Що таке синхрофазотрон простими словами для дітей. Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування

У 1957 році Радянський Союз здійснив революційний науковий прорив відразу в двох напрямках: в жовтні був запущений перший штучний супутник Землі, а за кілька місяців до цього, в березні, в Дубні почав працювати легендарний синхрофазотрон - гігантська установка для дослідження мікросвіту. Ці дві події потрясли весь світ, і слова «супутник» і «синхрофазотрон» міцно увійшли в наше життя.

Синхрофазотрон є один з видів прискорювачів заряджених частинок. Частинки в них розганяють до великих швидкостей і, отже, до високих енергій. За результатом їх зіткнень з іншими атомними частками судять про будову і властивості матерії. Імовірність зіткнень визначається інтенсивністю прискореного пучка частинок, тобто кількістю частинок в ньому, тому інтенсивність поряд з енергією - важливий параметр прискорювача.

Про необхідність створення в Радянському Союзі серйозної прискорювальної бази було заявлено на урядовому рівні в березні 1938 року. Група дослідників Ленінградського фізико-технічного інституту (ЛФТИ) на чолі з академіком А.Ф. Іоффе звернулася до голови РНК СРСР В.М. Молотову з листом, в якому пропонувалося створити технічну базу для досліджень в області будови атомного ядра. Питання будови атомного ядра стали однією з центральних проблем природознавства, а Радянський Союз в їх вирішенні значно відставав. Так, якщо в Америці було принаймні п'ять циклотронів, то в Радянському Союзі не було жодного (єдиний циклотрон Радієвий інституту АН (РИАН), пущений в 1937 році, через дефекти проектування практично не працював). Звернення до Молотову містило прохання створити умови для закінчення станом на 1 січня 1939 року побудови циклотрона ЛФТИ. Роботу по його створенню, розпочату в 1937 році, призупинили через відомчих неузгодженостей і припинення фінансування.

У листопада 1938 року С.І. Вавилов в зверненні до президії АН запропонував будувати циклотрон ЛФТИ в Москві і перевести до складу Фізичного інституту АН (ФІАН) з ЛФТИ лабораторію І.В. Курчатова, яка займалася його створенням. Сергій Іванович хотів, щоб центральна лабораторія з вивчення атомного ядра розташовувалася там же, де перебувала Академія наук, тобто в Москві. Однак його не підтримали в ЛФТИ. Спори закінчилися в кінці 1939 року, коли А.Ф. Іоффе запропонував створити відразу три циклотрона. 30 липня 1940 року в засіданні президії АН СРСР було вирішено доручити Ріанна в поточному році дообладнати діючий циклотрон, ФІАН - до 15 жовтня підготувати необхідні матеріали по будівництву нового потужного циклотрона, а ЛФТИ - закінчити будівництво циклотрона в першому кварталі 1941 року.

У зв'язку з цим рішенням у ФІАН створили так звану циклотрон бригаду, до якої увійшли Володимир Йосипович Векслер, Сергій Миколайович Вернов, Павло Олексійович Черенков, Леонід Васильович Грошев і Євген Львович Фейнберг. 26 вересня 1940 року бюро Відділення фізико-математичних наук (ОФМН) заслухав інформацію В.І. Векслера про проектний завданні на циклотрон, схвалив його основні характеристики та кошторис на будівництво. Циклотрон був розрахований на прискорення дейтронів до енергії 50 МеВ.

Отже, ми підійшли до найголовнішого, до людини, яка внесла значний вклад в розвиток фізики в нашій країні в ті роки - Володимир Йосипович Векслер. Про це видатного фізика і піде далі мова.

В. І. Векслер народився на Україні в місті Житомирі 3 березня 1907 року. Його батько загинув у першій світовій війні.

У 1921 році, в період сильного голоду і розрухи, з великими труднощами, без грошей, Володя Векслер потрапляє в голодну преднеповскую Москву. Підліток виявляється в будинку-комуні, заснованої в Хамовниках, в старовинному особняку, покинутому господарями.

Векслера відрізняв інтерес до фізики та практичної радіотехніці, він сам зібрав детекторний радіоприймач, що в ті роки було справою надзвичайно важким, багато читав, в школі добре вчився.
Вийшовши з комуни, Векслер зберіг багато виховані нею погляди і звички.
Зауважимо, що покоління, до якого належав Володимир Йосипович, в переважній своїй більшості з повною зневагою відносилося до побутових сторонах свого життя, але фанатично захоплювалося науковими, професійними і соціальними проблемами.

Векслер в числі інших комунарів закінчив дев'ятирічну середню школу і разом з усіма випускниками поступив робочим на виробництво, де працював електромонтером більше двох років.
Його тяга до знань, любов до книги і рідкісна кмітливість були помічені і в кінці 20-х років юнак отримав "комсомольську путівку" до інституту.
Коли Володимир Йосипович кінчав інститут, проводилася чергова реорганізація вищих навчальних закладів і зміна їх назв. Вийшло так, що Векслер надходив в Плехановський інститут народного господарства, А закінчив МЕІ (Московський енергетичний інститут) і отримав кваліфікацію інженера за фахом ренгенотехніка.
У тому ж році він вступив до лабораторії рентгеноструктурного аналізу Всесоюзного електротехнічного інституту в Лефортові, де Володимир Йосипович почав свою роботу з побудови вимірювальних приладів і вивчення методів вимірювання іонізуючого випромінювання, тобто потоків заряджених частинок.

У цій лабораторії Векслер працював 6 років, швидко пройшовши шлях від лаборанта до завідувача. Тут вже проявився характерний "почерк" Векслера як талановитого вченого-експериментатора. Його учень, професор М. С. Рабинович згодом писав у своїх спогадах про Векслер: "Майже 20 років він сам збирав, монтував різні придумані їм установки, ніколи не гребуючи будь-якої роботи. Це дозволяло йому бачити не тільки фасад, не тільки її ідейну сторону , але і все, що ховається за остаточними результатами, за точністю вимірювань, за блискучими шафами установок. він все життя вчився і перенавчався. до самих останніх років життя вечорами, у відпустці він ретельно вивчав і конспектував теоретичні роботи ".

У вересні 1937 року Векслер перейшов з Всесоюзного електротехнічного інституту у Фізичний інститут Академії наук СРСР імені П. М. Лебедєва (ФІАН). Це було важлива подіяв житті вченого.

До цього часу Володимир Йосипович уже захистив кандидатську дисертацію, темою якої був пристрій і застосування сконструйованих їм "пропорційних підсилювачів".

У ФІАН Векслер зайнявся вивченням космічних променів. На відміну від А. І. Алиханова і його співробітників, облюбували мальовничу гору Арагац у Вірменії, Векслер брав участь в експедиціях вчених на Ельбрус, а потім, пізніше, на Памір - Дах світу. Фізиків усього світу вивчали потоки заряджених частинок високої енергії, які неможливо було отримати в земних лабораторіях. Дослідники піднімалися ближче до таємничих потокам космічного випромінювання.

Навіть зараз космічні промені займають важливе місце в арсеналі астрофізиків і фахівців з фізики високих енергій, висуваються захоплююче цікаві теорії їх походження. У ті ж часи отримати частинки з такою енергією для вивчення було просто неможливо, а для фізикам було просто необхідно вивчати їх взаємодія з полями і іншими частками. Уже в тридцятих роках у багатьох вчених-атомників виникала думка: як добре було б отримати частки таких високих "космічних" енергій в лабораторії за допомогою надійних приладів для вивчення субатомних частинок, метод вивчення яких був один - бомбардування (як образно говорили раніше і рідко говорять тепер) одних частинок іншими. Резерфорд відкрив існування атомного ядра, бомбардуючи атоми потужними снарядами - альфа-частками. Таким же методом були відкриті ядерні реакції. Щоб перетворити один хімічний елемент в інший, треба було змінити склад ядра. Це досягалося шляхом бомбардування ядер альфа-частинками, а тепер - частками, розігнаними в потужних прискорювачах.

Після вторгнення гітлерівської Німеччини багато фізиків негайно включилися в роботи військового значення. Векслер перервав вивчення космічних променів і зайнявся конструюванням та удосконаленням радіотехнічної апаратури для потреб фронту.

