Používá se synchrofasotron. Synchrophasotron: co to je, princip činnosti a popis

Celý svět ví, že v roce 1957 vypustil SSSR první umělou družici Země na světě. Málokdo však ví, že ve stejném roce začal Sovětský svaz testovat synchrofasotron, který je předchůdcem moderního velkého hadronového urychlovače v Ženevě. Článek pojednává o tom, co je synchrofasotron a jak funguje.

V odpovědi na otázku, co je synchrofasotron, je třeba říci, že se jedná o high-tech a vědecky náročné zařízení, které bylo určeno pro studium mikrokosmu. Konkrétně myšlenka synchrofasotronu byla následující: pomocí silných magnetických polí vytvořených elektromagnety bylo nutné urychlit paprsek elementárních částic (protonů) na vysoké rychlosti a poté tento paprsek nasměrovat na cíl. v klidu. Z takové srážky se protony budou muset „rozbít“ na kousky. Nedaleko cíle je speciální detektor – bublinková komora. Tento detektor umožňuje sledovat stopy zanechané částmi protonů a zkoumat jejich povahu a vlastnosti.

Proč bylo nutné postavit synchrofasotron SSSR? V tomto vědeckém experimentu, který byl klasifikován jako „přísně tajný“, se sovětští vědci snažili najít nový zdroj levnější a účinnější energie, než je obohacený uran. Byly sledovány i čistě vědecké cíle hlubšího studia povahy jaderných interakcí a světa subatomárních částic.

Princip činnosti synchrofasotronu

Výše uvedený popis úkolů, kterým synchrofasotron čelil, se může mnohým zdát pro jejich realizaci v praxi nepříliš obtížný, ale není tomu tak. Navzdory jednoduchosti otázky, co je to synchrofasotron, je pro urychlení protonů na požadované obrovské rychlosti potřeba elektrické napětí v řádu stovek miliard voltů. Takové napětí nelze vytvořit ani v současné době. Proto bylo rozhodnuto energii napumpovanou do protonů včas rozdělit.

Princip činnosti synchrofasotronu byl následující: protonový paprsek se začíná pohybovat po prstencovém tunelu, v některém místě tohoto tunelu jsou kondenzátory, které vytvářejí výkonový ráz v okamžiku, kdy jimi proletí protonový paprsek. Při každém otočení tedy dochází k malému zrychlení protonů. Poté, co paprsek částic udělá několik milionů otáček tunelem synchrofasotronu, dosáhnou protony požadované rychlosti a budou nasměrovány k cíli.

Je třeba poznamenat, že elektromagnety používané při urychlování protonů hrály vodící roli, to znamená, že určovaly trajektorii paprsku, ale nepodílely se na jeho urychlování.

Problémy, kterým vědci čelí při provádění experimentů

Aby bylo možné lépe porozumět tomu, co je synchrofasotron a proč je jeho vytvoření velmi složitým a vědecky náročným procesem, měli bychom zvážit problémy, které při jeho provozu vznikají.

Za prvé, čím větší je rychlost protonového paprsku, tím větší hmotnost začínají mít podle slavného Einsteinova zákona. Při rychlostech blízkých světlu se hmota částic tak zvětší, že k jejich udržení na požadované trajektorii je nutné mít výkonné elektromagnety. Čím větší je velikost synchrofasotronu, tím větší magnety lze umístit.

Za druhé, vznik synchrofasotronu byl také komplikován energetickými ztrátami protonového paprsku při jejich kruhovém zrychlení a čím větší je rychlost paprsku, tím významnější jsou tyto ztráty. Ukazuje se, že pro urychlení paprsku na požadované gigantické rychlosti je nutné mít obrovské síly.

Jaké výsledky byly získány?

Experimenty na sovětském synchrofasotronu nepochybně obrovským způsobem přispěly k rozvoji moderních oblastí techniky. Takže díky těmto experimentům byli sovětští vědci schopni zlepšit proces zpracování použitého uranu-238 a získali některá zajímavá data srážkou urychlených iontů různých atomů s cílem.

Výsledky experimentů na synchrofasotronu se dodnes využívají při stavbě jaderných elektráren, kosmických raket a robotiky. Úspěchy sovětského vědeckého myšlení byly využity při konstrukci nejvýkonnějšího synchrofasotronu naší doby, kterým je Velký hadronový urychlovač. Samotný sovětský urychlovač slouží vědě Ruské federace v Institutu FIAN (Moskva), kde se používá jako urychlovač iontů.

Co je synchrofasotron: princip činnosti a získané výsledky - vše o cestování na místo

+ fáze + elektron) je rezonanční cyklický urychlovač s neměnnou délkou rovnovážné dráhy při zrychlování. Aby částice při zrychlování zůstaly na stejné dráze, mění se jak vedoucí magnetické pole, tak frekvence zrychlujícího se elektrického pole. Ten je nutný k tomu, aby paprsek dorazil do urychlovací sekce vždy ve fázi s vysokofrekvenčním elektrickým polem. V případě, že jsou částice ultrarelativistické, frekvence otáčení se při pevné délce oběžné dráhy s rostoucí energií nemění a frekvence RF generátoru musí také zůstat konstantní. Takový urychlovač se již nazývá synchrotron.

V kultuře

Bylo to toto zařízení, které prvňáček „pracoval v práci“ ve slavné písni Ally Pugacheva „Píseň prvňáčka“. Synchrophasotron je také zmíněn v Gaidaiově komedii „Operace Y a Shurik's Other Adventures“. Toto zařízení je také ukázáno jako příklad aplikace Einsteinovy ​​teorie relativity ve vzdělávacím krátkém filmu „Co je teorie relativity?“. V nízkointelektových humorných pořadech pro širokou veřejnost často působí jako „nepochopitelný“ vědecký přístroj nebo příklad špičkové technologie.

Britským parlamentům trvalo pouhých 15 minut, než rozhodli o veřejné investici ve výši 1 miliardy liber do výstavby synchrofasotronu. Poté - hodinu energicky diskutovali o ceně kávy, ani více, ani méně, v parlamentním bufetu. A přesto jsme se rozhodli: snížit cenu o 15%.

