Se utiliza sincrofasotrón. Sincrofasotrón: qué es, principio de funcionamiento y descripción.

Todo el mundo sabe que en 1957 la URSS lanzó el primer satélite terrestre artificial del mundo. Sin embargo, pocas personas saben que en el mismo año la Unión Soviética comenzó a probar el sincrofasotrón, que es el progenitor del moderno Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra. El artículo discutirá qué es un sincrofasotrón y cómo funciona.

Respondiendo a la pregunta de qué es un sincrofasotrón, se debe decir que se trata de un dispositivo de alta tecnología y ciencia intensiva destinado al estudio del microcosmos. En particular, la idea del sincrofasotrón era la siguiente: con la ayuda de poderosos campos magnéticos creados por electroimanes, era necesario acelerar un haz de partículas elementales (protones) a altas velocidades y luego dirigir este haz hacia un objetivo. en reposo. De tal colisión, los protones tendrán que "romperse" en pedazos. No muy lejos del objetivo hay un detector especial: una cámara de burbujas. Este detector permite seguir las huellas dejadas por las partes de protones para investigar su naturaleza y propiedades.

¿Por qué fue necesario construir el sincrofasotrón de la URSS? En este experimento científico, que fue clasificado como "ultrasecreto", los científicos soviéticos intentaban encontrar una nueva fuente de energía más barata y eficiente que el uranio enriquecido. También se persiguieron los objetivos puramente científicos de un estudio más profundo de la naturaleza de las interacciones nucleares y el mundo de las partículas subatómicas.

El principio de funcionamiento del sincrofasotrón.

La descripción anterior de las tareas a las que se enfrentó el sincrofasotrón puede parecerles a muchos no demasiado difícil para su implementación en la práctica, pero no es así. A pesar de la simplicidad de la pregunta, ¿qué es un sincrofasotrón? Para acelerar los protones a las enormes velocidades requeridas, se necesitan voltajes eléctricos de cientos de miles de millones de voltios. Tales tensiones no pueden crearse ni siquiera en el momento actual. Por lo tanto, se decidió distribuir la energía bombeada en protones en el tiempo.

El principio de funcionamiento del sincrofasotrón era el siguiente: un haz de protones comienza su movimiento a lo largo de un túnel anular, en algún lugar de este túnel hay condensadores que crean una sobrecarga de energía en el momento en que el haz de protones vuela a través de ellos. Así, en cada vuelta hay una pequeña aceleración de protones. Después de que el haz de partículas haya realizado varios millones de revoluciones a través del túnel del sincrofasotrón, los protones alcanzarán las velocidades deseadas y se dirigirán al objetivo.

Cabe señalar que los electroimanes utilizados durante la aceleración de los protones desempeñaron un papel de guía, es decir, determinaron la trayectoria del haz, pero no participaron en su aceleración.

Problemas que enfrentan los científicos al realizar experimentos

Para comprender mejor qué es un sincrofasotrón y por qué su creación es un proceso muy complejo e intensivo en ciencia, se deben considerar los problemas que surgen durante su operación.

En primer lugar, cuanto mayor es la velocidad del haz de protones, mayor es la masa que empiezan a tener según la famosa ley de Einstein. A velocidades cercanas a la luz, la masa de partículas se vuelve tan grande que para mantenerlas en la trayectoria deseada, es necesario tener poderosos electroimanes. Cuanto mayor sea el tamaño del sincrofasotrón, se pueden colocar imanes más grandes.

En segundo lugar, la creación del sincrofasotrón también se vio complicada por las pérdidas de energía del haz de protones durante su aceleración circular, y cuanto mayor es la velocidad del haz, más significativas se vuelven estas pérdidas. Resulta que para acelerar el rayo a las gigantescas velocidades requeridas, es necesario tener enormes poderes.

¿Qué resultados se han obtenido?

Sin duda, los experimentos en el sincrofasotrón soviético hicieron una gran contribución al desarrollo de los campos modernos de la tecnología. Entonces, gracias a estos experimentos, los científicos soviéticos pudieron mejorar el proceso de procesamiento del uranio-238 usado y obtuvieron algunos datos interesantes al hacer colisionar iones acelerados de diferentes átomos con un objetivo.

Los resultados de los experimentos en el sincrofasotrón se utilizan hasta el día de hoy en la construcción de plantas de energía nuclear, cohetes espaciales y robótica. Los logros del pensamiento científico soviético se utilizaron en la construcción del sincrofasotrón más poderoso de nuestro tiempo, que es el Gran Colisionador de Hadrones. El propio acelerador soviético sirve a la ciencia de la Federación Rusa, estando en el Instituto FIAN (Moscú), donde se utiliza como acelerador de iones.

Qué es un sincrofasotrón: el principio de funcionamiento y los resultados obtenidos: todo sobre viajar al sitio

+ fase + electrón) es un acelerador cíclico resonante con la longitud de la órbita de equilibrio sin cambios durante la aceleración. Para que las partículas permanezcan en la misma órbita durante la aceleración, tanto el campo magnético principal como la frecuencia del campo eléctrico acelerador cambian. Este último es necesario para que el haz llegue a la sección de aceleración siempre en fase con el campo eléctrico de alta frecuencia. En el caso de que las partículas sean ultrarrelativistas, la frecuencia de revolución, con una longitud fija de la órbita, no cambia al aumentar la energía, y la frecuencia del generador de RF también debe permanecer constante. Tal acelerador ya se llama sincrotrón.

en la cultura

Fue este dispositivo que el alumno de primer grado "trabajó en el trabajo" en la famosa canción de Alla Pugacheva "La canción del alumno de primer grado". Synchrophasotron también se menciona en la comedia de Gaidai "Operation Y and Shurik's Other Adventures". Este dispositivo también se muestra como ejemplo de la aplicación de la Teoría de la Relatividad de Einstein en el cortometraje educativo "¿Qué es la teoría de la relatividad?". En espectáculos humorísticos de bajo intelecto, para el público en general, a menudo actúa como un dispositivo científico "incomprensible" o un ejemplo de alta tecnología.