В цей час Фізичний інститут Академії наук, як і деякі інші академічні інститути, евакуювався до Казані. Лише в 1944 році вдалося організувати з Казані експедицію на Памір, де група Векслера змогла продовжити розпочаті на Кавказі дослідження космічних променів і ядерних процесів, що викликаються частками високих енергій. Не розглядаючи докладно внесок Векслера у вивчення ядерних процесів, пов'язаних з космічними променями, якому були присвячені довгі роки його роботи, можна сказати, що він був досить значним і дав багато важливих результатів. Але, мабуть, найважливіше полягало в тому, що вивчення космічних променів привело вченого до зовсім нових ідей прискорення частинок. У горах Векслер прийшла в голову думка про будівництво прискорювачів заряджених частинок для створення власних "космічних променів".

З 1944 року В. І. Векслер перейшов до нової області, що посіла чільне місце в його науковій роботі. З цього часу ім'я Векслера вже назавжди пов'язано зі створенням великих «автофазірующіх» прискорювачів і розробкою нових методів прискорення.

Однак він не втратив інтересу до космічних променів і продовжував працювати в цій галузі. Векслер брав участь у високогірних наукових експедиціях на Памір а протягом 1946-1947 років. У космічних променях виявляють частки фантастично високих енергій, недоступних для прискорювачів. Векслеру було ясно, що «природний прискорювач» частинок до таких високих енергій не може йти в порівняння з «творінням рук людських».

Векслер запропонував вихід з цього глухого кута в 1944 році. Новий принцип, за яким діяли прискорювачі Векслера, автор назвав автофазіровкой.

До цього часу був створений прискорювач заряджених частинок типу "циклотрон" (Векслер у популярній газетній статті так пояснив принцип дії циклотрона: "У цьому приладі заряджена частинка, рухаючись в магнітному полі по спіралі, безперервно прискорюється змінним електричним полем. Завдяки цьому до циклотроні вдається повідомити частинкам енергію в 10-20 мільйонів електрон-вольт "). Але стало ясно, що порога 20 МеВ цим методом не перейти.

В циклотроні магнітне поле змінюється циклічно, розганяючи заряджені частинки. Але в процесі прискорення відбувається збільшення маси частинок (як це і повинно бути по СТО - спеціальної теорії відносності). Це призводить до порушення процесу - через певне число оборотів магнітне поле замість прискорення починає гальмувати частинки.

Векслер пропонує почати повільно збільшувати в часі магнітне поле в циклотроні, маючи магніт змінним струмом. Тоді виявиться, що в середньому частота звернення частинок по колу автоматично буде підтримуватися рівною частоті електричного поля, прикладеного до дуантов (парі магнітних систем, викривляє шлях і прискорює частинки магнітним полем).

При кожному проходженні через щілину дуантов частки мають і додатково отримують різне збільшення маси (і відповідно, отримують різне збільшення радіуса, за яким їх завертає магнітне поле) в залежності від напруги поля між дуантами в момент прискорення даної частинки. Серед всіх частинок можна виділити рівноважні ( "успішні") частки. Для цих частинок механізм, автоматично підтримує сталість періоду обігу, особливо простий.

"Щасливих" частки при кожному проходженні через щілину дуантов відчувають збільшення маси і збільшення радіусу кола. Воно точно компенсує зменшення радіуса, викликане збільшенням магнітного поля за час одного обороту. Отже, "щасливі" (рівноважні) частинки можуть резонансно прискорюватися до тих пір, поки відбувається зростання магнітного поля.

Виявилося, що такий же здатністю володіють і майже всі інші частинки, тільки розгін триває довше. В процесі прискорення всі частинки будуть відчувати коливання близько радіусу орбіти рівноважних частинок. Енергія частинок в середньому буде дорівнює енергії рівноважних частинок. Отже, практично майже всі частинки беруть участь в резонансному прискоренні.

Якщо замість того щоб повільно збільшувати в часі магнітне поле в прискорювачі (циклотроні), маючи магніт змінним струмом, збільшувати період змінного електричного поля, прикладеного до дуантов, то і тоді встановиться режим «автофазіровкі».

"Може здатися, що для появи автофазіровкі і здійснення резонансного прискорення обов'язково змінювати в часі або магнітне поле, або період електричного. Насправді це не так. Мабуть, найбільш простий по ідеї (але далеко не простий по практичному здійсненню) спосіб прискорення, встановлений автором раніше за інших способів, може бути реалізований при незмінному в часі магнітному полі та постійній частоті ".

У 1955 році, коли Векслер написав свою брошуру про прискорювачах, цей принцип, як вказував автор, ліг в основу прискорювача - мікротрона - прискорювача, що вимагає потужні джерела мікрохвиль. За твердженням Векслера, мікротрон "не отримав ще розповсюдження (1955). Однак кілька прискорювачів електронів на енергію до 4 МеВ працює вже ряд років".

Векслер був блискучим популяризатором фізики, але, на жаль, через зайнятість рідко виступав з популярними статтями.

Принцип автофазіровкі показав, що можна мати стійку область фаз і, отже, можна змінювати частоту прискорює поля, не побоюючись вийти з області резонансного прискорення. Необхідно тільки правильно вибрати фазу прискорення. Зміною частоти поля стало можливо легко компенсувати зміна маси частинок. Більше того, зміна частоти дозволило швидко розкручується спіраль циклотрона наблизити до кола та прискорювати частинки до тих пір, поки вистачало напруженості магнітного поля, щоб утримати частки на заданій орбіті.

Описаний прискорювач з автофазіровкой, в якому змінюється частота електромагнітного поля, називається сінхроціклотроном, або ФАЗОТРОН.

У синхрофазотроні використовується комбінація двох принципів автофазіровкі. Перший з них лежить в основі ФАЗОТРОН, про який вже говорилося, - це зміна частоти електромагнітного поля. Другий принцип використаний в синхротронах - тут змінюється напруженість магнітного поля.

З часу відкриття автофазіровкі вчені та інженери почали проектувати прискорювачі на мільярди електрон-вольт. Першим з них в нашій країні був протонний прискорювач - синхрофазотрон на 10 мільярдів електрон-вольт в Дубні.

Проектування цього великого прискорювача почалося в 1949 році з ініціативи В. І. Векслера та С. І. Вавилова, пуск в експлуатацію відбувся в 1957 році. Другий великий прискорювач побудований в Протвино поблизу Серпухова вже на енергію 70 ГеВ. На ньому працюють зараз не тільки радянські дослідники, а й фізики інших країн.

Але задовго до пуску двох гігантських "мільярдних" прискорювачів у Фізичному інституті Академії наук (ФІАН) під керівництвом Векслера були побудовані прискорювачі релятивістських частинок. У 1947 році відбувся пуск прискорювача електронів до енергій 30 МеВ, який служив моделлю більшого прискорювача електронів - синхротрона на енергію 250 МеВ. Синхротрон був запущений в 1949 році. На цих прискорювачах наукові співробітники Фізичного інституту Академії наук СРСР виконали першокласні роботи по мезонів фізики і атомного ядра.

Після запуску дубненского синхрофазотрона настав період швидкого прогресу в будівництві прискорювачів на великі енергії. В СРСР і в інших країнах були побудовані і введені в дію багато прискорювачі. До них відносяться згадуваний вже прискорювач на 70 ГеВ в Серпухові, на 50 ГеВ в Батавії (США), на 35 ГеВ в Женеві (Швейцарія), на 35 ГеВ в Каліфорнії (США). В даний час фізики ставлять перед собою завдання створення прискорювачів на кілька тераелектрон-вольт (тераелектрон-вольт - 1012 еВ).

У 1944 році, коли народився термін "автофазіровкой". Векслеру було 37 років. Векслер виявився обдарованим організатором наукової роботи і головою наукової школи.