Zdálo by se, že úkoly nejsou co do složitosti vůbec srovnatelné a podle logiky věci se vše mělo stát přesně naopak. Hodina na vědu, 15 minut na kávu. Ale ne! Jak se později ukázalo, většina ctihodných politiků okamžitě dala své nejniternější „pro“, aniž by vůbec tušili, co je to „synchrofasotron“.

Pojďme, milý čtenáři, společně s vámi vyplnit tuto mezeru ve vědění a nebuďme jako vědecká krátkozrakost některých soudruhů.

Co je to synchrofasotron?

Synchrophasotron - elektronická instalace pro vědecký výzkum - cyklický urychlovač elementárních částic (neutrony, protony, elektrony atd.). Má tvar obrovského prstenu, váží více než 36 tisíc tun. Jeho supervýkonné magnety a urychlovací trubice naplňují mikroskopické částice kolosální směrovou energií. V hloubce fasotronového rezonátoru, v hloubce 14,5 metru, probíhají skutečně fantastické transformace na fyzické úrovni: například maličký proton přijímá 20 milionů elektronvoltů a těžký iont - 5 milionů eV. A to je jen skromný zlomek všech možností!

Právě díky unikátním vlastnostem cyklického urychlovače se vědcům podařilo odhalit nejtajnější tajemství vesmíru: studovat strukturu zanedbatelně malých částic a fyzikálně-chemické procesy probíhající uvnitř jejich obalů; pozorovat fúzní reakci na vlastní oči; objevovat povahu dosud neznámých mikroskopických objektů.

Fasotron znamenal novou éru vědeckého výzkumu - území výzkumu, kde byl mikroskop bezmocný, o kterém dokonce i inovátoři sci-fi mluvili s velkou opatrností (jejich prozíravý tvůrčí let nemohl předvídat učiněné objevy!).

Historie synchrofasotronu

Zpočátku byly urychlovače lineární, to znamená, že neměly cyklickou strukturu. Ale brzy je fyzici museli opustit. Požadavky na energetické hodnoty se zvýšily - bylo potřeba více. Ale lineární konstrukce to nezvládla: teoretické výpočty ukázaly, že pro tyto hodnoty musí mít neuvěřitelnou délku.

• V roce 1929 Američan E. Lawrence se pokouší tento problém vyřešit a vynalézá cyklotron, prototyp moderního fasotronu. Testy probíhají dobře. O deset let později, v roce 1939. Lawrence je oceněn Nobelovou cenou.
• V roce 1938 v SSSR se problematikou tvorby a zdokonalování urychlovačů začal aktivně zabývat talentovaný fyzik V.I.Veksler. V únoru 1944 přichází revoluční nápad, jak překonat energetickou bariéru. Veksler svou metodu nazývá „autophasing“. Přesně o rok později zcela nezávisle objevuje stejnou technologii E. Macmillan, vědec z USA.
• V roce 1949 v Sovětském svazu pod vedením V.I. Veksler a S.I. Vavilov, rozvíjí se rozsáhlý vědecký projekt - vytvoření synchrofasotronu s kapacitou 10 miliard elektronvoltů. Již 8 let na základě Institutu pro jaderný výzkum ve městě Dubno na Ukrajině usilovně pracuje na instalaci skupina teoretických fyziků, konstruktérů a inženýrů. Proto se mu také říká dubninský synchrofasotron.

Synchrofasotron byl uveden do provozu v březnu 1957, šest měsíců před letem do vesmíru první umělé družice Země.

Jaký výzkum se provádí na synchrofasotronu?

Wexlerův rezonanční cyklický urychlovač dal vzniknout galaxii vynikajících objevů v mnoha aspektech základní fyziky a zejména v některých kontroverzních a málo prozkoumaných problémech Einsteinovy ​​teorie relativity:

• chování kvarkové struktury jader v procesu interakce;
• tvorba kumulativních částic jako výsledek reakcí zahrnujících jádra;
• studium vlastností urychlených deuteronů;
• interakce těžkých iontů s cíli (kontrola odporu mikroobvodů);
• likvidace uranu-238.

Výsledky získané v těchto oblastech jsou úspěšně aplikovány při konstrukci kosmických lodí, projektování jaderných elektráren, vývoji robotiky a zařízení pro práci v extrémních podmínkách. Ale nejúžasnější na tom je, že řada studií provedených na synchrofasotronu přivádí vědce blíž a blíž k odhalení velké záhady původu vesmíru.

Zde je jemně známé slovo „synchrofasotron“! Připomeňte mi, jak se to dostalo do uší prostého laika v Sovětském svazu? Byl tam nějaký film nebo populární píseň, něco, přesně si pamatuji! Nebo to byla jen analogie nevyslovitelného slova?

A teď si ještě připomeňme, co to je a jak to vzniklo...

V roce 1957 Sovětský svaz učinil revoluční vědecký průlom ve dvou směrech najednou: v říjnu byla vypuštěna první umělá družice Země a o několik měsíců dříve, v březnu, legendární synchrofasotron, obří zařízení pro studium mikrosvěta. působící v Dubně. Tyto dvě události šokovaly celý svět a slova „satelit“ a „synchrofasotron“ pevně vstoupila do našich životů.

Synchrofasotron je jedním z typů urychlovačů nabitých částic. Částice v nich jsou urychlovány na vysoké rychlosti a následně na vysoké energie. Podle výsledku jejich srážek s jinými atomovými částicemi se posuzuje struktura a vlastnosti hmoty. Pravděpodobnost srážek je dána intenzitou svazku urychlených částic, tedy počtem částic v něm, takže intenzita je spolu s energií důležitým parametrem urychlovače.

Urychlovače dosahují obrovských rozměrů a ne náhodou je spisovatel Vladimir Kartsev nazval pyramidami jaderného věku, podle kterých potomci budou posuzovat úroveň naší technologie.

