От кинескопа до коллайдера


Простейший ускоритель состоит из… одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт. Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.

Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.

Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.

10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Американский физик Эрнесто Орландо Лоуренс, создатель первого циклотрона (внизу). Построенный в 1930 году этот прибор легко умещался на ладони

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1928 году, хотя идеи о «протонной карусели» в магнитном поле ранее высказывались норвежцем Рольфом Видероэ (Rolf Wideroe). Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, дуантов, внутри которых вращаются частицы. На края зазора подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что пока скорость электронов существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон имел чуть больше 10 см в диаметре и разгонял частицы до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-мэвному многометровому гиганту в 1946 году, но дальнейший рост размеров оказался сопряжен со слишком большими техническими сложностями (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом пучку раскручиваться по спирали). Чтобы избавиться от этих проблем вместо огромного диска частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускоритель такого типа получил название синхротрон. В основе многих современных ускорителей, в частности в основе LHC, лежит принцип синхротрона.

08300000Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством Бруно Тушека, американцами из Принстона и Стэнфорда и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную мишень, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. Поэтому в коллайдерах могут возникать намного более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.




1 комментарий к записи “От кинескопа до коллайдера

  1. Необходимо Ваше участие в продвижении сего послания. Проблема столь серьёзна
    и чревата фатальной БЕДОЙ, что необходимо содействие всех сознательных людей,
    Вам решать, какой вклад Вы привнесёте в устранение угрозы уничтожения Земли.
    Приношу извинения за возможные повторы послания.
    ВСЕМ! ВСЕМ! ВСЕМ!
    Пока Мы живы, остановим LHC (Large Hadron Collider) Большой адронный коллайдер,
    иначе LHC станет Нашим Lethal Hadron Collider-Смертельным адронным коллайдером.
    В ЦЕРНе ПРАВО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА НА СУЩЕСТВОВАНИЕ подвергнуто колоссальной опасности
    из-за зловещего любопытства и беспечной погоне за Нобелевской премией горстки
    фанатиков от науки, затеявших фатальные игры с ЧЁРНЫМИ ДЫРАМИ, и другие не менее
    ОПАСНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ на Lethal Hadron Collider-Смертельном адронном коллайдере.
    В оценке последствий рефери они сами, оппонентов не слышат. Следует привлечь
    мнение независимых экспертов и общественных деятелей планеты, и сообща решить
    будущее Земли, без риска вскрыть последний для Человечества «ящик Пандоры».
    Возможно, амбициозные опыты с такими коллайдерами одержимых физиков иных Миров
    и привели к Армагеддону их Цивилизаций. Ощущение такое, что рождённая в опытах
    ЧЁРНАЯ ДЫРА-пожиратель материи и есть предел любопытству и существованию Разума,
    ведь никаких признаков наличия во Вселенной аналогов Человечества не обнаружено.
    Ещё одна новая ЧЁРНАЯ ДЫРА, откупоренная нашими горе-доками, уничтожив Землю и
    Солнечную систему, возникнет во Вселенной, увы, ВСЕ МЫ к тому времени СГИНЕМ
    вслед за Большим адронным коллайдером во чреве наукосотворённой ЧЁРНОЙ ДЫРЫ.
    Армагеддон Земли возможен не только от чёрной дыры, и не при пробных запусках
    LHC, сколько во время крайне экстремальных опытов на Lethal Hadron коллайдере.
    О КОНЦЕ СВЕТА ВОПИЮТ ПРОРОЧЕСТВА.
    Люди! отрешитесь от сиюминутного, задумайтесь — Человечество в жуткой опасности.
    Не надейтесь на Божественное Спасение Вашей плоти. Человек свободен в проявлении
    своей Воли и ответственен за последствия; показатель — вся История Человечества.
    Обстоятельством, предотвратившим планетарную катастрофу ядерной войны, явилось
    гнетущее состояние опасности у большинства Землян после Хиросимы и Нагасаки.
    Бездна всеобщей обострённой тревоги овладела политиками, стоявшими у ядерной
    кнопки, обуздала их амбиции и не позволила разразиться ядерному Апокалипсису.
    Необходимо ОСТАНОВИТЬ самый Большой адронный коллайдер, чтобы не допустить даже
    самый малейший риск гибели Земли и Апокалипсиса Человечества из-за наивной веры
    в науку и её «ТИТАНИК» Lethal Hadron Collider этот смертельный шедевр физиков.
    ЛЮДИ! ПРОТЕСТУЙТЕ! Ищите любые доводы, чтобы ОСТАНОВИТЬ зловредный коллайдер.
    ПРОТЕСТУЙТЕ! Передавайте ПРОТЕСТ ВСЕМ, кому сможете. ЖИЗНЬ или КОНЕЦ СВЕТА!
    ОСТАНОВИМ! Большой адронный коллайдер — исчадие Армагеддона Человечества.
    ЛЮДИ! ОЧНИТЕСЬ! И ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ!
    Тем, кто не проникся, ЗАДУМАЙТЕСЬ о вероятности зарождения и гибели Разума.
    Вероятность образования лишь одной молекулы ДНК на Земле невообразимо мала и
    составляет 10^-800, прибавьте вероятность появления живых существ и вероятность
    зарождения Разума. Вы только представьте сколь Мы, Люди УНИКАЛЬНЫ во Вселенной!
    Возникновение и существование Человечества это БЕСПРЕЦЕДЕНТНЫЙ факт, а значит
    даже ничтожный риск ВОЗМОЖЕН. Теоретически непредсказуемые последствия опытов
    на LHC НЕ ОТРИЦАЮТСЯ, следовательно, и вероятность фатальных БЕД, исходящих из
    злосчастных экспериментов вполне реальна. Риск Армагеддона на много порядков
    вероятней зарождения Жизни. Известны факты риска жизнью во имя Науки, однако
    никакой риск жизнью Землян ради любопытства НЕДОПУСТИМ! Что Им эти риски. Они
    игнорировали их и прежде, рискуют Нами и теперь на LHC. Цинично, ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ
    условия LHC приравнивать к явлениям природы. Вы видели фото LHC? Нам внушают,
    сей МОНСТР не опасен, убаюкивая пустячными данными одиночного протона. Дело в
    том, что протоны сжимают в сгустки по 100 МИЛЛИАРДОВ. Толщина сгустка тоньше
    волоса человека (0,03мм), при этом протонам подводится огромная энергия ~100кг
    тротила, и эти сгустки протонов, разогнанные до скорости света, хотят шарахать
    «лбами», итоги даже теориям неведомы. Пронесёт с протонами, займутся крайне
    зловещими экспериментами с применением ионов тяжёлых атомов. Это невероятно,
    для ублажения своего любопытства в ЦЕРНе моделируют условия «Большого взрыва».
    В общем ситуация ТИТАНИКА, при этом Айсберг это LHC (Lethal Hadron Collider),
    а Мы пассажиры-заложники смертельного коллайдера без средств спасения. Гаранты
    безопасности Землян это горстка самоуверенных фанатиков от науки, готовая на
    всё ради оголтелого познания и обладания Нобелевской премией. Их беспечность
    и пофигизм к Нам Мирянам обусловили трагедию Хиросимы и Нагасаки, Чернобыля.
    ЛЮДИ! ОЧНИТЕСЬ! Пока ещё не поздно ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ!
    ОСТАНОВИМ! LHC — Lethal Hadron Collider — Смертельный адронный коллайдер.

    Ответить на этот комментарий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*