Метод автофазіровкі як дозрілий плід очікував вченого-провидця, який його зніме і заволодіє ім. Через рік незалежно від Векслера принцип автофазіровкі відкрив відомий американський вчений мак-Мілан. Він визнав пріоритет радянського вченого. Мак-Мілан не раз зустрічався з Векслером. Вони були дуже дружні, і дружба двох чудових учених ніколи нічим не затьмарювалися до самої смерті Векслера.

Прискорювачі, побудовані в останні роки, Хоча і засновані на принципі автофазіровкі Векслера, але, звичайно, значно удосконалені в порівнянні з машинами першого покоління.

Крім автофазіровкі, Векслер висловив інші ідеї прискорення частинок, які виявилися дуже плідними. Розвитком цих ідей Векслера широко займаються в СРСР і інших країнах.

У березні 1958 року в Будинку вчених на Кропоткинской вулиці відбулося традиційне річне збори Академії наук СРСР. Векслер виклав ідею нового принципу прискорення, названого їм "когерентним". Він дозволяє прискорювати не тільки окремі частинки, але і згустки плазми, що складаються з великого числачастинок. "Когерентний" метод прискорення, як обережно говорив Векслер в 1958 році, дозволяє думати про можливість прискорення частинок до енергій в тисячу мільярдів електрон-вольт і навіть вище.

У 1962 році Векслер на чолі делегації вчених вилетів до Женеви для участі в роботі Міжнародної конференції з фізики високих енергій. Серед сорока членів радянської делегації були такі великі фізики, як А. І. Алиханов, Н. Н. Боголюбов, Д. І. Блохинцев, І. Я. Померанчук, М. А. Марков. Багато вчених, що входили до складу делегації, були фахівцями з прискорювачів та учнями Векслера.

Володимир Йосипович Векслер протягом ряду років був головою Комісії з фізики високих енергій Міжнародного союзу теоретичної і прикладної фізики.

25 жовтня 1963 року Векслеру і його американському колезі - директору радіаційної лабораторії Каліфорнійського університету імені Лоуренса Едвіну Мак-Міллану - була присуджена американська премія «Атом для світу».

Векслер був беззмінним директором Лабораторії високих енергій Об'єднаного інституту ядерних досліджень в Дубні. Тепер про перебування Векслера в цьому місті нагадує названнная його ім'ям вулиця.

У Дубні довгі роки концентрувалася науково-дослідна робота Векслера. Він поєднував свою роботу в Об'єднаному інституті ядерних досліджень з роботою у Фізичному інституті імені П. М. Лебедєва, де в далекій молодості почав свій шлях дослідника, був професором МГУ, де завідував кафедрою.

У 1963 році Векслер був обраний академіком-секретарем відділення ядерної фізики Академії наук СРСР і беззмінно займав цей важливий пост.

Наукові досягнення В. І. Векслера були високо оцінені присудженням йому Державної премії Першого ступеня і Ленінської премії (1959). Видатна наукова, педагогічна, організаційна та громадська діяльність вченого була відзначена трьома орденами Леніна, орденом Трудового Червоного Прапора і медалями СРСР.

Володимир Йосипович Векслер раптово помер 20 вересня 1966 від повторного інфаркту. Йому було всього 59 років. У житті він завжди здавався молодшим за свої роки, був енергійним, діяльним і невтомним.

Ось це невловимо знайоме на слух слово «синхрофазотрон»! Нагадайте мені, як воно потрапило в вуха простого обивателя в радянському союзі? Який то фільми був або пісня популярна, що то було, я точно пам'ятаю! Або ж просто це був аналог важковимовним слова?

А тепер давайте все таки згадаємо що це таке і як створювалося ...

Прискорювачі досягають величезних розмірів, і не випадково письменник Володимир Карцев назвав їх пірамідами ядерного століття, за якими нащадки судитимуть про рівень нашої техніки.

До будівлі прискорювачів єдиним джерелом частинок високих енергій були космічні промені. В основному це протони з енергією порядку декількох ГеВ, вільно приходять з космосу, і вторинні частки, що виникають при їх взаємодії з атмосферою. Але потік космічних променів хаотичний і має малу інтенсивність, тому з часом для лабораторних досліджень стали створювати спеціальні установки - прискорювачі з контрольованими пучками частинок високої енергії і більшої інтенсивності.

В основі роботи всіх прискорювачів лежить добре відомий факт: Заряджену частинку розганяє електричне поле. Однак отримати частинки дуже великої енергії, прискорюючи їх лише один раз між двома електродами, не можна, так як для цього довелося б докласти до них величезне напруження, що технічно неможливо. Тому частинки високих енергій отримують, багаторазово пропускаючи їх між електродами.

Прискорювачі, в яких частка проходить через послідовно розташовані прискорюють проміжки, називаються лінійними. З них почався розвиток прискорювачів, але вимога до збільшення енергії частинок вело до практично нереально великим довжинах установок.

У 1929 році американський вчений Е. Лоуренс запропонував конструкцію прискорювача, в якому частка рухається по спіралі, проходячи багаторазово один і той же проміжок між двома електродами. Траєкторію частинки викривляє і закручує однорідне магнітне поле, спрямоване перпендикулярно площині орбіти. Прискорювач був названий циклотроном. У 1930-1931 роках Лоуренс зі співробітниками спорудив в Каліфорнійському університеті (США) перший циклотрон. За цей винахід він в 1939 році був удостоєний Нобелівської премії.

В циклотроні однорідне магнітне поле створює великий електромагніт, а електричне поле виникає між двома порожніми електродами D-подібної форми (звідси їх назва - «дуанти»). До електродів прикладена змінна напруга, яке змінює полярність щоразу, коли частка робить півоберта. Завдяки цьому електричне поле завжди прискорює частинки. Цю ідею можна було б здійснити, якби частинки з різними енергіями мали різні періоди обертання. Але, на щастя, хоча швидкість з ростом енергії зростає, період обертання залишається постійним, оскільки діаметр траєкторії збільшується в тому ж відношенні. Саме це властивість циклотрона і дозволяє використовувати для прискорення постійну частоту електричного поля.

Незабаром циклотрони почали створювати в інших дослідницьких лабораторіях.

Будівля синхрофазотрона в 1950-і роки

Дійсно, в момент написання листа в урядових колах країни було явне нерозуміння актуальності досліджень в галузі атомної фізики. За спогадами М.Г. Мещерякова, в 1938 році навіть постало питання про ліквідацію Радієвий інституту, який, за чиїмось думку, займався нікому не потрібними дослідженнями урану і торію, в той час як країна прагнула збільшити видобуток вугілля і виплавку сталі.

Лист до Молотову подіяло, і вже в червні 1938 року комісія від Академії наук СРСР, яку очолив П.Л. Капіца, на запит уряду дала висновок про необхідність будувати циклотрон ЛФТИ на 10-20 МеВ, в залежності від типу прискорених частинок, і вдосконалювати циклотрон Ріана.

Гостра необхідність в створенні атомної бомби змусила Радянський Союз мобілізувати зусилля в дослідженні мікросвіту. Один за іншим побудували два циклотрона в Лабораторії № 2 в Москві (1944, 1946 роки); в Ленінграді після зняття блокади відновили циклотрони РИАН і ЛФТИ (1946 рік).

Проект фіановского циклотрона хоча і був затверджений перед війною, але стало ясно, що конструкція Лоуренса вичерпала себе, так як енергія прискорених протонів не могла перевищити 20 МеВ. Саме з цієї енергії починає позначатися ефект збільшення маси частинки при швидкостях, порівнянних зі швидкістю світла, який випливає з теорії відносності Ейнштейна

Внаслідок зростання маси порушується резонанс між проходженням частинки через прискорює проміжок і відповідною фазою електричного поля, що тягне за собою гальмування.

Слід зауважити, що циклотрон призначений для прискорення тільки важких частинок (протонів, іонів). Це пов'язано з тим, що через занадто малу масу спокою електрон вже при енергіях 1-3 МеВ досягає швидкості, близької до швидкості світла, внаслідок чого його маса помітно зростає і частка швидко виходить з резонансу.