Před konstrukcí urychlovačů bylo kosmické záření jediným zdrojem vysokoenergetických částic. V podstatě se jedná o protony s energií řádu několika GeV, volně přicházející z vesmíru a sekundární částice, které vznikají při interakci s atmosférou. Ale tok kosmického záření je chaotický a má nízkou intenzitu, proto se postupem času začala vytvářet speciální zařízení pro laboratorní výzkum - urychlovače s řízenými svazky částic o vysoké energii a větší intenzitě.

Činnost všech urychlovačů je založena na známém faktu: nabitá částice je urychlována elektrickým polem. Je však nemožné získat částice o velmi vysoké energii jejich pouze jedním urychlením mezi dvěma elektrodami, protože by to vyžadovalo použití velkého napětí, což je technicky nemožné. Proto se vysokoenergetické částice získávají opakovaným průchodem mezi elektrodami.

Urychlovače, ve kterých částice prochází po sobě jdoucími urychlovacími mezerami, se nazývají lineární. U nich začal vývoj urychlovačů, ale požadavek na zvýšení energie částic vedl k téměř nereálně velkým délkám instalací.

V roce 1929 navrhl americký vědec E. Lawrence konstrukci urychlovače, ve kterém se částice pohybuje ve spirále, opakovaně prochází stejnou mezerou mezi dvěma elektrodami. Trajektorie částice je ohnuta a zkroucena rovnoměrným magnetickým polem nasměrovaným kolmo k rovině oběžné dráhy. Urychlovač se nazýval cyklotron. V letech 1930-1931 postavil Lawrence a jeho spolupracovníci první cyklotron na University of California (USA). Za tento vynález mu byla v roce 1939 udělena Nobelova cena.

V cyklotronu vytváří velký elektromagnet rovnoměrné magnetické pole a mezi dvěma dutými elektrodami ve tvaru D (odtud jejich název - "dees") vzniká elektrické pole. Na elektrody je přivedeno střídavé napětí, které přepóluje pokaždé, když se částice otočí o polovinu otáčky. Díky tomu elektrické pole vždy urychluje částice. Tato myšlenka by nemohla být realizována, pokud by částice s různými energiemi měly různá období revoluce. Ale naštěstí, ačkoli se rychlost zvyšuje s rostoucí energií, perioda otáčení zůstává konstantní, protože průměr trajektorie se zvyšuje ve stejném poměru. Právě tato vlastnost cyklotronu umožňuje využít pro zrychlení konstantní frekvenci elektrického pole.

Brzy se cyklotrony začaly vytvářet i v dalších výzkumných laboratořích.

Budova synchrofasotronu v 50. letech 20. století

Potřeba vytvořit seriózní základnu urychlovačů v Sovětském svazu byla oznámena na vládní úrovni v březnu 1938. Skupina výzkumníků z Leningradského institutu fyziky a technologie (LFTI), vedená akademik A.F. Ioffe se obrátil na předsedu Rady lidových komisařů SSSR V.M. Molotov s dopisem s návrhem na vytvoření technické základny pro výzkum v oblasti struktury atomového jádra. Otázky struktury atomového jádra se staly jedním z ústředních problémů přírodních věd a Sovětský svaz v jejich řešení značně zaostával. Pokud tedy v Americe bylo alespoň pět cyklotronů, tak v Sovětském svazu nebyl ani jeden (jediný cyklotron Radiového ústavu Akademie věd (RIAN), spuštěný v roce 1937, prakticky nefungoval kvůli konstrukční vady). Výzva k Molotovovi obsahovala požadavek na vytvoření podmínek pro dokončení stavby cyklotronu LPTI do 1. ledna 1939. Práce na jejím vzniku, započaté v roce 1937, byly pozastaveny pro resortní nedůslednosti a ukončení financování.

V době psaní dopisu skutečně panovalo ve vládních kruzích země jasné nedorozumění ohledně relevance výzkumu v oblasti atomové fyziky. Podle memoárů M.G. Meščerjakov, v roce 1938 dokonce vyvstala otázka likvidace Radiového ústavu, který se podle některých zabýval zbytečným výzkumem uranu a thoria, zatímco země usilovala o zvýšení těžby uhlí a tavby oceli.

Dopis Molotovovi zapůsobil a již v červnu 1938 komise Akademie věd SSSR v čele s P.L. Kapitsa na žádost vlády vydal závěr o potřebě postavit 10–20 MeV LPTI cyklotron v závislosti na typu urychlených částic a zlepšit cyklotron RIAN.

V listopadu 1938 S.I. Vavilov ve své výzvě k prezídiu Akademie věd navrhl postavit cyklotron LFTI v Moskvě a převést laboratoř I.V. Kurchatov, který se podílel na jeho vzniku. Sergej Ivanovič chtěl, aby centrální laboratoř pro studium atomového jádra byla umístěna na stejném místě, kde sídlila Akademie věd, tedy v Moskvě. Nebyl však podporován LFTI. Spory skončily koncem roku 1939, kdy A.F. Ioffe navrhl vytvořit tři cyklotrony najednou. Dne 30. července 1940 bylo na zasedání prezidia Akademie věd SSSR rozhodnuto pověřit RIAN v letošním roce vybavit stávající cyklotron, FIAN připravit potřebné materiály pro stavbu nového výkonného cyklotronu do 15. října. a LFTI k dokončení stavby cyklotronu v prvním čtvrtletí roku 1941.

V souvislosti s tímto rozhodnutím byla ve FIAN vytvořena tzv. cyklotronová brigáda, do které patřili Vladimír Iosifovič Veksler, Sergej Nikolajevič Vernov, Pavel Alekseevič Čerenkov, Leonid Vasiljevič Grošev a Jevgenij Lvovič Feinberg. 26. září 1940 se předsednictvo katedry fyzikálních a matematických věd (OPMS) dozvědělo informace od V.I. Veksler o konstrukčním úkolu pro cyklotron, schválil jeho hlavní charakteristiky a konstrukční odhad. Cyklotron byl navržen k urychlení deuteronů až na energii 50 MeV. FIAN plánoval zahájit jeho stavbu v roce 1941 a uvést do provozu v roce 1943. Plánované plány narušila válka.