Los parlamentarios del Reino Unido tardaron solo 15 minutos en decidir sobre una inversión pública de mil millones de libras esterlinas en la construcción del sincrofasotrón. Después de eso, durante una hora discutieron vigorosamente el costo del café, ni más ni menos, en el buffet parlamentario. Y sin embargo decidimos: rebajamos el precio un 15%.

Parecería que las tareas no son comparables en complejidad en absoluto y, según la lógica de las cosas, todo debería haber sucedido exactamente al revés. Una hora para la ciencia, 15 minutos para el café. ¡Pero no! Como resultó más tarde, la mayoría de los venerables políticos rápidamente dieron su más íntimo "a favor", sin tener absolutamente ninguna idea de lo que es un "sincrofasotrón".

Apreciado lector, llenemos junto a usted este vacío de conocimiento y no nos volvamos como la miopía científica de algunos compañeros.

¿Qué es un sincrofasotrón?

Sincrofasotrón - una instalación electrónica para la investigación científica - un acelerador cíclico de partículas elementales (neutrones, protones, electrones, etc.). Tiene la forma de un enorme anillo, con un peso de más de 36 mil toneladas. Sus imanes súper potentes y sus tubos aceleradores imbuyen partículas microscópicas con una energía direccional colosal. En las profundidades del resonador Phasotron, a una profundidad de 14,5 metros, se producen transformaciones realmente fantásticas a nivel físico: por ejemplo, un pequeño protón recibe 20 millones de electronvoltios y un ion pesado, 5 millones de eV. ¡Y esto es solo una modesta fracción de todas las posibilidades!

Es decir, gracias a las propiedades únicas del acelerador cíclico, los científicos lograron aprender los secretos más secretos del universo: estudiar la estructura de partículas insignificantemente pequeñas y los procesos fisicoquímicos que ocurren dentro de sus capas; observe la reacción de fusión con sus propios ojos; descubrir la naturaleza de objetos microscópicos hasta ahora desconocidos.

Phasotron marcó una nueva era de la investigación científica: un territorio de investigación donde el microscopio era impotente, sobre el cual incluso los innovadores de la ciencia ficción hablaron con gran cautela (¡su vuelo creativo con visión de futuro no podía predecir los descubrimientos realizados!).

Historia del sincrofasotrón

Inicialmente, los aceleradores eran lineales, es decir, no tenían una estructura cíclica. Pero pronto los físicos tuvieron que abandonarlos. Los requisitos para los valores de energía aumentaron, se necesitaba más. Pero la construcción lineal no pudo hacer frente: los cálculos teóricos mostraron que para estos valores, debe tener una longitud increíble.

• en 1929 El estadounidense E. Lawrence intenta resolver este problema e inventa el ciclotrón, el prototipo del fasotrón moderno. Las pruebas van bien. Diez años después, en 1939. Lawrence recibe el Premio Nobel.
• en 1938 en la URSS, el talentoso físico VI Veksler comenzó a abordar activamente el tema de la creación y mejora de los aceleradores. en febrero de 1944 se le ocurre una idea revolucionaria sobre cómo superar la barrera energética. Veksler llama a su método "autophasing". Exactamente un año después, E. Macmillan, un científico de los EE. UU., descubre la misma tecnología de forma completamente independiente.
• En 1949 en la Unión Soviética bajo el liderazgo de V.I. Veksler y S. I. Vavilov, se está desarrollando un proyecto científico a gran escala: la creación de un sincrofasotrón con una capacidad de 10 mil millones de electronvoltios. Durante 8 años, sobre la base del Instituto de Investigación Nuclear de la ciudad de Dubno en Ucrania, un grupo de físicos teóricos, diseñadores e ingenieros ha estado trabajando minuciosamente en la instalación. Por lo tanto, también se le llama sincrofasotrón de Dubninsk.

El sincrofasotrón se puso en funcionamiento en marzo de 1957, seis meses antes del vuelo al espacio del primer satélite terrestre artificial.

¿Qué investigación se lleva a cabo en el sincrofasotrón?

El acelerador cíclico resonante de Wexler dio origen a una galaxia de descubrimientos sobresalientes en muchos aspectos de la física fundamental y, en particular, en algunos problemas controvertidos y poco estudiados de la teoría de la relatividad de Einstein:

• el comportamiento de la estructura de quarks de los núcleos en el proceso de interacción;
• la formación de partículas acumulativas como resultado de reacciones que involucran núcleos;
• estudio de las propiedades de los deuterones acelerados;
• interacción de iones pesados ​​​​con objetivos (comprobación de la resistencia de los microcircuitos);
• eliminación de uranio-238.

Los resultados obtenidos en estas áreas se aplican con éxito en la construcción de naves espaciales, el diseño de centrales nucleares, el desarrollo de robótica y equipos para trabajar en condiciones extremas. Pero lo más asombroso es que una serie de estudios realizados en el sincrofasotrón está acercando cada vez más a los científicos a desentrañar el gran misterio del origen del Universo.

¡Aquí está la palabra sutilmente familiar "sincrofasotrón"! ¿Recuérdame cómo llegó a los oídos de un simple laico en la Unión Soviética? Había una especie de película o una canción popular, algo, ¡lo recuerdo exactamente! ¿O era solo un análogo de una palabra impronunciable?

Y ahora recordemos qué es y cómo se creó ...

En 1957, la Unión Soviética hizo un avance científico revolucionario en dos direcciones a la vez: en octubre, se lanzó el primer satélite artificial de la Tierra, y unos meses antes, en marzo, comenzó el legendario sincrofasotrón, una instalación gigante para estudiar el micromundo. operando en Dubna. Estos dos eventos conmocionaron al mundo entero, y las palabras "satélite" y "sincrofasotrón" han entrado firmemente en nuestras vidas.

El sincrofasotrón es uno de los tipos de aceleradores de partículas cargadas. Las partículas en ellos se aceleran a altas velocidades y, en consecuencia, a altas energías. Por el resultado de sus colisiones con otras partículas atómicas, se juzgan la estructura y propiedades de la materia. La probabilidad de colisiones viene determinada por la intensidad del haz de partículas acelerado, es decir, por el número de partículas que contiene, por lo que la intensidad, junto con la energía, es un parámetro importante del acelerador.

Los aceleradores alcanzan tamaños descomunales, y no es casualidad que el escritor Vladimir Kartsev los llamara pirámides de la era nuclear, por las cuales los descendientes juzgarán el nivel de nuestra tecnología.