Першим циклічним прискорювачем електронів став бетатрон, побудований Керстен в 1940 році за ідеєю Відерое. В основі Бетатрон лежить закон Фарадея, згідно з яким при зміні магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, в цьому контурі виникає електрорушійна сила. У бетатроні замкнутим контуром служить потік частинок, що рухаються по кільцевій орбіті у вакуумній камері постійного радіуса в поступово наростаючому магнітному полі. Коли магнітний потік усередині орбіти зростає, виникає електрорушійна сила, тангенціальна складова якої прискорює електрони. У бетатроні, подібно циклотрон, існує обмеження для отримання частинок дуже високої енергії. Це пов'язано з тим, що, згідно із законами електродинаміки, що рухаються по кругових орбітах електрони випромінюють електромагнітні хвилі, які при релятивістських швидкостях забирають дуже багато енергії. Для компенсації цих втрат потрібно значно збільшувати розмір сердечника магніту, що має практичний межа.

Таким чином, до початку 1940-х років можливості отримання більш високої енергії як протонів, так і електронів були вичерпані. Для подальших же досліджень мікросвіту потрібно збільшити енергію прискорених частинок, тому гостро постало завдання пошуку нових методів прискорення.

У лютому 1944 року В.І. Векслер висунув революційну ідею, як подолати енергетичний бар'єр циклотрона і Бетатрон. Вона була настільки проста, що здавалося дивним, чому до неї не прийшли раніше. Ідея полягала в тому, що при резонансному прискоренні частоти звернення часток і прискорює поля повинні постійно збігатися, іншими словами, бути синхронними. При прискоренні важких релятивістських частинок в циклотроні для синхронізації пропонувалося змінювати частоту прискорює електричного поля за певним законом (в подальшому такий прискорювач отримав назву синхроциклотрон).

Для прискорення релятивістських електронів був запропонований прискорювач, який отримав в подальшому назву синхротрона. У ньому прискорення здійснюється змінним електричним полем постійної частоти, а синхронізм забезпечується постійно змінюваних за певним законом магнітним полем, яке утримує частинки на орбіті постійного радіусу.

Для практичних цілей потрібно теоретично упевнитися, що запропоновані процеси прискорення стійкі, тобто при незначних відхиленнях від резонансу фазировка частинок здійсниться автоматично. Фізик-теоретик циклотронної бригади Е.Л. Фейнберг звернув на це увагу Векслера і сам же строго математично довів стійкість процесів. Саме тому ідея Векслера отримала назву «принцип автофазіровкі».

Для обговорення отриманого рішення в ФІАН провели семінар, на якому Векслер зробив вступний доповідь, а Фейнберг - доповідь про стійкість. Роботу схвалили, і в тому ж 1944 році журнал «Доповіді Академії наук СРСР» опублікував дві статті, в яких розглядалися нові способи прискорення (в першій статті йшлося про прискорювачі на основі кратних частот, згодом названому мікротрон). Їх автором значився тільки Векслер, а ім'я Фейнберг взагалі не згадувалося. Дуже скоро роль Фейнберг у відкритті принципу автофазіровкі була незаслужено віддана повному забуттю.

Через рік принцип автофазіровкі незалежно відкрив американський фізик Е. Макміллан, проте пріоритет зберігся за Векслером.

Слід зауважити, що в прискорювачах, заснованих на новому принципі, в явному вигляді проявилося «правило важеля» - виграш в енергії спричинив програш в інтенсивності пучка прискорених частинок, що пов'язано з циклічністю їх прискорення на відміну від плавного прискорення в циклотронах і бетатронах. На цей неприємний момент відразу вказали на сесії Відділення фізико-математичних наук 20 лютого 1945 року, однак тоді ж все одностайно прийшли до висновку, що дана обставина ні в якому разі не повинно перешкоджати реалізації проекту. Хоча, до слова сказати, боротьба за інтенсивність згодом постійно докучала «ускорітельщікам».

На тій же сесії за пропозицією президента Академії наук СРСР С.І. Вавилова було прийнято рішення негайно будувати прискорювачі двох типів, запропоновані Векслером. 19 лютого 1946 року Спеціальний комітет при Раднаркомі СРСР доручив відповідній комісії розробити їх проекти із зазначенням потужності, термінів виготовлення та місця будівництва. (Від створення циклотрона в ФІАН відмовилися.)

В результаті 13 серпня 1946 року одночасно вийшло дві постанови Ради міністрів СРСР, підписані головою Ради міністрів СРСР І.В. Сталіним і керуючим справами Ради міністрів СРСР Я.Е. Чадаєва, по створенню синхроциклотрон на енергію дейтронів 250 МеВ і синхротрона на енергію 1 ГеВ. Енергія прискорювачів диктувалася в першу чергу політичним протистоянням США і СРСР. У США вже створили синхроциклотрон на енергію дейтронів близько 190 МеВ і почали будувати синхротрон на енергію 250-300 МеВ. Вітчизняні прискорювачі по енергії повинні були перевищувати американські.

З сінхроціклотроном пов'язували надії на відкриття нових елементів, нових способів отримання атомної енергіїз більш дешевих, ніж уран, джерел. За допомогою синхротрона намір штучним шляхом отримувати мезони, які, як припускали радянські фізики в той час, здатні викликати розщеплення ядер.

Обидві постанови вийшли з грифом «Цілком таємно (особлива папка)», так як будівництво прискорювачів йшло в рамках проекту створення атомної бомби. З їх допомогою розраховували отримати точну теорію ядерних сил, необхідну для розрахунків бомби, які в той час виробляли лише за допомогою великого набору наближених моделей. Правда, все виявилося не так просто, як думалося спочатку, і слід зауважити, що така теорія не створена і до сих пір.

Постанови визначили місця будівництва прискорювачів: синхротрона - в Москві, на Калузькому шосе (нині Ленінський проспект), на території ФІАНа; синхроциклотрон - в районі Іваньківський ГЕС, в 125 кілометрах на північ від Москви (в той час Калінінська область). Спочатку створення обох прискорювачів доручили ФІАН. Керівником робіт по синхротронного був призначений В.І. Векслер, а по синхроциклотрон - Д.В. Скобельцин.

Зліва - доктор технічних наук професор Л.П. Зінов'єв (1912-1998), праворуч - академік АН СРСР В.І. Векслер (1907-1966) в період створення синхрофазотрона

Через півроку керівник атомного проекту І.В. Курчатов, незадоволений ходом робіт по фіановскому синхроциклотрон, перевів цю тему в свою Лабораторію № 2. Новим керівником теми він призначив М.Г. Мещерякова, звільнивши від роботи в ленінградському Радиевом інституті. Під керівництвом Мещерякова в Лабораторії № 2 створили модель синхроциклотрон, яка вже експериментально підтвердила правильність принципу автофазіровкі. У 1947 році почалося будівництво прискорювача в Калінінської області.

14 грудня 1949 року за керівництвом М.Г. Мещерякова синхроциклотрон був успішно запущений в намічений термін і став першим в Радянському Союзі прискорювачем такого типу, перекривши енергію створеного в 1946 році аналогічного прискорювача в Берклі (США). Він залишався рекордним аж до 1953 року.

Спочатку лабораторія, заснована на базі синхроциклотрон, з метою секретності називалася гідротехнічних лабораторією АН СРСР (ГТЛ) і була філією Лабораторії № 2. У 1953 році її перетворили в самостійний Інститут ядерних проблем АН СРСР (ІЯП), який очолив М.Г. Мещеряков.

Академік Української АН А.І. Лейпунський (1907-1972) на основі принципу автофазіровкі запропонував конструкцію прискорювача, згодом названого синхрофазотроном (фото: «Наука і життя»)
Створення синхротрона по ряду причин не вдалося здійснити. По-перше, через непередбачені труднощів довелося побудувати два синхротрона на менші енергії - 30 і 250 МеВ. Їх розташували на території ФІАНа, а синхротрон на 1 ГеВ вирішили будувати за межами Москви. У червні 1948 роки йому виділили місце в декількох кілометрах від уже будується синхроциклотрон в Калінінської області, а й там його так і не побудували, так як перевага була віддана прискорювача, запропонованого академіком Української академії наук Олександром Іллічем Лейпунським. Сталося це в такий спосіб.