Naléhavá potřeba vytvořit atomovou bombu donutila Sovětský svaz zmobilizovat úsilí při studiu mikrosvěta. Dva cyklotrony byly postaveny jeden po druhém v laboratoři č. 2 v Moskvě (1944, 1946); v Leningradu byly po zrušení blokády obnoveny cyklotrony RIAN a LFTI (1946).

Přestože byl projekt Fianovského cyklotronu schválen již před válkou, ukázalo se, že Lawrenceův návrh se vyčerpal, protože energie urychlených protonů nemohla přesáhnout 20 MeV. Právě od této energie se začíná projevovat vliv nárůstu hmotnosti částice při rychlostech úměrných rychlosti světla, což vyplývá z Einsteinovy ​​teorie relativity.

V důsledku růstu hmoty je narušena rezonance mezi průchodem částice urychlovací mezerou a odpovídající fází elektrického pole, což má za následek zpomalení.

Je třeba poznamenat, že cyklotron je navržen tak, aby urychloval pouze těžké částice (protony, ionty). Je to dáno tím, že díky příliš malé klidové hmotnosti dosahuje elektron již při energiích 1–3 MeV rychlosti blízké rychlosti světla, v důsledku čehož jeho hmotnost znatelně narůstá a částice rychle odchází. mimo rezonanci.

Prvním cyklickým elektronovým urychlovačem byl betatron postavený Kerstem v roce 1940 na základě Wideröeovy myšlenky. Betatron vychází z Faradayova zákona, podle kterého při změně magnetického toku pronikajícího do uzavřeného obvodu vzniká v tomto obvodu elektromotorická síla. V betatronu je uzavřený okruh proud částic pohybujících se po prstencové dráze ve vakuové komoře konstantního poloměru v postupně se zvětšujícím magnetickém poli. Při zvýšení magnetického toku uvnitř oběžné dráhy vzniká elektromotorická síla, jejíž tangenciální složka urychluje elektrony. V betatronu, stejně jako u cyklotronu, existuje limit pro produkci částic s velmi vysokou energií. Je to dáno tím, že podle zákonů elektrodynamiky elektrony pohybující se po kruhových drahách vyzařují elektromagnetické vlny, které odnášejí spoustu energie relativistickými rychlostmi. Pro kompenzaci těchto ztrát je nutné výrazně zvětšit velikost jádra magnetu, což má praktický limit.

Počátkem 40. let byly tedy možnosti získání vyšších energií pro protony i elektrony vyčerpány. Pro další studium mikrokosmu bylo nutné zvýšit energii urychlených částic, takže úkol najít nové způsoby urychlování se stal akutním.

V únoru 1944 V.I. Veksler předložil revoluční nápad, jak překonat energetickou bariéru cyklotronu a betatronu. Bylo to tak jednoduché, že se zdálo divné, že se k tomu nepřistoupilo dříve. Myšlenka byla taková, že během rezonančního zrychlení se musí frekvence otáčení částic a urychlující pole neustále shodovat, jinými slovy být synchronní. Při urychlování těžkých relativistických částic v cyklotronu pro synchronizaci bylo navrženo měnit frekvenci urychlujícího elektrického pole podle určitého zákona (později se takový urychlovač nazýval synchrocyklotron).

Pro urychlení relativistických elektronů byl navržen urychlovač, později nazvaný synchrotron. V něm se zrychlení provádí střídavým elektrickým polem konstantní frekvence a synchronizaci zajišťuje magnetické pole měnící se podle určitého zákona, které udržuje částice na oběžné dráze o konstantním poloměru.

Pro praktické účely bylo nutné teoreticky zajistit, aby navrhované urychlovací procesy byly stabilní, to znamená, že s malými odchylkami od rezonance bude fázování částic probíhat automaticky. Teoretický fyzik cyklotronového týmu E.L. Feinberg na to Vekslera upozornil a sám prokázal stabilitu procesů přísným matematickým způsobem. Proto byl Wexlerův nápad nazýván „principem autophasingu“.

K diskusi o získaném řešení uspořádal FIAN seminář, na kterém Veksler předložil úvodní zprávu a Feinberg zprávu o stabilitě. Práce byla schválena a v témže roce 1944 byly v časopise „Zprávy Akademie věd SSSR“ publikovány dva články, ve kterých byly zvažovány nové metody urychlení (první článek se zabýval urychlovačem založeným na více frekvencích, později tzv. mikrotron). Jako jejich autor byl uveden pouze Veksler a Feinbergovo jméno nebylo uvedeno vůbec. Velmi brzy byla Feinbergova role v objevu principu autofázování nezaslouženě odsouzena k úplnému zapomnění.

O rok později byl princip autofázování nezávisle objeven americkým fyzikem E. MacMillanem, ale Wexler si ponechal přednost.

Je třeba poznamenat, že u urychlovačů založených na novém principu se „pravidlo páky“ projevilo v explicitní podobě – zisk energie vedl ke ztrátě intenzity paprsku urychlených částic, což je spojeno s cykličností. jejich zrychlení, na rozdíl od hladkého zrychlení u cyklotronů a betatronů. Na tento nepříjemný okamžik bylo ihned upozorněno na zasedání katedry fyzikálních a matematických věd dne 20. února 1945, ale pak všichni jednomyslně dospěli k závěru, že tato okolnost by v žádném případě neměla narušovat realizaci projektu. I když mimochodem boj o intenzitu následně neustále otravoval „urychlovače“.

Na stejném zasedání na návrh prezidenta Akademie věd SSSR S.I. Vavilov, bylo rozhodnuto okamžitě postavit dva typy urychlovačů navržené Vekslerem. Zvláštní výbor při Radě lidových komisařů SSSR pověřil 19. února 1946 příslušnou komisi, aby vypracovala své projekty s uvedením kapacity, doby výroby a místa stavby. (FIAN odmítl vytvořit cyklotron.)