Antes de la construcción de los aceleradores, los rayos cósmicos eran la única fuente de partículas de alta energía. Básicamente, se trata de protones con una energía del orden de varios GeV, provenientes libremente del espacio, y partículas secundarias que surgen cuando interactúan con la atmósfera. Pero el flujo de rayos cósmicos es caótico y tiene baja intensidad, por lo tanto, con el tiempo, comenzaron a crearse instalaciones especiales para la investigación de laboratorio: aceleradores con haces de partículas controlados de alta energía y mayor intensidad.

El funcionamiento de todos los aceleradores se basa en un hecho bien conocido: una partícula cargada es acelerada por un campo eléctrico. Sin embargo, es imposible obtener partículas de muy alta energía acelerándolas una sola vez entre dos electrodos, ya que esto requeriría aplicarles un voltaje enorme, lo cual es técnicamente imposible. Por lo tanto, las partículas de alta energía se obtienen pasándolas repetidamente entre los electrodos.

Los aceleradores en los que una partícula pasa a través de intervalos de aceleración consecutivos se denominan lineales. El desarrollo de los aceleradores comenzó con ellos, pero el requisito de aumentar la energía de las partículas condujo a instalaciones de longitudes casi irreales.

En 1929, el científico estadounidense E. Lawrence propuso el diseño de un acelerador en el que la partícula se mueve en espiral, pasando repetidamente por el mismo espacio entre dos electrodos. La trayectoria de la partícula es doblada y retorcida por un campo magnético uniforme dirigido perpendicularmente al plano de la órbita. El acelerador se llamaba ciclotrón. En 1930-1931, Lawrence y sus colaboradores construyeron el primer ciclotrón en la Universidad de California (EE.UU.). Por este invento, recibió el Premio Nobel en 1939.

En un ciclotrón, un gran electroimán crea un campo magnético uniforme y surge un campo eléctrico entre dos electrodos huecos en forma de D (de ahí su nombre: "dees"). Se aplica un voltaje alterno a los electrodos, que invierte la polaridad cada vez que la partícula da media vuelta. Debido a esto, el campo eléctrico siempre acelera las partículas. Esta idea no podría realizarse si las partículas con diferentes energías tuvieran diferentes períodos de revolución. Pero, afortunadamente, aunque la velocidad aumenta al aumentar la energía, el período de revolución permanece constante, ya que el diámetro de la trayectoria aumenta en la misma proporción. Es esta propiedad del ciclotrón la que hace posible utilizar una frecuencia constante del campo eléctrico para la aceleración.

Pronto comenzaron a crearse ciclotrones en otros laboratorios de investigación.

Edificio sincrofasotrón en la década de 1950

La necesidad de crear una base aceleradora seria en la Unión Soviética se anunció a nivel gubernamental en marzo de 1938. Un grupo de investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Leningrado (LFTI), encabezado por el académico A.F. Ioffe se dirigió al presidente del Consejo de Comisarios del Pueblo de la URSS V.M. Molotov con una carta proponiendo la creación de una base técnica para la investigación en el campo de la estructura del núcleo atómico. Las cuestiones de la estructura del núcleo atómico se convirtieron en uno de los problemas centrales de las ciencias naturales, y la Unión Soviética se retrasó mucho en su solución. Entonces, si en América había al menos cinco ciclotrones, entonces en la Unión Soviética no había ni uno solo (el único ciclotrón del Radium Institute of the Academy of Sciences (RIAN), lanzado en 1937, prácticamente no funcionó debido a defectos de diseño). La apelación a Molotov contenía una solicitud para crear condiciones para la finalización antes del 1 de enero de 1939 de la construcción del ciclotrón LPTI. Los trabajos para su creación, que se iniciaron en 1937, se suspendieron por inconsistencias departamentales y la terminación de la financiación.

En efecto, al momento de escribir la carta, existía un claro malentendido en los círculos gubernamentales del país sobre la relevancia de la investigación en el campo de la física atómica. Según las memorias de M.G. Meshcheryakov, en 1938 incluso se planteó la cuestión de liquidar el Instituto Radium, que, según algunos, se dedicaba a investigaciones inútiles sobre uranio y torio, mientras que el país se esforzaba por aumentar la extracción de carbón y la fundición de acero.

La carta a Molotov tuvo efecto, y ya en junio de 1938, una comisión de la Academia de Ciencias de la URSS, encabezada por P.L. Kapitsa, a pedido del gobierno, concluyó sobre la necesidad de construir un ciclotrón LPTI de 10-20 MeV, dependiendo del tipo de partículas aceleradas, y mejorar el ciclotrón RIAN.

En noviembre de 1938 S.I. Vavilov, en su apelación al Presidium de la Academia de Ciencias, propuso construir el ciclotrón LFTI en Moscú y transferir el laboratorio de I.V. Kurchatov, quien participó en su creación. Sergei Ivanovich quería que el laboratorio central para el estudio del núcleo atómico estuviera ubicado en el mismo lugar donde estaba ubicada la Academia de Ciencias, es decir, en Moscú. Sin embargo, no fue apoyado por la LFTI. Las disputas terminaron a fines de 1939, cuando A.F. Ioffe propuso crear tres ciclotrones a la vez. El 30 de julio de 1940, en una reunión del Presidium de la Academia de Ciencias de la URSS, se decidió instruir a RIAN este año para equipar el ciclotrón existente, FIAN para preparar los materiales necesarios para la construcción de un nuevo ciclotrón potente para el 15 de octubre. , y LFTI para completar la construcción del ciclotrón en el primer trimestre de 1941.

En relación con esta decisión, se creó la llamada brigada ciclotrón en FIAN, que incluía a Vladimir Iosifovich Veksler, Sergei Nikolaevich Vernov, Pavel Alekseevich Cherenkov, Leonid Vasilyevich Groshev y Evgeny Lvovich Feinberg. El 26 de septiembre de 1940, la oficina del Departamento de Ciencias Físicas y Matemáticas (OPMS) escuchó información de V.I. Veksler sobre la tarea de diseño del ciclotrón, aprobó sus principales características y estimación de construcción. El ciclotrón fue diseñado para acelerar deuterones hasta una energía de 50 MeV. FIAN planeó iniciar su construcción en 1941 y ponerlo en funcionamiento en 1943. Los planes planificados fueron interrumpidos por la guerra.

