на ускорителя, постепенно повишавана от деня на изстрелването, надхвърли енергията от 6,3 GeV по това време на водещия американски синхрофазотрон в Бъркли. "Има 8,3 милиарда електронволта!" - съобщава вестникът, който съобщава, че в Съветския съюз е създаден рекорден ускорител. Заветната мечта на Векслер се сбъдна!

На 16 април протонната енергия достигна проектната стойност от 10 GeV, но ускорителят беше пуснат в експлоатация само няколко месеца по-късно, тъй като все още имаше достатъчно нерешени технически проблеми. И все пак основното беше зад - синхрофазотронът започна да работи.

Векслер съобщава това на втората сесия на Академичния съвет на Обединения институт през май 1957 г. В същото време директорът на института Д.И. Блохинцев отбеляза, че първо, моделът на синхрофазотрона е създаден за година и половина, докато в Америка е отнело около две години. Второ, самият синхрофазотрон беше пуснат за три месеца, отговаряйки на графика, въпреки че в началото изглеждаше нереалистично. Именно пускането на синхрофазотрона донесе на Дубна първата световна слава.

На третата сесия на Академичния съвет на института член-кореспондент на Академията на науките В.П. Джелепов отбеляза, че „Зиновиев беше във всички отношения душата на старта и внесе огромно количество енергия и усилия в този бизнес, а именно творчески усилия при настройката на машината“. A D.I. Блохинцев добави, че „Зиновиев всъщност издържа огромната работа по сложна настройка“.

Хиляди хора участваха в създаването на синхрофазотрона, но Леонид Петрович Зиновиев изигра специална роля в това. Векслер пише: „Успехът на пускането на синхрофазотрона и възможността за започване на широк фронт на физическа работа върху него до голяма степен са свързани с участието на L.P. Зиновиев.

Зиновиев планира да се върне във FIAN след пускането на ускорителя. Векслер обаче го моли да остане, вярвайки, че не може да повери на никого друг управлението на синхрофазотрона. Зиновиев се съгласи и контролира работата на ускорителя повече от тридесет години. Под негово ръководство и с пряко участие ускорителят непрекъснато се подобряваше. Зиновиев обичаше синхрофазотрона и много фино усещаше дъха на този железен гигант. По думите му не е имало нито един, дори най-малък детайл от ускорителя, който да не пипне и чието предназначение да не знае.

През октомври 1957 г. на разширено заседание на Академичния съвет на Курчатовския институт, председателствано от самия Игор Василиевич, седемнадесет души от различни организации, участвали в създаването на синхрофазотрона, бяха номинирани за най-престижната Ленинска награда по това време в Съветския съюз. съюз. Но според условията броят на лауреатите не можеше да надвишава дванадесет души. През април 1959 г. директорът на Лабораторията за висока енергия на ОИЯИ В.И. Векслер, ръководител на отдела на същата лаборатория L.P. Зиновиев, заместник-началник на Главното управление за използване на атомната енергия към Министерския съвет на СССР Д.В. Ефремов, директор на Ленинградския изследователски институт Е.Г. Комар и неговите сътрудници N.A. Monoszon, A.M. Столов, директор на Московския радиотехнически институт на Академията на науките на СССР A.L. Монетни дворове, служители на същия институт F.A. Водопянов, С.М. Рубчински, служители на FIAN A.A. Коломенски, В.А. Петухов, М.С. Рабинович. Векслер и Зиновиев стават почетни граждани на Дубна.

Синхрофазотронът остава в експлоатация четиридесет и пет години. През това време върху него бяха направени редица открития. През 1960 г. синхрофазотронният модел е превърнат в електронен ускорител, който все още работи във ФИАН.

източници

литература:
Коломенски А. А., Лебедев А. Н. Теория на цикличните ускорители. - М., 1962г.
Komar EG Ускорители на заредени частици. - М., 1964.
Livinggood J. Принципи на действие на цикличните ускорители - М., 1963.
Оганесян Ю. Как е създаден циклотронът / Наука и живот, 1980 № 4, с. 73.
Хил Р. По следите на частиците - М., 1963.

http://elementy.ru/lib/430461?page_design=print

http://www.afizika.ru/zanimatelniestati/172-ktopridumalsihrofazatron

http://theor.jinr.ru/~spin2012/talks/plenary/Kekelidze.pdf

http://fodeka.ru/blog/?p=1099

http://www.larissa-zinovyeva.com

И ще ви напомня за някои други настройки: например и как изглежда. Спомнете си какво е то. Или може би не знаете? или какво е Оригиналната статия е на сайта InfoGlaz.rfЛинк към статията, от която е направено това копие -

Какво е синхрофазотрон?

Първо, нека се задълбочим малко в историята. Необходимостта от това устройство възниква за първи път през 1938 г. Група физици от Ленинградския физико-технически институт се обърнаха към Молотов с изявление, че СССР се нуждае от изследователска база за изследване на структурата на атомното ядро. Това искане беше обосновано с факта, че подобна област на изследване играе много важна роля и в момента Съветският съюз изостава донякъде от западните си колеги. Всъщност в Америка по това време вече имаше 5 синхрофазотрона, в СССР нямаше нито един. Предложено беше да се завърши изграждането на вече започнатия циклотрон, чиято разработка беше спряна поради лошо финансиране и липса на компетентен персонал.

В крайна сметка беше взето решение за изграждане на синхрофазотрон и Векслер беше начело на този проект. Строителството е завършено през 1957 г. И така, какво е синхрофазотрон? Просто казано, това е ускорител на частици. Той издава частици с огромна кинетична енергия. Тя се основава на променливо водещо магнитно поле и променлива честота на основното поле. Тази комбинация прави възможно задържането на частиците в постоянна орбита. Това устройство се използва за изследване на най-разнообразните свойства на частиците и тяхното взаимодействие при високи енергийни нива.

Устройството има много интригуващи размери: заема цялата сграда на университета, теглото му е 36 хиляди тона, а диаметърът на магнитния пръстен е 60 м. Доста впечатляващи размери за устройство, чиято основна задача е да изучава частици, чиито размери са измерено в микрометри.

Принципът на действие на синхрофазотрона

Много физици се опитаха да разработят устройство, което би направило възможно ускоряването на частиците, предавайки ги с огромна енергия. Решението на този проблем е синхрофазотронът. Как работи и каква е основата?

Началото е положено от циклотрона. Помислете за принципа на неговата работа. Йоните, които ще се ускорят, падат във вакуума, където се намира ди. По това време йоните са засегнати от магнитно поле: те продължават да се движат по оста, набирайки скорост. След като преодолеят оста и ударят следващата пролука, те започват да набират скорост. За по-голямо ускорение е необходимо постоянно увеличаване на радиуса на дъгата. В този случай времето за преминаване ще бъде постоянно, въпреки увеличаването на разстоянието. Поради увеличаването на скоростта се наблюдава увеличаване на масата на йоните.

Това явление води до загуба на увеличаване на скоростта. Това е основният недостатък на циклотрона. В синхрофазотрона този проблем е напълно елиминиран чрез промяна на индукцията на магнитното поле със свързана маса и едновременно с това се променя честотата на презареждане на частиците. Тоест енергията на частиците се увеличава поради електрическото поле, задавайки посоката поради наличието на магнитно поле.