V důsledku toho byly 13. srpna 1946 vydány současně dva výnosy Rady ministrů SSSR, podepsané předsedou Rady ministrů SSSR I.V. Stalin a manažer Rady ministrů SSSR Ya.E. Chadaev, o vytvoření synchrocyklotronu pro energii deuteronu 250 MeV a synchrotronu pro energii 1 GeV. Energii urychlovačů diktovala především politická konfrontace mezi USA a SSSR. Spojené státy již postavily synchrocyklotron s energií deuteronu asi 190 MeV a začaly stavět synchrotron s energií 250–300 MeV. Tuzemské urychlovače měly energeticky překonat ty americké.

Naděje se vkládaly do synchrocyklotronu na objevy nových prvků, nových metod získávání atomové energie ze zdrojů levnějších než uran. Pomocí synchrotronu hodlali uměle získat mezony, které, jak tehdy sovětští fyzici předpokládali, byly schopny způsobit jaderné štěpení.

Oba výnosy vyšly s razítkem „Přísně tajné (speciální složka)“, protože konstrukce urychlovačů byla součástí projektu na vytvoření atomové bomby. S jejich pomocí se doufalo získat přesnou teorii jaderných sil, nutnou pro výpočty bomb, které se v té době prováděly pouze s pomocí velkého souboru přibližných modelů. Je pravda, že se ukázalo, že vše není tak jednoduché, jak se zpočátku myslelo, a je třeba poznamenat, že taková teorie nebyla vytvořena dodnes.

Rezoluce určily staveniště pro urychlovače: synchrotron - v Moskvě, na dálnici Kaluga (nyní Leninský prospekt), na území FIAN; synchrocyklotron - v oblasti vodní elektrárny Ivankovskaya, 125 kilometrů severně od Moskvy (v té době Kalininská oblast). Původně byla tvorba obou akcelerátorů svěřena společnosti FIAN. V.I. Veksler a pro synchrocyklotron - D.V. Skobeltsyn.

Vlevo - doktor technických věd profesor L.P. Zinoviev (1912–1998), vpravo - akademik Akademie věd SSSR V.I. Veksler (1907–1966) při vytváření synchrofasotronu

O šest měsíců později vedoucí atomového projektu I.V. Kurčatov, nespokojený s postupem prací na synchrocyklotronu Fianovo, přenesl toto téma do své Laboratoře č. 2. Jmenoval M.G. Meshcheryakov, který ho osvobodil od práce v Leningradském radiovém institutu. Pod vedením Meshcheryakova vznikl v laboratoři č. 2 synchrocyklotronový model, který již experimentálně potvrdil správnost principu autofázování. V roce 1947 začala v Kalininské oblasti stavba urychlovače.

14. prosince 1949 pod vedením M.G. Meshcheryakov Synchrocyclotron byl úspěšně vypuštěn podle plánu a stal se prvním urychlovačem tohoto typu v Sovětském svazu, blokující energii podobného urychlovače vytvořeného v roce 1946 v Berkeley (USA). To zůstalo rekordní až do roku 1953.

Zpočátku se laboratoř na bázi synchrocyklotronu z důvodu utajení nazývala Hydrotechnická laboratoř Akademie věd SSSR (GTL) a byla pobočkou laboratoře č. 2. V roce 1953 byla přeměněna na samostatný Ústav jaderných problémů hl. Akademie věd SSSR (INP), v jejímž čele stojí M.G. Meščerjakov.

Akademik Ukrajinské akademie věd A.I. Leipunsky (1907–1972), založený na principu autofázování, navrhl konstrukci urychlovače, později nazývaného synchrofasotron (foto: Věda a život)
Vytvoření synchrotronu z řady důvodů selhalo. Nejprve se kvůli nepředvídaným potížím musely postavit dva synchrotrony pro nižší energie – 30 a 250 MeV. Nacházely se na území FIAN a synchrotron 1 GeV se rozhodl postavit mimo Moskvu. V červnu 1948 dostal místo pár kilometrů od již budovaného synchrocyklotronu v Kalininské oblasti, ale ani tam nebyl nikdy postaven, protože přednost dostal urychlovač navržený Alexandrem Iljičem Leipunským, akademikem Ukrajinské akademie vědy. Stalo se to následujícím způsobem.

V roce 1946 A.I. Leipunsky, založený na principu autophasingu, předložil myšlenku možnosti vytvoření urychlovače, ve kterém byly kombinovány vlastnosti synchrotronu a synchrocyklotronu. Následně Veksler nazval tento typ urychlovače synchrofasotron. Název je jasný, vezmeme-li v úvahu, že synchrocyklotron se původně nazýval fasotron a ve spojení se synchrotronem se získá synchrofasotron. V něm se v důsledku změny řídicího magnetického pole částice pohybují po prstenci jako u synchrotronu a zrychlením vzniká vysokofrekvenční elektrické pole, jehož frekvence se mění s časem jako u synchrocyklotronu. To umožnilo výrazně zvýšit energii urychlených protonů ve srovnání se synchrocyklotronem. V synchrofasotronu jsou protony předběžně urychlovány v lineárním urychlovači - injektoru. Částice vnesené do hlavní komory působením magnetického pole v ní začnou cirkulovat. Tento režim se nazývá betatronový režim. Poté se zapne vysokofrekvenční urychlovací napětí na elektrodách umístěných ve dvou diametrálně opačných přímočarých mezerách.

Ze všech tří typů urychlovačů založených na principu autofázování je synchrofasotron technicky nejsložitější a mnozí pak pochybovali o možnosti jeho vzniku. Leipunsky, přesvědčený, že vše vyjde, se však odvážně pustil do realizace svého nápadu.