La urgente necesidad de crear una bomba atómica obligó a la Unión Soviética a movilizar esfuerzos en el estudio del micromundo. Se construyeron dos ciclotrones uno tras otro en el Laboratorio No. 2 en Moscú (1944, 1946); en Leningrado, tras el levantamiento del bloqueo, se restauraron los ciclotrones de la RIAN y LFTI (1946).

Aunque el proyecto del ciclotrón de Fianovsky fue aprobado antes de la guerra, quedó claro que el diseño de Lawrence se había agotado, ya que la energía de los protones acelerados no podía superar los 20 MeV. Es a partir de esta energía que comienza a afectar el efecto de un aumento en la masa de una partícula a velocidades proporcionales a la velocidad de la luz, lo que se deriva de la teoría de la relatividad de Einstein.

Debido al crecimiento de la masa, se viola la resonancia entre el paso de la partícula a través del espacio de aceleración y la fase correspondiente del campo eléctrico, lo que conlleva una desaceleración.

Cabe señalar que el ciclotrón está diseñado para acelerar solo partículas pesadas (protones, iones). Esto se debe al hecho de que, debido a la masa en reposo demasiado pequeña, el electrón ya a energías de 1–3 MeV alcanza una velocidad cercana a la velocidad de la luz, como resultado de lo cual su masa aumenta notablemente y la partícula se desplaza rápidamente. fuera de resonancia.

El primer acelerador cíclico de electrones fue el betatrón construido por Kerst en 1940 basado en la idea de Wideröe. El betatrón se basa en la ley de Faraday, según la cual, cuando cambia el flujo magnético que penetra en un circuito cerrado, surge una fuerza electromotriz en este circuito. En un betatrón, un circuito cerrado es una corriente de partículas que se mueven a lo largo de una órbita anular en una cámara de vacío de radio constante en un campo magnético que aumenta gradualmente. Cuando el flujo magnético dentro de la órbita aumenta, surge una fuerza electromotriz, cuya componente tangencial acelera los electrones. En el betatrón, como en el ciclotrón, existe un límite para la producción de partículas de muy alta energía. Esto se debe a que, según las leyes de la electrodinámica, los electrones que se mueven en órbitas circulares emiten ondas electromagnéticas, que se llevan mucha energía a velocidades relativistas. Para compensar estas pérdidas, es necesario aumentar significativamente el tamaño del núcleo del imán, que tiene un límite práctico.

Así, a principios de la década de 1940, se agotaron las posibilidades de obtener mayores energías tanto para los protones como para los electrones. Para estudios posteriores del microcosmos, era necesario aumentar la energía de las partículas aceleradas, por lo que la tarea de encontrar nuevos métodos de aceleración se hizo más aguda.

En febrero de 1944 V.I. Veksler presentó una idea revolucionaria de cómo superar la barrera energética del ciclotrón y betatrón. Era tan simple que parecía extraño que no se hubiera abordado antes. La idea era que durante la aceleración resonante, las frecuencias de revolución de las partículas y el campo acelerador debían coincidir constantemente, es decir, estar sincronizados. Al acelerar partículas relativistas pesadas en un ciclotrón para la sincronización, se propuso cambiar la frecuencia del campo eléctrico de aceleración de acuerdo con una determinada ley (más tarde, dicho acelerador se denominó sincrociclotrón).

Para acelerar los electrones relativistas, se propuso un acelerador, más tarde llamado sincrotrón. En él, la aceleración la realiza un campo eléctrico alterno de frecuencia constante, y el sincronismo lo proporciona un campo magnético que cambia según una determinada ley, que mantiene a las partículas en una órbita de radio constante.

Para efectos prácticos, era necesario asegurarse teóricamente que los procesos de aceleración propuestos son estables, es decir, con pequeñas desviaciones de la resonancia, el desfasaje de las partículas se realizará automáticamente. El físico teórico del equipo de ciclotrones E.L. Feinberg llamó la atención de Veksler sobre esto y él mismo demostró la estabilidad de los procesos de una manera estrictamente matemática. Es por eso que la idea de Wexler se denominó "principio de autofase".

Para discutir la solución obtenida, FIAN realizó un seminario en el que Veksler realizó un informe introductorio y Feinberg un informe sobre estabilidad. El trabajo fue aprobado, y en el mismo 1944, la revista "Reportes de la Academia de Ciencias de la URSS" publicó dos artículos en los que se consideraban nuevos métodos de aceleración (el primer artículo trataba sobre un acelerador basado en múltiples frecuencias, luego llamado un microtrón). Solo Veksler figuraba como su autor, y el nombre de Feinberg no se mencionaba en absoluto. Muy pronto, el papel de Feinberg en el descubrimiento del principio de autophasing fue inmerecidamente relegado al completo olvido.

Un año después, el físico estadounidense E. MacMillan descubrió de forma independiente el principio de autofase, pero Wexler mantuvo la prioridad.

Cabe señalar que en los aceleradores basados ​​​​en el nuevo principio, la "regla del apalancamiento" se manifestó de forma explícita: la ganancia de energía condujo a una pérdida en la intensidad del haz de partículas aceleradas, que está asociada con la ciclicidad. de su aceleración, en contraste con la suave aceleración en ciclotrones y betatrones. Este desagradable momento fue señalado de inmediato en la sesión del Departamento de Ciencias Físicas y Matemáticas del 20 de febrero de 1945, pero luego todos llegaron a la conclusión unánime de que esta circunstancia en ningún caso debería interferir con la implementación del proyecto. Aunque, por cierto, la lucha por la intensidad molestó constantemente a los "aceleradores".

En la misma sesión, a sugerencia del Presidente de la Academia de Ciencias de la URSS S.I. Vavilov, se decidió construir inmediatamente los dos tipos de aceleradores propuestos por Veksler. El 19 de febrero de 1946, el Comité Especial dependiente del Consejo de Comisarios del Pueblo de la URSS instruyó a la comisión correspondiente para desarrollar sus proyectos, indicando la capacidad, tiempo de producción y lugar de construcción. (La FIAN se negó a crear un ciclotrón).