У 1946 році А.І. Лейпунський на основі принципу автофазіровкі висунув ідею про можливість створення прискорювача, в якому поєднувалися особливості синхротрона і синхроциклотрон. Згодом Векслер назвав такий тип прискорювача синхрофазотроном. Назва стає зрозумілим, якщо врахувати, що синхроциклотрон спочатку називали ФАЗОТРОН і в з'єднанні з синхротроном виходить синхрофазотрон. У ньому в результаті зміни керуючого магнітного поля частинки рухаються по кільцю, як в синхротроні, а прискорення виробляє високочастотне електричне поле, частота якого змінюється в часі, як в синхроциклотроні. Це дозволяло значно збільшити енергію прискорених протонів в порівнянні з сінхроціклотроном. У синхрофазотроні протони попередньо прискорюються в лінійному прискорювачі - інжекторі. Введені в основну камеру частки під дією магнітного поля починають в ній циркулювати. Такий режим називається Бетатрон. Потім включається високочастотне прискорює напруга на електродах, розміщених в двох діаметрально протилежних прямолінійних проміжках.

З усіх трьох типів прискорювачів, заснованих на принципі автофазіровкі, синхрофазотрон в технічному відношенні найбільш складний, і тоді багато хто сумнівався в можливості його створення. Але Лейпунський, впевнений, що все вийде, сміливо взявся за реалізацію своєї ідеї.

У 1947 році в Лабораторії «В» поблизу станції Обнінську (нині місто Обнінськ) спеціальна прискорювальна група під його керівництвом почала розробку прискорювача. Першими теоретиками синхрофазотрона стали Ю.А. Крутка, О.Д. Казачковскій і Л.Л. Сабсович. У лютому 1948 пройшла закрита конференція з прискорювачів, на якій крім міністрів були присутні А.Л. Мінц, відомий вже в той час фахівець з радіотехніки, і головні інженери ленінградських заводів «Електросила» і трансформаторного. Всі вони заявили, що запропонований Лейпунським прискорювач зробити можна. Обнадійливі перші теоретичні результати і підтримка інженерів провідних заводів дозволили почати роботу над конкретним технічним проектом великого прискорювача на енергію протонів 1,3-1,5 ГеВ і розгорнути експериментальні роботи, які підтвердили правильність ідеї Лейпунського. До грудня 1948 року технічний проект прискорювача був готовий, а до березня 1949 року Лейпунський повинен був представити ескізний проект синхрофазотрона на 10 ГеВ.

І раптом в 1949 році, в самий розпал робіт, уряд вирішив передати розпочату роботу по синхрофазотрон в ФІАН. Навіщо? Чому? Адже ФІАН вже займається створенням синхротрона на 1 ГеВ! Так в тому-то і справа, що обидва проекти, і синхрофазотрона на 1,5 ГеВ, і синхротрона на 1 ГеВ, були занадто дорогими, і виникло питання про їх доцільність. Остаточно його дозволили на одному зі спеціальних засідань в ФІАН, де зібралися провідні фізики країни. Вони визнали непотрібним спорудження синхротрона на 1 ГеВ через відсутність великого інтересу до прискорення електронів. Головним опонентом такої позиції виступав М.А. Марков. Основний його аргумент полягав у тому, що вивчати і протони, і ядерні сили набагато ефективніше за допомогою вже добре вивченого електромагнітної взаємодії. Однак відстояти свою точку зору йому не вдалося, і позитивне рішення виявилося на користь проекту Лейпунського.

Так виглядає синхрофазотрон на 10 Гев в Дубні

Руйнувалася заповітна мрія Векслера побудувати найбільший прискорювач. Не бажаючи миритися з ситуацією, що склалася, він за підтримки С.І. Вавилова і Д.В. Скобельцина запропонував відмовитися від споруди синхрофазотрона на 1,5 ГеВ і приступити до проектування прискорювача відразу на 10 ГеВ, раніше дорученої А.І. Лейпунський. Уряд прийняв цю пропозицію, тому що в квітні 1948 року стало відомо про проект синхрофазотрона на 6-7 ГеВ в Каліфорнійському університеті і хотілося хоч на час опинитися попереду США.

2 травня 1949 вийшла постанова Ради міністрів СРСР про створення синхрофазотрона на енергію 7-10 ГеВ на території, раніше відведеній для синхротрона. Тему перевели в ФІАН, а її науково-технічним керівником призначили В.І. Векслера, хоча справи у Лейпунського йшли цілком успішно.

Пояснити це можна, по-перше, тим, що Векслер вважався автором принципу автофазіровкі і, за спогадами сучасників, до нього дуже прихильно ставився Л.П. Берія. По-друге, С. І. Вавилов був в той час не тільки директором ФІАНа, а й президентом АН СРСР. Лейпунський запропонували стати заступником Векслера, але він відмовився і надалі в створенні синхрофазотрона не брав участі. За словами заступника Лейпунського О.Д. Казачковского, «ясно було, що два ведмеді в одному барлозі НЕ уживуться». Згодом А.І. Лейпунський і О.Д. Казачковскій стали провідними фахівцями з реакторів і в 1960 році були удостоєні Ленінської премії.

У постанові був пункт про переведення на роботу в ФІАН співробітників Лабораторії «В», що займалися розробкою прискорювача, з передачею відповідного обладнання. А передавати було що: роботу над прискорювачем в Лабораторії «В» до того моменту довели до стадії моделі і обгрунтування основних рішень.

Не всі з натхненням сприйняли переклад в ФІАН, так як з Лейпунським легко і цікаво працювалося: він був не тільки прекрасним науковим керівником, Але і чудовою людиною. Однак відмовитися від переведення було практично неможливо: в той суворий час відмова погрожував судом і таборами.

До складу групи, перекладеної з Лабораторії «В», входив інженер Леонід Петрович Зінов'єв. Він, як і інші члени прискорювальної групи, в лабораторії Лейпунського спочатку займався розробкою окремих вузлів, необхідних для моделі майбутнього прискорювача, зокрема іонного джерела і високовольтних імпульсних схем для харчування інжектора. Лейпунський відразу звернув увагу на грамотного і творчого інженера. За його вказівкою Зінов'єва першим залучили до створення дослідної установки, в якій можна було змоделювати весь процес прискорення протонів. Тоді ніхто не міг припустити, що, ставши одним з першопрохідців в роботі по втіленню ідеї синхрофазотрона в життя, Зінов'єв виявиться єдиною людиною, який пройде всі етапи його створення і вдосконалення. І не просто пройде, а очолить їх.

Теоретичні та експериментальні результати, отримані в Лабораторії «В», були використані в ФІАН при проектуванні синхрофазотрона на 10 ГеВ. Однак підвищення енергії прискорювача до цієї величини потребувало значних доопрацювань. Труднощі його створення в дуже великій мірі поглиблювалися тим, що в той час у всьому світі був відсутній досвід спорудження таких великих установок.

Під керівництвом теоретиків М.С. Рабиновича і А.А. Коломенського в ФІАН зробили фізичне обгрунтування технічного проекту. Основні складові синхрофазотрона розробили московський Радіотехнічний інститут АН і ленінградський НДІ під керівництвом їх директорів А.Л. Мінца і Є.Г. Комара.

Для отримання необхідного досвіду вирішили побудувати модель синхрофазотрона на енергію 180 МеВ. Її розташували на території ФІАНа в спеціальному приміщенні, яке з міркувань секретності назвали складом № 2. У початку 1951 року всі роботи по моделі, включаючи монтаж обладнання, наладку і комплексний її пуск, Векслер поклав на Зінов'єва.

Фіановская модель аж ніяк не була малятком - її магніт діаметром 4 метри важив 290 тонн. Згодом Зінов'єв згадував, що, коли зібрали модель відповідно до перших розрахунками і спробували її пустити, спочатку ніщо не працювало. Довелося подолати безліч непередбачених технічних труднощів, перш ніж модель запустили. Коли в 1953 році це відбулося, Векслер сказав: «Ну все! Іваньківський синхрофазотрон працювати буде! » Йшлося про великий синхрофазотрон на 10 Гев, який вже почали споруджувати в 1951 році в Калінінської області. Будівництво здійснювала організація під кодовою назвою ТДС-533 (Технічна дирекція будівництва 533).