V roce 1947 v laboratoři „B“ poblíž stanice Obninskoje (dnes město Obninsk) začala speciální skupina urychlovačů pod jeho vedením vyvíjet urychlovač. Prvními teoretiky synchrofasotronu byli Yu.A. Krutkov, O.D. Kazachkovsky a L.L. Sabsovič. V únoru 1948 se konala uzavřená konference o urychlovačích, které se kromě ministrů zúčastnil A.L. Mincovny, v té době známý specialista na radiotechniku ​​a hlavní inženýři závodů Leningrad Electrosila a transformátorů. Všichni uvedli, že urychlovač navržený Leipunem lze provést. Povzbuzení prvních teoretických výsledků a podpora inženýrů z předních závodů umožnila zahájit práce na konkrétním technickém projektu velkého urychlovače pro energie protonů 1,3–1,5 GeV a vyvinout experimentální práce, které potvrdily správnost Leipunského myšlenky. Do prosince 1948 byl hotov technický návrh urychlovače a do března 1949 měl Leipunsky předložit návrh návrhu synchrofasotronu 10 GeV.

A najednou, v roce 1949, na samém vrcholu práce, se vláda rozhodla převést práci na synchrofasotronu, která začala, na FIAN. za co? Proč? Koneckonců, FIAN již staví 1 GeV synchrotron! Ano, faktem je, že oba projekty, jak synchrotron 1,5 GeV, tak synchrotron 1 GeV, byly příliš drahé a vyvstala otázka o jejich výhodnosti. Nakonec se to podařilo vyřešit na jednom ze zvláštních setkání ve FIAN, kde se sešli přední fyzici země. Považovali za zbytečné stavět 1 GeV synchrotron kvůli nedostatku velkého zájmu o urychlování elektronů. Hlavním odpůrcem této pozice byl M.A. Markov. Jeho hlavním argumentem bylo, že je mnohem efektivnější studovat protony i jaderné síly pomocí již dobře prozkoumané elektromagnetické interakce. Svůj názor se mu však nepodařilo obhájit a kladné rozhodnutí se ukázalo ve prospěch Leipunského projektu.

Takhle vypadá 10 GeV synchrofasotron v Dubně

Vekslerův drahocenný sen o vybudování největšího urychlovače se rozpadal. Protože se nechtěl smířit se současnou situací, s podporou S.I. Vavilov a D.V. Skobeltsyna navrhl opustit konstrukci synchrofasotronu 1,5 GeV a okamžitě přistoupit k návrhu urychlovače 10 GeV, který byl dříve svěřen A.I. Leipunsky. Vláda tento návrh přijala, protože v dubnu 1948 se na Kalifornské univerzitě vešlo ve známost o projektu synchrofasotronu 6–7 GeV a chtěli být alespoň na chvíli před Spojenými státy.

2. května 1949 vydala Rada ministrů SSSR usnesení o vytvoření synchrofasotronu pro energii 7–10 GeV na území dříve přiděleném synchrotronu. Téma bylo přeneseno do FIAN a V.I. Veksler, i když Leipunského obchod šel docela dobře.

To lze vysvětlit jednak tím, že Veksler byl považován za autora principu autofázování a podle vzpomínek jeho současníků ho L. P. velmi protěžoval. Beria. Za druhé, S. I. Vavilov byl v té době nejen ředitelem FIAN, ale také prezidentem Akademie věd SSSR. Leipunskému bylo nabídnuto, aby se stal Vekslerovým zástupcem, ale ten odmítl a později se na vytvoření synchrofasotronu nepodílel. Podle zástupce Leipunsky O.D. Kazachkovského, "bylo jasné, že dva medvědi spolu nevyjdou v jednom doupěti." Následně A.I. Leipunsky a O.D. Kazachkovsky se stal předními specialisty na reaktory a v roce 1960 získal Leninovu cenu.

Usnesení obsahovalo doložku o převedení zaměstnanců Laboratoře "V", kteří se zabývali vývojem urychlovače, do práce ve FIAN s převodem odpovídajícího zařízení. A bylo co sdělit: práce na urychlovači v laboratoři „B“ do té doby byly dovedeny do stadia modelu a zdůvodnění hlavních rozhodnutí.

Ne všichni byli z převodu do FIAN nadšeni, protože s Leipunským bylo snadné a zajímavé pracovat: byl to nejen vynikající vědecký poradce, ale také úžasný člověk. Bylo však téměř nemožné odmítnout převoz: v té drsné době hrozilo odmítnutí soud a tábory.

Skupina převedená z laboratoře "B" zahrnovala inženýra Leonida Petroviče Zinověva. Stejně jako další členové skupiny urychlovačů se v Leipunského laboratoři nejprve zabýval vývojem jednotlivých komponent nezbytných pro model budoucího urychlovače, zejména iontového zdroje a vysokonapěťových pulzních obvodů pro napájení vstřikovače. Leipunsky okamžitě upozornil na kompetentního a kreativního inženýra. Zinověv se na jeho pokyn jako první podílel na vytvoření poloprovozu, ve kterém bylo možné simulovat celý proces protonové akcelerace. Pak si nikdo nedokázal představit, že poté, co se Zinoviev stal jedním z průkopníků v práci na oživení myšlenky synchrofasotronu, bude jediným člověkem, který projde všemi fázemi jeho tvorby a zlepšování. A nejen přihrávat, ale vést je.

Teoretické a experimentální výsledky získané v Laboratoři "V" byly použity ve Fyzikálním institutu Lebeděva při návrhu synchrofasotronu 10 GeV. Zvýšení energie akcelerátoru na tuto hodnotu však vyžadovalo výrazná zlepšení. Potíže s jeho vytvořením byly do značné míry zhoršeny tím, že v té době nebyly po celém světě žádné zkušenosti s budováním tak velkých instalací.

Pod vedením teoretiků M.S. Rabinovič a A.A. Kolomenskij ve společnosti FIAN fyzicky zdůvodnil technický projekt. Hlavní součásti synchrofasotronu byly vyvinuty Moskevským radiotechnickým institutem Akademie věd a Leningradským výzkumným ústavem pod vedením jejich ředitelů A.L. Mincovny a E.G. Komár.

Pro získání potřebných zkušeností jsme se rozhodli postavit model synchrofasotronu pro energii 180 MeV. Nacházel se na území FIAN ve speciální budově, která se z důvodu utajení nazývala sklad č. 2. Začátkem roku 1951 pověřil Veksler Zinovjeva všemi pracemi na modelu, včetně instalace zařízení, seřízení a jeho integrované spouštění.