Como resultado, el 13 de agosto de 1946, se emitieron simultáneamente dos decretos del Consejo de Ministros de la URSS, firmados por el Presidente del Consejo de Ministros de la URSS I.V. Stalin y el gerente del Consejo de Ministros de la URSS Ya.E. Chadaev, sobre la creación de un sincrociclotrón para una energía de deuterón de 250 MeV y un sincrotrón para una energía de 1 GeV. La energía de los aceleradores estuvo dictada principalmente por el enfrentamiento político entre los EE.UU. y la URSS. Estados Unidos ya ha construido un sincrociclotrón con una energía de deuterón de unos 190 MeV y ha comenzado a construir un sincrotrón con una energía de 250 a 300 MeV. Se suponía que los aceleradores domésticos superarían a los estadounidenses en términos de energía.

Se depositaron esperanzas en el sincrociclotrón para el descubrimiento de nuevos elementos, nuevos métodos para obtener energía atómica de fuentes más baratas que el uranio. Con la ayuda del sincrotrón, pretendían obtener mesones de forma artificial, que, como suponían los físicos soviéticos de la época, eran capaces de provocar la fisión nuclear.

Ambos decretos salieron con el sello "Top Secret (carpeta especial)", ya que la construcción de aceleradores formaba parte del proyecto para crear una bomba atómica. Con su ayuda, se esperaba obtener una teoría precisa de las fuerzas nucleares, necesaria para los cálculos de bombas, que en ese momento se llevaban a cabo solo con la ayuda de un gran conjunto de modelos aproximados. Es cierto que todo resultó no ser tan simple como se pensó al principio, y debe tenerse en cuenta que tal teoría no se ha creado hasta el día de hoy.

Las resoluciones determinaron los sitios de construcción de los aceleradores: el sincrotrón - en Moscú, en la Carretera Kaluga (ahora Leninsky Prospekt), en el territorio de FIAN; sincrociclotrón: en el área de la central hidroeléctrica Ivankovskaya, a 125 kilómetros al norte de Moscú (en ese momento, la región de Kalinin). Inicialmente, la creación de ambos aceleradores estuvo a cargo de FIAN. VI Veksler, y para el sincrociclotrón - D.V. Skobeltsyn.

A la izquierda - Doctor en Ciencias Técnicas Profesor L.P. Zinoviev (1912–1998), a la derecha - Académico de la Academia de Ciencias de la URSS V.I. Veksler (1907-1966) durante la creación del sincrofasotrón

Seis meses después, el jefe del proyecto atómico, I.V. Kurchatov, insatisfecho con el progreso del trabajo en el sincrociclotrón de Fianovo, transfirió este tema a su Laboratorio No. 2. Nombró a M.G. Meshcheryakov, liberándolo del trabajo en el Instituto del Radio de Leningrado. Bajo la dirección de Meshcheryakov, se creó un modelo de sincrociclotrón en el Laboratorio No. 2, que ya ha confirmado experimentalmente la corrección del principio de autofase. En 1947, comenzó la construcción de un acelerador en la región de Kalinin.

14 de diciembre de 1949 bajo el liderazgo de M.G. El Sincrociclotrón Meshcheryakov se lanzó con éxito en la fecha prevista y se convirtió en el primer acelerador de este tipo en la Unión Soviética, bloqueando la energía de un acelerador similar creado en 1946 en Berkeley (EE.UU.). Siguió siendo un récord hasta 1953.

Inicialmente, el laboratorio basado en el sincrociclotrón se denominó Laboratorio Hidrotécnico de la Academia de Ciencias de la URSS (GTL) en aras del secreto y era una rama del Laboratorio No. 2. En 1953 se transformó en un Instituto independiente de Problemas Nucleares de la Academia de Ciencias de la URSS (INP), encabezada por M.G. Meshcheryakov.

Académico de la Academia de Ciencias de Ucrania A.I. Leipunsky (1907–1972), basado en el principio de autophasing, propuso el diseño de un acelerador, más tarde llamado sincrofasotrón (foto: Science and Life)
La creación del sincrotrón fracasó por varias razones. Primero, debido a dificultades imprevistas, se tuvieron que construir dos sincrotrones para energías más bajas: 30 y 250 MeV. Estaban ubicados en el territorio de FIAN, y se decidió construir el sincrotrón de 1 GeV fuera de Moscú. En junio de 1948, se le asignó un lugar a pocos kilómetros del sincrociclotrón que ya se estaba construyendo en la región de Kalinin, pero tampoco se llegó a construir allí, ya que se dio preferencia al acelerador propuesto por Alexander Ilyich Leipunsky, académico de la Academia Ucraniana de Ciencias. Ciencias. Ocurrió de la siguiente manera.

En 1946 I.A. Leipunsky, basándose en el principio de autophasing, planteó la idea de la posibilidad de crear un acelerador en el que se combinaran las características de un sincrotrón y un sincrociclotrón. Posteriormente, Veksler llamó a este tipo de acelerador sincrofasotrón. El nombre queda claro si tenemos en cuenta que el sincrociclotrón se llamaba originalmente fasotrón, y en conjunto con el sincrotrón se obtiene un sincrofasotrón. En él, como resultado de un cambio en el campo magnético de control, las partículas se mueven a lo largo del anillo, como en un sincrotrón, y la aceleración produce un campo eléctrico de alta frecuencia, cuya frecuencia varía con el tiempo, como en un sincrociclotrón. Esto hizo posible aumentar significativamente la energía de los protones acelerados en comparación con el sincrociclotrón. En el sincrofasotrón, los protones se aceleran preliminarmente en un acelerador lineal, un inyector. Las partículas introducidas en la cámara principal bajo la acción de un campo magnético comienzan a circular por ella. Este modo se llama modo betatrón. Luego, el voltaje de aceleración de alta frecuencia se enciende en los electrodos colocados en dos espacios rectilíneos diametralmente opuestos.

De los tres tipos de aceleradores basados ​​en el principio de autofasaje, el sincrofasotrón es técnicamente el más complejo, y muchos dudaron de la posibilidad de su creación. Pero Leipunsky, confiado en que todo saldría bien, se dedicó audazmente a implementar su idea.

