Продолжим нашу ускорительную историю.

А что если заставить частицы двигаться по окружности, а не по спирали? В 1944 году Владимир Иосифович Векслер и несколько позже, независимо от него американский физик Эдвин Маттисон Макмиллан открыли механизм автофазировки. Идея заключалась в том, чтобы одновременно с изменением направления электрического поля усиливать магнитное, причем таким образом, чтобы радиус движения заряженной частицы не изменялся. Но так как движется не одна частица, а пучок частиц, неизбежно как отставание в движении, так и опережение.

Нильс Бор,  И.Е.Тамм,  В.И.Векслер, 1961г.

И тогда Векслер предложил оригинальный способ – изменять электрическое поле не в момент амплитудного значения напряжения, а несколько позже, (на рисунке красная штриховая линия).

Принцип автофазировки

Если частица вырвалась вперед (зеленая штриховая линия),  она попадает на меньшее значение напряжения и ускоряется меньше, чем «нормальные» частицы. Если же отстала, она попадает на более высокое напряжение и ускоряется больше.

Вскоре был построен синхрофазотрон – ускоритель протонов, синхротрон – ускоритель электронов, а также фазотрон и микротрон. Все они используют принцип автофазировки.

Принцип работы фазотрона схож с циклотроном (о нем вы читали во 2 части), поэтому его иначе называют синхроциклотрон. Магнитное поле в них постоянное, поэтому частицы движутся по спирали. Но в фазотроне в процессе ускорения изменяется частота электрического поля. Так как при таком устройстве трудно добиться больших скоростей, то он применяется для ускорения тяжелых частиц: протонов, α-частиц, дейтронов.

Фазотрон, г.Дубна (ОИЯИ)

Микротрон - резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

В синхрофазотроне и синхротроне частицы движутся по окружности.

Синхрофазотрон в г.Дубна (ОИЯИ). Общий вид

Синхрофазотрон отличается от синхротрона тем, что в нем меняется и магнитное и электрическое поля. В синхротроне электрическое поле не меняется, потому что электроны быстро достигают скоростей, близких к скорости света. И здесь вступает в свои права специальная теория относительности. Электрон почти не увеличивает свою скорость и движется по окружности. Электрическая энергия переходит в энергию движения электрона, чего, в принципе, и добивались. Необходимо уточнить, что при таких скоростях нельзя не учитывать излучение электрона, ведь он движется с ускорением (центростремительным). Поэтому проблем хватает.

Самый известный синхротрон – Нуклотрон в Дубне – Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Нуклотрон – ускорительный комплекс высоких энергий и служит для ускорения ядер с различными атомными номерами до высоких энергий. Это синхротрон с жесткой фокусирующей магнитной системой, использующий разработанные в ОИЯИ магниты со сверхпроводящими обмотками. Нуклотрон был запущен в 1993 году.

Нуклотрон в г.Дубна (ОИЯИ). Сверху нуклотрона инжекторный канал

Энергии Нуклотрона достаточно, чтобы в соударениях ядер возникало сверхплотное ядерное вещество, настолько плотное, что в нем могли бы проявляться кварк-глюонные степени свободы.

При энергиях доступных на Нуклотроне, возможно проведение исследований как «горячей фазы» сверхплотного состояния ядерной материи (на пучках тяжелых ионов) так и «холодной фазы» (на пучках легких ядер). «Горячая фаза» ядерного вещества существовала на ранних стадиях эволюции нашей Вселенной и ее свойства во многом определяют особенности современного строения Вселенной. В недрах массивных звезд ядерное вещество находится в «холодной фазе» сверхплотного состояния и от ее свойств зависит эволюция звезд. Наличие у звезд огромных магнитных полей может приводить к тому, что поляризационные характеристики (свойства определяемые спинами частиц) могут играть ключевую роль, определяющую свойства ядерного вещества в центре звезд.

В Нуклотрон частицы попадают уже разогнанными из линейного ускорителя через инжекторный канал (на рисунке сверху, красивый и цветной).  Так  же разогнанные заряженные частицы попадают и в Большой адронный коллайдер (БАК). Также в БАК используются и сверхпроводящие магниты, благодаря которым удалось уменьшить массу и размеры Нуклотрона (как и БАК), но об этом в следующей главе.

Нуклотрон изнутри (ОИЯИ)

PS. В статье использованы фотографии с международной конференции в ОИЯИ, в том числе учителя физики г.Минска Федоренко А.В.