Model Fianovsky nebyl v žádném případě miminko - jeho magnet o průměru 4 metry vážil 290 tun. Následně Zinoviev připomněl, že když sestavili model v souladu s prvními výpočty a pokusili se jej spustit, zpočátku nic nefungovalo. Před uvedením modelu na trh bylo nutné překonat mnoho nepředvídaných technických potíží. Když se to v roce 1953 stalo, Veksler řekl: „No, to je ono! Ivankovskij synchrofasotron bude fungovat!“ Šlo o velký 10 GeV synchrofasotron, který se začal stavět již v roce 1951 v oblasti Kalinin. Stavbu provedla organizace s kódovým označením TDS-533 (Technické ředitelství výstavby 533).

Krátce před uvedením modelu na trh americký časopis nečekaně zveřejnil zprávu o nové konstrukci magnetického systému urychlovače, zvané hard-focusing. Provádí se jako soubor střídajících se úseků s opačně orientovanými gradienty magnetického pole. To výrazně snižuje amplitudu kmitů urychlovaných částic, což zase umožňuje výrazně zmenšit průřez vakuové komory. Díky tomu se ušetří velké množství železa, které jde do konstrukce magnetu. Například urychlovač 30 GeV v Ženevě, založený na tvrdém zaostřování, má třikrát větší energii a třikrát větší obvod než Dubna synchrofasotron a jeho magnet je desetkrát lehčí.

Konstrukce tvrdých zaostřovacích magnetů byla navržena a vyvinuta americkými vědci Courantem, Livingstonem a Snyderem v roce 1952. Pár let před nimi bylo vynalezeno totéž, ale nepublikováno Christophilosem.

Zinověv okamžitě ocenil objev Američanů a navrhl přepracovat dubenský synchrofasotron. K tomu by ale musel být obětován čas. Veksler tehdy řekl: "Ne, ani na jeden den, ale musíme být před Američany." Pravděpodobně měl v podmínkách studené války pravdu - "koně se ve středním proudu nemění." A velký urychlovač se nadále stavěl podle dříve vypracovaného projektu. V roce 1953 byla na základě budovaného synchrofasotronu vytvořena Elektrofyzikální laboratoř Akademie věd SSSR (EFLAN). Jeho ředitelem byl jmenován V.I. Veksler.

V roce 1956 INP a EFLAN vytvořily základ zřízeného Společného ústavu pro jaderný výzkum (JINR). Jeho poloha se stala známou jako město Dubna. V té době byla energie protonu na synchrocyklotronu 680 MeV a stavba synchrofasotronu se dokončovala. Od prvních dnů vzniku SÚJV se jeho oficiálním symbolem stala stylizovaná kresba budovy synchrofasotronu (autor V.P. Bochkarev).

Model pomohl vyřešit řadu problémů pro 10 GeV akcelerátor, nicméně design mnoha uzlů doznal značných změn kvůli velkému rozdílu ve velikosti. Průměrný průměr synchrofasotronového elektromagnetu byl 60 metrů a hmotnost 36 tisíc tun (podle svých parametrů stále zůstává v Guinessově knize rekordů). Vznikla celá řada nových komplexních inženýrských problémů, které tým úspěšně vyřešil.

Konečně bylo vše připraveno na integrované spuštění akcelerátoru. Na příkaz Vekslera ji vedl L.P. Zinověv. Práce začaly na konci prosince 1956, situace byla napjatá a Vladimir Iosifovič nešetřil sebe ani své zaměstnance. Často jsme zůstávali přes noc na postýlkách přímo v obrovské řídící místnosti instalace. Podle memoárů A.A. Kolomenskij, Veksler vynaložil tehdy většinu své nevyčerpatelné energie na „vymáhání“ pomoci externích organizací a na uvádění praktických návrhů, pocházejících převážně od Zinověva, do praxe. Veksler si velmi cenil své experimentální intuice, která sehrála rozhodující roli při rozběhu obřího urychlovače.

Velmi dlouho nemohli získat režim betatron, bez kterého je start nemožný. A byl to Zinověv, kdo si v rozhodující chvíli uvědomil, co je potřeba udělat, aby synchrofasotronu vdechl život. Experiment, který se k radosti všech připravoval dva týdny, byl nakonec korunován úspěchem. Dne 15. března 1957 začal pracovat synchrofasotron Dubna, o čemž 11. dubna 1957 informoval celý svět deník Pravda (článek V.I.Vekslera). Zajímavé je, že tato zpráva se objevila až ve chvíli, kdy energie urychlovače, postupně navyšovaná ode dne startu, přesáhla energii 6,3 GeV v té době předního amerického synchrofasotronu v Berkeley. "Je tam 8,3 miliardy elektronvoltů!" - informovaly noviny a oznámily, že v Sovětském svazu byl vytvořen rekordní urychlovač. Vekslerův drahocenný sen se stal skutečností!

16. dubna dosáhla energie protonu projektované hodnoty 10 GeV, ale urychlovač byl uveden do provozu až o několik měsíců později, protože stále zbývalo dost nevyřešených technických problémů. A přesto to hlavní bylo pozadu – synchrofasotron začal fungovat.

Veksler to oznámil na druhém zasedání Akademické rady Spojeného institutu v květnu 1957. Zároveň ředitel ústavu D.I. Blokhintsev poznamenal, že za prvé, model synchrofasotronu byl vytvořen za rok a půl, zatímco v Americe to trvalo asi dva roky. Za druhé, samotný synchrofasotron byl vypuštěn za tři měsíce, splnil harmonogram, i když se to zpočátku zdálo nereálné. Právě start synchrofasotronu přinesl Dubně první světovou slávu.

Na třetím zasedání Akademické rady ústavu člen korespondent Akademie věd V.P. Dželepov poznamenal, že „Zinověv byl ve všech ohledech duší startu a vnesl do tohoto podnikání obrovské množství energie a úsilí, jmenovitě tvůrčí úsilí v průběhu nastavování stroje.“ A D.I. Blokhintsev dodal, že "Zinověv ve skutečnosti vydržel obrovskou práci na komplexním přizpůsobení."