En 1947, en el Laboratorio "B" cerca de la estación Obninskoye (ahora la ciudad de Obninsk), un grupo acelerador especial bajo su dirección comenzó a desarrollar un acelerador. Los primeros teóricos del sincrofasotrón fueron Yu.A. Krutkov, O. D. Kazachkovsky y L.L. Sabsovich. En febrero de 1948, se llevó a cabo una conferencia cerrada sobre aceleradores a la que, además de los ministros, asistieron A.L. Mints, un conocido especialista en ingeniería de radio en ese momento, e ingenieros jefes de las plantas de transformadores y electrosila de Leningrado. Todos ellos afirmaron que el acelerador propuesto por Leipun se podía hacer. Los alentadores primeros resultados teóricos y el apoyo de ingenieros de plantas líderes permitieron comenzar a trabajar en un proyecto técnico específico para un gran acelerador para energías de protones de 1,3–1,5 GeV y desarrollar trabajos experimentales que confirmaron la exactitud de la idea de Leipunsky. En diciembre de 1948, el diseño técnico del acelerador estaba listo y en marzo de 1949, Leipunsky debía presentar un diseño preliminar del sincrofasotrón de 10 GeV.

Y de repente, en 1949, en pleno apogeo de la obra, el gobierno decidió transferir a FIAN el trabajo del sincrofasotrón que había comenzado. ¿Para qué? ¿Por qué? ¡Después de todo, FIAN ya está construyendo un sincrotrón de 1 GeV! Sí, el hecho es que ambos proyectos, tanto el sincrotrón de 1,5 GeV como el sincrotrón de 1 GeV, eran demasiado caros y surgió la duda de su conveniencia. Finalmente se resolvió en una de las reuniones especiales en FIAN, donde se reunieron los principales físicos del país. Consideraron innecesario construir un sincrotrón de 1 GeV debido a la falta de interés en la aceleración de electrones. El principal oponente de esta posición fue M.A. Markov. Su principal argumento fue que es mucho más eficiente estudiar tanto los protones como las fuerzas nucleares con la ayuda de la ya bien estudiada interacción electromagnética. Sin embargo, no pudo defender su punto de vista y una decisión positiva resultó ser a favor del proyecto de Leipunsky.

Así se ve el sincrofasotrón de 10 GeV en Dubna

El anhelado sueño de Veksler de construir el acelerador más grande se estaba desmoronando. No queriendo aguantar la situación actual, él, con el apoyo de S.I. Vavilov y D. V. Skobeltsyna sugirió abandonar la construcción de un sincrofasotrón de 1,5 GeV y proceder inmediatamente al diseño de un acelerador de 10 GeV, previamente confiado a A.I. Leipunsky. El gobierno aceptó esta propuesta, porque en abril de 1948 se supo del proyecto de sincrofasotrón de 6–7 GeV en la Universidad de California y querían adelantarse a Estados Unidos al menos por un tiempo.

El 2 de mayo de 1949, el Consejo de Ministros de la URSS emitió una resolución sobre la creación de un sincrofasotrón para una energía de 7 a 10 GeV en el territorio previamente asignado para el sincrotrón. El tema fue transferido a FIAN y V.I. Veksler, aunque el negocio de Leipunsky iba bastante bien.

Esto puede explicarse, en primer lugar, por el hecho de que Veksler fue considerado el autor del principio de autofase y, según las memorias de sus contemporáneos, L.P. lo favoreció mucho. Beria. En segundo lugar, S. I. Vavilov era en ese momento no solo el director de FIAN, sino también el presidente de la Academia de Ciencias de la URSS. Se le ofreció a Leipunsky convertirse en adjunto de Veksler, pero él se negó y luego no participó en la creación del sincrofasotrón. Según el diputado Leipunsky O.D. Kazachkovsky, "estaba claro que dos osos no podían llevarse bien en una guarida". Posteriormente, A. I. Leipunsky y O.D. Kazachkovsky se convirtió en destacado especialista en reactores y en 1960 recibió el Premio Lenin.

La resolución contenía una cláusula sobre el traslado a labores de FIAN de los empleados del Laboratorio "V", que se dedicaban al desarrollo del acelerador, con el traslado de los equipos correspondientes. Y había algo que transmitir: el trabajo sobre el acelerador en el Laboratorio "B" en ese momento había sido llevado a la etapa de un modelo y fundamentación de las decisiones principales.

No todos estaban entusiasmados con la transferencia a FIAN, ya que fue fácil e interesante trabajar con Leipunsky: no solo fue un excelente asesor científico, sino también una persona maravillosa. Sin embargo, era casi imposible rechazar un traslado: en ese duro momento, la negativa amenazaba con juicios y campamentos.

El grupo transferido del Laboratorio "B" incluía al ingeniero Leonid Petrovich Zinoviev. Él, como otros miembros del grupo de aceleradores, en el laboratorio de Leipunsky se dedicó por primera vez al desarrollo de los componentes individuales necesarios para el modelo del futuro acelerador, en particular, la fuente de iones y los circuitos de pulsos de alto voltaje para alimentar el inyector. Leipunsky inmediatamente llamó la atención sobre un ingeniero competente y creativo. Siguiendo sus instrucciones, Zinoviev fue el primero en participar en la creación de una planta piloto en la que era posible simular todo el proceso de aceleración de protones. Entonces nadie podría haber imaginado que, habiéndose convertido en uno de los pioneros en el trabajo para dar vida a la idea del sincrofasotrón, Zinoviev sería la única persona que pasaría por todas las etapas de su creación y mejora. Y no solo pasar, sino guiarlos.

Los resultados teóricos y experimentales obtenidos en el Laboratorio "V" se utilizaron en el Instituto de Física Lebedev en el diseño del sincrofasotrón de 10 GeV. Sin embargo, aumentar la energía del acelerador a este valor requirió mejoras significativas. Las dificultades de su creación se vieron agravadas en gran medida por el hecho de que en ese momento no había experiencia en la construcción de instalaciones tan grandes en todo el mundo.

Bajo la guía de los teóricos M.S. Rabinovich y A.A. Kolomensky en FIAN hizo una justificación física del proyecto técnico. Los componentes principales del sincrofasotrón fueron desarrollados por el Instituto de Ingeniería de Radio de Moscú de la Academia de Ciencias y el Instituto de Investigación de Leningrado bajo la dirección de sus directores A.L. Mentas y E.G. Mosquito.