Незадовго до пуску моделі в одному американському журналі несподівано з'явилося повідомлення про нову конструкції магнітної системи прискорювача, названої жесткофокусірующей. Вона виконується у вигляді набору чергуються секцій з протилежно спрямованими градієнтами магнітного поля. Це значно зменшує амплітуду коливань прискорених частинок, що в свою чергу дозволяє значно зменшити перетин вакуумної камери. В результаті економиться велика кількість заліза, що йде на будівництво магніту. Наприклад, прискорювач в Женеві на енергію 30 ГеВ, заснований на жорсткій фокусуванні, має втричі більшу енергію і втричі більшу довжину окружності, ніж Дубенський синхрофазотрон, а його магніт в десять разів легше.

Конструкцію магнітів жорсткої фокусування запропонували і розробили американські вчені Курант, Лівінгстон і Снайдер в 1952 році. За кілька років до них те ж саме придумав, але не опублікував Крістофілос.

Зінов'єв відразу оцінив відкриття американців і запропонував перепроектувати Дубенський синхрофазотрон. Але для цього довелося б поступитися часом. Векслер сказав тоді: «Ні, хоч на один день, але ми повинні опинитися попереду американців». Ймовірно, в умовах «холодної війни» він мав рацію - «коней на переправі не міняють». І великий прискорювач продовжили будувати по раніше розробленим проектом. У 1953 році на базі споруджуваної синхрофазотрона створили електрофізичних лабораторію АН СРСР (ЕФЛАН). Її директором призначили В.І. Векслера.

У 1956 році ІЯП і ЕФЛАН склали основу створеного Об'єднаного інституту ядерних досліджень (ОІЯД). Місце його розташування стало називатися містом Дубна. До того моменту енергія протонів на синхроциклотроні становила 680 МеВ, а будівництво синхрофазотрона завершувалося. З перших днів освіти ОІЯД стилізований малюнок будівлі синхрофазотрона (автор В.П. Бочкарьов) став його офіційним символом.

Модель допомогла у вирішенні ряду питань для прискорювача на 10 ГеВ, проте конструкція багатьох вузлів через велику різницю в розмірах зазнала значних змін. Середній діаметр електромагніту синхрофазотрона склав 60 метрів, а вага - 36 тисяч тонн (за своїми параметрами він до сих пір залишається в Книзі рекордів Гіннесса). Виник цілий комплекс нових складних інженерних завдань, які колектив успішно вирішив.

Нарешті все було готове для комплексного пуску прискорювача. За розпорядженням Векслера ним керував Л.П. Зінов'єв. Роботи почалися в кінці грудня 1956 року народження, обстановка склалася напружена, і Володимир Йосипович не щадив ні себе, ні співробітників. Нерідко залишалися ночувати на розкладачках прямо в величезному пультової залі установки. За спогадами А.А. Коломенського, більшу частину своєї невичерпній енергії в той час Векслер витрачав на «вибивання» допомоги із зовнішніх організацій і на проведення в життя слушних пропозицій, багато в чому виходили від Зінов'єва. Векслер високо цінував його експериментаторську інтуїцію, яка зіграла вирішальну роль і в пуску прискорювача-гіганта.

Дуже довго не могли отримати Бетатрон режим, без якого пуск неможливий. І саме Зінов'єв в відповідальний момент зрозумів, що треба зробити, щоб вдихнути життя в синхрофазотрон. Експеримент, до якого готувалися два тижні, до загальної радості, нарешті увінчався успіхом. 15 березня 1957 року Дубенський синхрофазотрон заробив, про що всьому світу повідомила газета «Правда» 11. квітня 1957 роки (стаття В.І. Векслера). Цікаво, що ця звістка з'явилася, лише коли енергія прискорювача, поступово піднімається з дня пуску, перевищила енергію 6,3 ГеВ лідируючого в той час американського синхрофазотрона в Берклі. «Є 8,3 мільярда електронвольт!» - повідомляла газета, повідомляючи, що в Радянському Союзі створено рекордний прискорювач. Збулася заповітна мрія Векслера!

16 квітня енергія протонів досягла проектної величини 10 ГеВ, але в експлуатацію прискорювач був зданий лише кілька місяців по тому, так як залишалося ще достатньо невирішених технічних завдань. І все ж головне було позаду - синхрофазотрон заробив.

Про це Векслер доповів на другій сесії вченої ради Об'єднаного інституту в травні 1957 року. Тоді ж директор інституту Д.І. Блохинцев зазначив, що, по-перше, модель синхрофазотрона створили за півтора року, в той час як в Америці на це пішло близько двох років. По-друге, сам синхрофазотрон вдалося пустити за три місяці, вклавшись в графік, хоча спочатку це здавалося нереальним. Саме пуск синхрофазотрона приніс Дубні першу всесвітню славу.

На третій сесії вченої ради інституту член-кореспондент АН В.П. Джелепов зазначив, що «Зінов'єв був у всіх відносинах душею запуску і вніс в цю справу колосальну кількість енергії і зусиль, саме творчих зусиль в ході налагодження машини». А Д.І. Блохинцев додав, що «Зінов'єв фактично виніс на собі величезну працю комплексного налагоджування».

Створенням синхрофазотрона займалися тисячі людей, але Леоніду Петровичу Зинов'єву в цьому належала особлива роль. Векслер писав: «Успіх запуску синхрофазотрона і можливість початку проведення широкого фронту фізичних робіт на ньому в значній мірі пов'язані з участю в цих роботах Л.П. Зінов'єва ».

Зінов'єв збирався після пуску прискорювача повернутися в ФІАН. Однак Векслер упросив його залишитися, вважаючи, що більше нікому не міг би довірити керівництво синхрофазотроном. Зінов'єв погодився і керував роботою прискорювача понад тридцять років. Під його керівництвом і за безпосередньої участі прискорювач постійно вдосконалювали. Зінов'єв любив синхрофазотрон і дуже тонко відчував подих цього залізного велетня. За його словами, не було жодної, навіть мало-мальськи деталі прискорювача, яку б він не торкнувся і призначення якої не знав би.

У жовтні 1957 року на розширеному засіданні вченої ради Курчатовський інститут під головуванням самого Ігоря Васильовича сімнадцять чоловік з різних організацій, які брали участь у створенні синхрофазотрона, були висунуті на найпрестижнішу в той час в Радянському Союзі Ленінську премію. Але за умовами число лауреатів не могло перевищувати дванадцяти чоловік. У квітні 1959 року премії були удостоєні директор Лабораторії високих енергій ОІЯД В.І. Векслер, начальник відділу тієї ж лабораторії Л.П. Зінов'єв, заступник начальника Головного управління з питань використання атомної енергії при Раді міністрів СРСР Д.В. Єфремов, директор ленінградського НДІ Є.Г. Комар і його співробітники Н. А. Моносзон, А.М. Столів, директор московського Радіотехнічного інституту АН СРСР А.Л. Мінц, співробітники того ж інституту Ф.А. Водоп'янов, С.М. Рубчинський, співробітники ФІАНа А.А. Коломенський, В.А. Пєтухов, М.С. Рабинович. Векслер і Зінов'єв стали почесними громадянами Дубни.

Синхрофазотрон залишався в строю сорок п'ять років. За цей час на ньому зробили цілий ряд відкриттів. Модель синхрофазотрона в 1960 році переробили в прискорювач електронів, до сих пір працює в ФІАН.

джерела

література:
Коломенський А. А., Лебедєв А. Н. Теорія циклічних прискорювачів. - М., 1962.
Комар Е. Г. Прискорювачі заряджених частинок. - М., 1964.
Лівінгуд Дж. Принципи роботи циклічних прискорювачів - М., 1963.
Оганесян Ю. Як створювався циклотрон / Наука і життя, 1980 № 4, с. 73.
Хілл Р. Слідами частинок - М., 1963.