Na vzniku synchrofasotronu se podílely tisíce lidí, ale zvláštní roli v tom sehrál Leonid Petrovič Zinověv. Veksler napsal: „Úspěch vypuštění synchrofasotronu a možnost zahájit na něm širokou frontu fyzických prací jsou do značné míry spojeny s účastí L.P. Zinověv.

Zinověv plánoval návrat do FIAN po spuštění urychlovače. Veksler ho však prosil, aby zůstal, domníval se, že řízením synchrofasotronu nemůže pověřit nikoho jiného. Zinověv souhlasil a dohlížel na práci urychlovače více než třicet let. Pod jeho vedením a za přímé účasti byl urychlovač neustále vylepšován. Zinověv miloval synchrofasotron a velmi jemně cítil dech tohoto železného obra. Podle něj nebyl jediný, byť sebemenší detail urychlovače, kterého by se nedotkl a jehož účel by neznal.

V říjnu 1957 bylo na rozšířeném zasedání Akademické rady Kurčatovova institutu, kterému předsedal sám Igor Vasiljevič, sedmnáct lidí z různých organizací, kteří se podíleli na vytvoření synchrofasotronu, nominováno na tehdejší nejprestižnější Leninovu cenu v Sovětském svazu. Unie. Počet laureátů ale podle podmínek nesměl přesáhnout dvanáct lidí. V dubnu 1959 ředitel Vysokoenergetické laboratoře SÚJV V.I. Veksler, vedoucí oddělení téže laboratoře L.P. Zinoviev, zástupce vedoucího hlavního ředitelství pro využití atomové energie v rámci Rady ministrů SSSR D.V. Efremov, ředitel Leningradského výzkumného ústavu E.G. Komar a jeho spolupracovníci N.A. Monoszon, A.M. Stolov, ředitel Moskevského radiotechnického institutu Akademie věd SSSR A.L. Mincovny, zaměstnanci stejného institutu F.A. Vodopjanov, S.M. Rubchinsky, zaměstnanci FIAN A.A. Kolomenský, V.A. Petukhov, M.S. Rabinovič. Veksler a Zinovjev se stali čestnými občany Dubny.

Synchrofasotron zůstal v provozu po dobu čtyřiceti pěti let. Během této doby na něm byla učiněna řada objevů. V roce 1960 byl synchrofasotronový model přeměněn na urychlovač elektronů, který ve FIANu funguje dodnes.

prameny

Literatura:
Kolomensky A. A., Lebedev A. N. Teorie cyklických urychlovačů. - M., 1962.
Komar EG nabité urychlovače částic. - M., 1964.
Livinggood J. Principy činnosti cyklických urychlovačů - M., 1963.
Oganesyan Yu Jak vznikl cyklotron / Věda a život, 1980 č. 4, str. 73.
Hill R. V brázdě částic - M., 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

A připomenu vám některá další nastavení: například a jak to vypadá. Pamatujte, co to je. Nebo možná nevíte? nebo co je Původní článek je na webu InfoGlaz.rf Odkaz na článek, ze kterého je tato kopie vytvořena -

Co je to synchrofasotron?

Nejprve se trochu ponoříme do historie. Potřeba tohoto zařízení poprvé vyvstala v roce 1938. Skupina fyziků z Leningradského institutu fyziky a technologie oslovila Molotova s ​​prohlášením, že SSSR potřebuje výzkumnou základnu pro studium struktury atomového jádra. Argumentovali tento požadavek tím, že takový studijní obor hraje velmi důležitou roli a Sovětský svaz v tuto chvíli poněkud zaostává za svými západními protějšky. Ve skutečnosti v Americe v té době již bylo 5 synchrofasotronů, v SSSR nebyl ani jeden. Bylo navrženo dokončit stavbu již započatého cyklotronu, jehož vývoj byl pozastaven z důvodu špatného financování a nedostatku kompetentního personálu.

Nakonec padlo rozhodnutí postavit synchrofasotron a Veksler stál v čele tohoto projektu. Stavba byla dokončena v roce 1957. Co je tedy synchrofasotron? Jednoduše řečeno, je to urychlovač částic. Vydává částice s obrovskou kinetickou energií. Je založen na proměnném vedoucím magnetickém poli a proměnné frekvenci hlavního pole. Tato kombinace umožňuje udržovat částice na konstantní oběžné dráze. Toto zařízení se používá ke studiu nejrozmanitějších vlastností částic a jejich interakce na vysokých energetických hladinách.

Zařízení má velmi zajímavé rozměry: zabírá celou budovu univerzity, jeho hmotnost je 36 tisíc tun a průměr magnetického prstence je 60 m. Docela působivé rozměry na zařízení, jehož hlavním úkolem je studovat částice, jejichž rozměry jsou měřeno v mikrometrech.

Princip činnosti synchrofasotronu

Mnoho fyziků se pokoušelo vyvinout zařízení, které by umožnilo urychlit částice a prozradit je obrovskou energií. Řešením tohoto problému je synchrofasotron. Jak to funguje a co je základem?

Začátek byl položen cyklotronem. Zvažte princip jeho fungování. Ionty, které urychlí, spadnou do vakua, kde se nachází hluboká. V tomto okamžiku jsou ionty ovlivněny magnetickým polem: pokračují v pohybu podél osy a získávají rychlost. Po překonání osy a zasažení další mezery začnou nabírat rychlost. Pro větší zrychlení je potřeba neustálé zvětšování poloměru oblouku. V tomto případě bude doba přepravy konstantní, i přes nárůst vzdálenosti. V důsledku zvýšení rychlosti je pozorováno zvýšení hmotnosti iontů.

Tento jev má za následek ztrátu rychlosti. To je hlavní nevýhoda cyklotronu. U synchrofasotronu je tento problém zcela odstraněn změnou indukce magnetického pole s vázanou hmotou a současně změnou frekvence dobíjení částic. To znamená, že energie částic je zvýšena v důsledku elektrického pole, což určuje směr v důsledku přítomnosti magnetického pole.