Para obtener la experiencia necesaria, decidimos construir un modelo de sincrofasotrón para una energía de 180 MeV. Estaba ubicado en el territorio de FIAN en un edificio especial que, por razones de secreto, se denominó almacén No. 2. A principios de 1951, Veksler confió a Zinoviev todo el trabajo en el modelo, incluida la instalación del equipo, ajuste y su lanzamiento integrado.

El modelo de Fianovsky no era de ninguna manera un bebé: su imán con un diámetro de 4 metros pesaba 290 toneladas. Posteriormente, Zinoviev recordó que cuando ensamblaron el modelo de acuerdo con los primeros cálculos e intentaron ponerlo en marcha, al principio nada funcionó. Muchas dificultades técnicas imprevistas tuvieron que ser superadas antes de lanzar el modelo. Cuando esto sucedió en 1953, Veksler dijo: “¡Bueno, eso es todo! ¡El sincrofasotrón de Ivankovsky funcionará!” Se trataba de un gran sincrofasotrón de 10 GeV, que ya había comenzado a construirse en 1951 en la región de Kalinin. La construcción fue realizada por una organización con nombre en código TDS-533 (Dirección Técnica de Construcción 533).

Poco antes del lanzamiento del modelo, una revista estadounidense publicó inesperadamente un reportaje sobre un nuevo diseño del sistema magnético del acelerador, denominado hard-focusing. Se realiza como un conjunto de secciones alternas con gradientes de campo magnético de dirección opuesta. Esto reduce significativamente la amplitud de las oscilaciones de las partículas aceleradas, lo que a su vez permite reducir significativamente la sección transversal de la cámara de vacío. Como resultado, se ahorra una gran cantidad de hierro, que se destina a la construcción del imán. Por ejemplo, el acelerador de 30 GeV de Ginebra, basado en el enfoque duro, tiene tres veces la energía y tres veces la circunferencia del sincrofasotrón de Dubna, y su imán es diez veces más ligero.

El diseño de imanes de enfoque duro fue propuesto y desarrollado por los científicos estadounidenses Courant, Livingston y Snyder en 1952. Unos años antes que ellos, Christophilos inventó lo mismo, pero no lo publicó.

Zinoviev inmediatamente apreció el descubrimiento de los estadounidenses y propuso rediseñar el sincrofasotrón Dubna. Pero para esto habría que sacrificar tiempo. Veksler dijo entonces: "No, ni siquiera por un día, pero debemos adelantarnos a los estadounidenses". Probablemente, en las condiciones de la Guerra Fría, tenía razón: "los caballos no se cambian a mitad de camino". Y el gran acelerador continuó construyéndose de acuerdo con el proyecto desarrollado anteriormente. En 1953, sobre la base del sincrofasotrón en construcción, se creó el Laboratorio de Electrofísica de la Academia de Ciencias de la URSS (EFLAN). VI fue nombrado su director. Veksler.

En 1956, el INP y EFLAN formaron la base del Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares (JINR). Su ubicación se hizo conocida como la ciudad de Dubna. En ese momento, la energía de los protones en el sincrociclotrón era de 680 MeV y la construcción del sincrofasotrón se estaba completando. Desde los primeros días de la formación de JINR, el dibujo estilizado del edificio sincrofasotrón (autor V.P. Bochkarev) se convirtió en su símbolo oficial.

El modelo ayudó a resolver una serie de problemas del acelerador de 10 GeV, pero el diseño de muchos nodos ha sufrido cambios significativos debido a la gran diferencia de tamaño. El diámetro promedio del electroimán sincrofasotrón era de 60 metros y el peso de 36 mil toneladas (según sus parámetros, aún permanece en el Libro Guinness de los Récords). Surgió toda una gama de nuevos problemas de ingeniería complejos, que el equipo resolvió con éxito.

Finalmente, todo estaba listo para el lanzamiento integrado del acelerador. Por orden de Veksler, fue dirigida por L.P. Zinoviev. El trabajo comenzó a fines de diciembre de 1956, la situación era tensa y Vladimir Iosifovich no se perdonó ni a él ni a sus empleados. A menudo pasábamos la noche en catres en la enorme sala de control de la instalación. Según las memorias de A.A. Kolomensky, Veksler dedicó la mayor parte de su inagotable energía en ese momento a "extorsionar" la ayuda de organizaciones externas y a poner en práctica propuestas prácticas, en gran parte provenientes de Zinoviev. Veksler valoró mucho su intuición experimental, que jugó un papel decisivo en la puesta en marcha del acelerador gigante.

Durante mucho tiempo no pudieron obtener el modo betatron, sin el cual el lanzamiento es imposible. Y fue Zinoviev quien, en el momento crucial, se dio cuenta de lo que había que hacer para dar vida al sincrofasotrón. El experimento, que se preparó durante dos semanas, para alegría de todos, finalmente se coronó con éxito. El 15 de marzo de 1957, el sincrofasotrón Dubna comenzó a funcionar, lo que fue informado a todo el mundo por el periódico Pravda el 11 de abril de 1957 (artículo de V.I. Veksler). Curiosamente, esta noticia apareció solo cuando la energía del acelerador, que se elevó gradualmente desde el día del lanzamiento, superó la energía de 6,3 GeV en ese momento, el principal sincrofasotrón estadounidense en Berkeley. "¡Hay 8.300 millones de electronvoltios!" - informó el periódico, anunciando que se había creado un acelerador de registros en la Unión Soviética. ¡El preciado sueño de Veksler se ha hecho realidad!

El 16 de abril, la energía del protón alcanzó el valor de diseño de 10 GeV, pero el acelerador se puso en funcionamiento solo unos meses después, ya que aún quedaban bastantes problemas técnicos sin resolver. Y, sin embargo, lo principal estaba detrás: el sincrofasotrón comenzó a funcionar.