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

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

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

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

http://www.larisa-zinovyeva.com

А я вам ось про які установки ще нагадаю: наприклад і як виглядає. Згадайте ще, що таке. А може бути ви не знаєте? або що таке Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якої зроблена ця копія -

Технології в СРСР розвивалися стрімко. Чого тільки варта запуск першого штучного супутника Землі, за яким спостерігав весь світ. Мало хто знає, що в той же 1957 рік у СРСР заробив (тобто був не просто добудовано і введено в експлуатацію, а саме запущений) синхрофазотрон. Слово це означає установку для розгону елементарних частинок. Практично кожен сьогодні чув про Великий адронний коллайдер - він представляє собою більш нову і вдосконалену версію описаного в даній статті пристрої.

Що це - синхрофазотрон? Для чого він потрібен?

Ця установка є великий прискорювач елементарних частинок (протонів), який дозволяє більш глибоко вивчити мікросвіт, а також взаємодія цих самих частинок один з одним. Спосіб вивчення дуже простий: розбити протони на дрібні частини і подивитися, що знаходиться всередині. Звучить все просто, але зламати протон - це надзвичайно складне завдання, для вирішення якої потрібно будівництво такого величезного споруди. Тут за спеціальним тунелем частки розганяються до величезних швидкостей і потім направляються на мішень. Вдарившись об неї, вони розлітаються на дрібні осколки. Найближчий "колега" синхрофазотрона, Великий адронний коллайдер, діє приблизно за таким же принципом, ось тільки там частки розганяються в протилежних напрямках і вдаряються нема про стоячу мішень, а стикаються один з одним.

Тепер ви трохи розумієте, що це - синхрофазотрон. Вважалося, що установка дозволить зробити науковий прорив в області дослідження мікросвіту. У свою чергу, це дозволить відкрити нові елементи і способи отримувати дешеві джерела енергії. В ідеалі хотіли відкрити елементи, які переважали за ефективності і є при цьому менш шкідливими і більш простими в утилізації.

Застосування у військових цілях

Варто відзначити, що створювалася дана установка для здійснення науково-технічного прориву, однак її цілі були не тільки мирними. Багато в чому науково-технічний прорив зобов'язаний гонці військових озброєнь. Синхрофазотрон був створений під грифом "Цілком таємно", і його розробка і будівництво проводилися в рамках створення атомної бомби. Передбачалося, що пристрій дозволить створити досконалу теорію ядерних сил, проте все виявилося не так просто. Навіть сьогодні ця теорія відсутня, хоча технічний прогрес зробив крок далеко вперед.

простими словами?

Якщо узагальнити і говорити зрозумілою мовою? Синхрофазотрон - це установка, де протони можна розігнати до великій швидкості. Вона складається з закільцьованої труби з вакуумом всередині і потужних електромагнітів, які не дають протонам рухатися хаотично. Коли протони досягають своєї максимальної швидкості руху, їх потік прямує на спеціальну мішень. Б'ючись об неї, протони розлітаються на дрібні осколки. Вчені можуть бачити сліди осколків, що розлітаються в спеціальній бульбашковій камері, і по цих слідах вони аналізують природу самих частинок.

Бульбашкова камера - це трохи застарілий пристрій для фіксації слідів протонів. Сьогодні в подібних установках застосовуються більш точні радари, що дають більше інформації про рух осколків протонів.

Незважаючи на простий принцип синхрофазотрона, сама ця установка є високотехнологічною, і її створення можливо тільки при достатньому рівні технічного і наукового розвитку, яким, безумовно, мав СРСР. Якщо приводити аналогію, то звичайний мікроскоп є тим пристроєм, призначення якого збігається з призначенням синхрофазотрона. Обидва прилади дозволяють досліджувати мікросвіт, тільки останній дозволяє "копнути глибше" і має кілька своєрідний метод дослідження.

детально

Вище була описана робота приладу простими словами. Зрозуміло, принцип дії синхрофазотрона є більш складним. Справа в тому, що для розгону часток до високих швидкостей необхідно забезпечити різниця потенціалів в сотні мільярди вольт. Це неможливо навіть на нинішньому етапі розвитку технологій, не кажучи вже про попередньому.

Тому було прийнято рішення розганяти частинки поступово і ганяти їх по колу довго. На кожному колі протони підживлювалися енергією. В результаті проходження мільйонів обертів вдалося набрати необхідну швидкість, після чого їх направляли в мішень.

Саме такий принцип застосовувався в синхрофазотроні. Спочатку по тунелю частки рухалися з невеликою швидкістю. На кожному колі вони потрапляли на так звані проміжки прискорення, де отримували додатковий заряд енергії і набирали швидкість. Ці ділянки прискорення є конденсаторами, частота змінної напруги яких дорівнює частоті проходження протонів по кільцю. Тобто частки потрапляли на ділянку прискорення при негативному заряді, в цей момент напруга різко зростала, що надавало їм швидкості. Якщо ж частинки потрапляли на ділянку прискорення при позитивному заряді, то їх рух пригальмовувати. І це - позитивна особливість, так як через неї весь пучок протонів рухався з однією швидкістю.

І так повторювалося мільйони разів, і коли частинки набували необхідну швидкість, їх направляли в спеціальну мішень, про яку ті розбивалися. Після група вчених вивчала результати зіткнення частинок. Ось за такою схемою синхрофазотрон і працював.

роль магнітів

Відомо, що в цій величезній машині по прискоренню часток застосовувалися також потужні електромагніти. Люди помилково вважають, що вони використовувалися для розгону протонів, але це не так. Розганялися частки за допомогою спеціальних конденсаторів (ділянок прискорення), а магніти лише утримували протони в строго заданої траєкторії. Без них послідовний рух пучка елементарних частинок було б неможливо. А висока потужність електромагнітів пояснюється великою масою протонів при високій швидкості руху.

З якими проблемами зіткнулися вчені?

Одна з головних проблем при створенні цієї установки полягала саме в розгоні частинок. Звичайно, їм можна було надавати прискорення на кожному колі, однак при прискоренні їх маса ставала вище. При швидкості руху, близькою до швидкості світла (як відомо, ніщо не може рухатися швидше за швидкість світла), їх маса ставала величезною, через що утримувати їх на круговій орбіті було складно. Зі шкільної програми нам відомо, що радіус руху елементів в магнітом поле обернено пропорційний їх масі, тому з ростом маси протонів доводилося збільшувати радіус і використовувати великі сильні магніти. Подібні закони фізики сильно обмежують можливості для дослідження. До речі, ними ж можна пояснити, чому синхрофазотрон вийшов таким величезним. Чим більшим буде тунель, тим більші магніти можна встановити для створення сильного магнітного поля для утримання потрібного напрямку руху протонів.

Друга проблема - втрата енергії при русі. Частинки при проходженні по колу випромінюють енергію (втрачають її). Отже, при русі на швидкості частина енергії випаровується, і, чим вище швидкість руху, тим вище і втрати. Рано чи пізно настає момент, коли величини випромінюваної і одержуваної енергії порівнюються, що унеможливлює подальший розгін частинок. Отже, виникають потреби в великих потужностях.

Можна сказати, що ми тепер більш точно розуміємо, що це - синхрофазотрон. Але чого саме домоглися вчені в ході випробувань?

Які дослідження проводилися?

Природно, робота цієї установки не пройшла безслідно. І хоча від неї очікували отримати більш серйозні результати, деякі дослідження виявилися вкрай корисними. Зокрема, вчені вивчили властивості прискорених дейтронів, взаємодій важких іонів з мішенями, розробили більш ефективну технологію для утилізації відпрацьованого урану-238. І хоча для звичайної людини всі ці результати мало про що говорять, в науковій сфері їх значимість складно переоцінити.

застосування результатів

Результати проведених на синхрофазотроні випробувань застосовуються навіть сьогодні. Зокрема, вони використовуються при будівництва електростанцій, що працюють на застосовуються при створенні космічних ракет, робототехніки та складного обладнання. Безумовно, внесок в науку і технічний прогрес цього проекту досить великий. Деякі результати застосовуються і у військовій сфері. І хоча вченим не вдалося відкрити нові елементи, які можна було б використовувати для створення нових атомним бомб, Насправді ніхто не знає, правда це чи ні. Цілком можливо, що від населення приховують деякі результати, адже варто враховувати, що даний проект був реалізований під грифом "Цілком таємно".