Veksler informó esto en la segunda sesión del Consejo Académico del Instituto Conjunto en mayo de 1957. A su vez, el director del instituto D.I. Blokhintsev señaló que, en primer lugar, el modelo de sincrofasotrón se creó en un año y medio, mientras que en Estados Unidos tomó alrededor de dos años. En segundo lugar, el propio sincrofasotrón se puso en marcha en tres meses, cumpliendo el calendario, aunque al principio parecía poco realista. Fue el lanzamiento del sincrofasotrón lo que le dio a Dubna su primera fama mundial.

En la tercera sesión del Consejo Académico del Instituto, Miembro Correspondiente de la Academia de Ciencias V.P. Dzhelepov señaló que "Zinoviev fue en todos los aspectos el alma del lanzamiento y aportó una enorme cantidad de energía y esfuerzo a este negocio, es decir, esfuerzos creativos en el curso de la instalación de la máquina". un D. I. Blokhintsev agregó que "Zinoviev realmente soportó el enorme trabajo de ajuste complejo".

Miles de personas participaron en la creación del sincrofasotrón, pero Leonid Petrovich Zinoviev desempeñó un papel especial en esto. Veksler escribió: “El éxito del lanzamiento del sincrofasotrón y la posibilidad de iniciar un amplio frente de trabajo físico en él están asociados en gran medida con la participación de L.P. Zinoviev.

Zinoviev planeó regresar a FIAN después del lanzamiento del acelerador. Sin embargo, Veksler le rogó que se quedara, creyendo que no podía confiarle a nadie más el manejo del sincrofasotrón. Zinoviev estuvo de acuerdo y supervisó el trabajo del acelerador durante más de treinta años. Bajo su liderazgo y con participación directa, la aceleradora se mejoró constantemente. Zinoviev amaba el sincrofasotrón y muy sutilmente sentía el aliento de este gigante de hierro. Según él, no había un solo, ni el más mínimo detalle del acelerador, que no tocaría y cuyo propósito no sabría.

En octubre de 1957, en una reunión ampliada del Consejo Académico del Instituto Kurchatov, presidida por el propio Igor Vasilyevich, diecisiete personas de diferentes organizaciones que participaron en la creación del sincrofasotrón fueron nominadas al Premio Lenin más prestigioso en ese momento en la Unión Soviética. Unión. Pero según las condiciones, el número de laureados no podía exceder de doce personas. En abril de 1959, el director del Laboratorio de Alta Energía JINR V.I. Veksler, jefe de departamento del mismo laboratorio L.P. Zinoviev, Jefe Adjunto de la Dirección Principal para el Uso de la Energía Atómica del Consejo de Ministros de la URSS D.V. Efremov, Director del Instituto de Investigación de Leningrado E.G. Komar y sus colaboradores N.A. Monoszon, A.M. Stolov, director del Instituto de Ingeniería de Radio de Moscú de la Academia de Ciencias de la URSS A.L. Mentas, empleados del mismo instituto F.A. Vodopianov, S.M. Rubchinsky, personal de FIAN A.A. Kolomensky, V. A. Petukhov, M. S. Rabinovich. Veksler y Zinoviev se convirtieron en ciudadanos de honor de Dubna.

El sincrofasotrón permaneció en servicio durante cuarenta y cinco años. Durante este tiempo, se hicieron una serie de descubrimientos en él. En 1960, el modelo de sincrofasotrón se convirtió en un acelerador de electrones, que todavía funciona en la FIAN.

fuentes

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

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

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

http://www.larissa-zinovyeva.com

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¿Qué es un sincrofasotrón?

Primero, profundicemos un poco en la historia. La necesidad de este dispositivo surgió por primera vez en 1938. Un grupo de físicos del Instituto de Física y Tecnología de Leningrado se dirigió a Molotov con una declaración de que la URSS necesitaba una base de investigación para estudiar la estructura del núcleo atómico. Argumentaron esta solicitud por el hecho de que tal campo de estudio juega un papel muy importante, y en este momento la Unión Soviética está un poco atrasada con respecto a sus contrapartes occidentales. De hecho, en América en ese momento ya había 5 sincrofasotrones, en la URSS no había ni uno solo. Se propuso completar la construcción del ciclotrón ya iniciado, cuyo desarrollo se suspendió debido a la escasez de fondos y la falta de personal competente.

Al final, se tomó la decisión de construir un sincrofasotrón, y Veksler estuvo al frente de este proyecto. La construcción se completó en 1957. Entonces, ¿qué es un sincrofasotrón? En pocas palabras, es un acelerador de partículas. Traiciona partículas de enorme energía cinética. Se basa en un campo magnético principal variable y una frecuencia variable del campo principal. Esta combinación hace posible mantener las partículas en una órbita constante. Este dispositivo se utiliza para estudiar las más diversas propiedades de las partículas y su interacción a altos niveles de energía.

El dispositivo tiene unas dimensiones muy intrigantes: ocupa todo el edificio de la universidad, su peso es de 36 mil toneladas y el diámetro del anillo magnético es de 60 m. Dimensiones bastante impresionantes para un dispositivo cuya tarea principal es estudiar partículas cuyas dimensiones son medido en micrómetros.

El principio de funcionamiento del sincrofasotrón.

Muchos físicos intentaron desarrollar un dispositivo que permitiera acelerar partículas, traicionándolas con una enorme energía. La solución a este problema es el sincrofasotrón. ¿Cómo funciona y cuál es la base?

El comienzo fue establecido por el ciclotrón. Considere el principio de su funcionamiento. Los iones que acelerarán caen al vacío donde se encuentra el dee. En este momento, los iones se ven afectados por un campo magnético: continúan moviéndose a lo largo del eje, ganando velocidad. Habiendo superado el eje y golpeado el siguiente espacio, comienzan a ganar velocidad. Para una mayor aceleración, se requiere un aumento constante en el radio del arco. En este caso, el tiempo de tránsito será constante, a pesar del aumento de la distancia. Debido al aumento de la velocidad, se observa un aumento de la masa de iones.

Este fenómeno implica una pérdida en la ganancia de velocidad. Este es el principal inconveniente del ciclotrón. En el sincrofasotrón, este problema se elimina por completo cambiando la inducción del campo magnético con una masa ligada y cambiando simultáneamente la frecuencia de recarga de partículas. Es decir, la energía de las partículas se incrementa debido al campo eléctrico, fijando la dirección debido a la presencia de un campo magnético.