висновок

Тепер ви розумієте, що це - синхрофазотрон, і яка його роль в науково-технічному прогресі СРСР. Навіть сьогодні подібні установки активно використовуються в багатьох країнах, ось тільки є вже більш вдосконалені варіанти - нуклотрон. Великий адронний коллайдер є, мабуть, найкращою на сьогоднішній день реалізацією ідеї синхрофазотрона. Застосування цієї установки дозволяє вченим точніше пізнавати мікросвіт за рахунок зіштовхування двох пучків протонів, що рухаються на величезних швидкостях.

Що стосується нинішнього стану радянського синхрофазотрона, то він був перероблений в прискорювач електронів. Зараз працює в ФІАН.

+ Елек трон) - резонансний циклічний прискорювач з незмінною в процесі прискорення довжиною рівноважної орбіти. Щоб частки в процесі прискорення залишалися на тій же орбіті, змінюється як провідне магнітне поле, так і частота прискорювального електричного поля. Останнє необхідно, щоб пучок приходив в прискорює секцію завжди в фазі з високочастотним електричним полем. У тому випадку, якщо частинки ультрарелятивістських, частота звернення, при фіксованій довжині орбіти, не змінюється з ростом енергії, і частота ВЧ-генератора також повинна залишатися незмінною. Такий прискорювач вже називається синхротроном.

Напишіть відгук про статтю "синхрофазотрон"

Примітки

Див. також



за конструкцією

По призначенню

Уривок, що характеризує синхрофазотрон

Особа генерала насупилося, губи його сіпнулися і затремтіли. Він вийняв записну книжку, швидко накреслив що то олівцем, вирвав листок, віддав, швидкими кроками підійшов до вікна, кинув своє тіло на стілець і оглянули колишніх в кімнаті, ніби запитуючи: навіщо вони на нього дивляться? Потім генерал підняв голову, витягнув шию, як ніби маючи намір щось сказати, але одразу ж, як ніби недбало починаючи наспівувати про себе, справив дивний звук, який відразу ж припинився. Двері кабінету відчинилися, і на порозі її здався Кутузов. Генерал з пов'язати голову, наче тікаючи від небезпеки, нагнувшись, великими, швидкими кроками худих ніг підійшов до Кутузову.
- Vous voyez le malheureux Mack, [Ви бачите нещасного Мака.] - промовив він зірвався голосом.
Особа Кутузова, що стояв в дверях кабінету, кілька миттєвостей залишалося зовсім нерухомо. Потім, як хвиля, пробігла по його обличчю зморшка, лоб розгладився; він шанобливо нахилив голову, закрив очі, мовчки пропустив повз себе Мака і сам за собою зачинив двері.
Слух, вже поширений перш, про розбитті австрійців і про здачу всієї армії під Ульм, опинявся справедливим. Через півгодини вже за різними напрямками були розіслані ад'ютанти з наказами, доводили, що скоро і російські війська, до сих пір були у бездіяльності, повинні будуть зустрітися з ворогом.
Князь Андрій був один з тих рідкісних офіцерів у штабі, який вважав свій головний інтерес в загальному ході військової справи. Побачивши Мака і почувши подробиці його смерті, він зрозумів, що половина кампанії програна, зрозумів всю складність становища російських військ і живо уявив собі те, що очікує армію, і ту роль, яку він повинен буде грати в ній.

Парламентаріям Великобританії знадобилося всього 15 хвилин, щоб вирішити питання про державну інвестиції розміром 1 млрд. Фунтів у будівництво синхрофазотрона. Після цього - вони протягом однієї години бурхливо обговорювали вартість кави, ні багато ні мало, в парламентському буфеті. І таки вирішили: знизили ціну на 15%.

Здавалося б, завдання-то за складністю взагалі не можна порівняти, і все за логікою речей мало статися з точністю до навпаки. Час - на науку, 15 хвилин - на каву. Але ж ні! Як з'ясувалося пізніше, більшість високоповажних політиків оперативно дали своє сокровенне «за», абсолютно не маючи поняття, що таке «синхрофазотрон».

Давайте, дорогий читачу, разом з вами заповнимо цю прогалину знань і не будемо уподібнюватися наукової недалекоглядності деяких товаришів.

Що таке синхрофазотрон?

Синхрофазотрон - електронна установка для наукових досліджень - циклічний прискорювач елементарних частинок (нейтронів, протонів, електронів і ін). Має форму величезного кільця, вагою понад 36 тис. Тонн. Його надпотужні магніти і прискорюють трубки наділяють мікроскопічні частинки колосальною енергією спрямованого руху. У надрах резонатора ФАЗОТРОН, на глибині 14,5метра, відбуваються, по істині, фантастичні перетворення на фізичному рівні: наприклад, крихітний протон отримує 20 млн. Електрон-вольт, а важкий іон - 5 млн. ЕВ. І це лише скромна дещиця всіх можливостей!

Саме, завдяки унікальним властивостям циклічного прискорювача, ученим удалося пізнати найбільші таємниці світобудови: вивчити будову мізерно малих частинок і фізико-хімічні процеси, що відбуваються всередині їх оболонок; на власні очі спостерігати реакцію синтезу; відкривати природу досі незвіданих мікроскопічних об'єктів.

Фазотрон ознаменував нову еру наукових досліджень - територію досліджень, де був безсилий мікроскоп, про яку з великою обережністю говорили навіть фантасти-новатори (їх прозорливий творчий політ не зміг передбачити свершённих відкриттів!).

Історія синхрофазотрона

Спочатку, прискорювачі були лінійними, тобто не мали циклічної структури. Але незабаром фізикам довелося від них відмовитися. Вимоги до величинам енергії збільшувалися - її потрібно було більше. А лінійна конструкція не справлялася: теоретичні розрахунки показували, що для цих значень, вона повинна бути неймовірної довжини.

У 1929р. американець Е.Лоуренс робить спроби вирішити цю проблему і винаходить циклотрон, прообраз сучасного ФАЗОТРОН. Випробування проходять успішно. Через десять років, в 1939 р. Лоуренс удостоюється Нобелівської премії.
У 1938р. в СРСР питанням створення і удосконалення прискорювачів починає активно займатися талановитий фізик В.І.Векслер. У лютому 1944р. до нього приходить революційна ідея як подолати енергетичний бар'єр. Свій метод Векслер називає «автофазіровкой». Рівно через рік, цю ж технологію абсолютно незалежно відкриває Е.Макміллан, вчений з США.
У 1949р в Радянському Союзі під керівництвом В.І. Векслера і С.І. Вавилова розгортається великомасштабний науковий проект - створення синхрофазотрона потужністю 10 млрд. Електрон-вольт. Протягом 8 років на базі інституту ядерних досліджень в місті Дубно на Україні група фізиків-теоретиків, конструкторів і інженерів ретельно трудилася над установкою. Тому його ще називають Дубнинська синхрофазотрон.

Пуск синхрофазотрона в експлуатацію відбувся в березні 1957р., За півроку до польоту в космос першого штучного супутника Землі.

Які дослідження проводяться на синхрофазотроні?

Резонансний циклічний прискорювач Векслера породив плеяду видатних відкриттів в багатьох аспектах фундаментальної фізики і, зокрема, в деяких спірних і маловивчених проблемах теорії відносності Ейнштейна:

поведінку кварковой структури ядер в процесі взаємодії;
освіту кумулятивних часток в результаті реакцій за участю ядер;
вивчення властивостей прискорених дейтронів;
взаємодія важких іонів з мішенями (перевірка стійкості мікросхем);
утилізація Урана-238.

Результати, отримані за цими напрямками, успішно застосовуються в будівництві космічних кораблів, проектуванні атомних електростанцій, розробці робототехніки та обладнання для роботи в екстремальних умовах. Але найдивніше те, що низка досліджень, здійснених на синхрофазотроні, все більше наближає вчених до розгадки великої таємниці походження Всесвіту.