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O que é um sincrofasotron? O que é um sincrofasotron: princípio de funcionamento e resultados obtidos Qual é o princípio de funcionamento de um sincrofasotron

Os parlamentares do Reino Unido levaram apenas 15 minutos para decidir sobre um investimento governamental de mil milhões de libras na construção de um sincrofasotron. Depois disso, discutiram acaloradamente o custo do café durante nada menos que uma hora no bufê parlamentar. E então decidiram: reduziram o preço em 15%.

Parece que as tarefas não são comparáveis em complexidade e tudo, logicamente, deveria ter acontecido exatamente o contrário. Uma hora para ciências, 15 minutos para café. Mas não! Como se descobriu mais tarde, a maioria dos políticos respeitáveis rapidamente deu o seu “a favor” mais íntimo, sem ter absolutamente nenhuma ideia do que é um “sincrofasotron”.

Deixe-nos, caro leitor, junto com você preencher essa lacuna de conhecimento e não sermos como a miopia científica de alguns camaradas.

O que é um sincrofasotron?

Sincrofasotron é uma instalação eletrônica para pesquisa científica - um acelerador cíclico de partículas elementares (nêutrons, prótons, elétrons, etc.). Tem o formato de um enorme anel, pesando mais de 36 mil toneladas. Seus ímãs ultrapoderosos e tubos aceleradores fornecem às partículas microscópicas uma energia colossal de movimento direcionado. Nas profundezas do ressonador fasotron, a uma profundidade de 14,5 metros, ocorrem transformações verdadeiramente fantásticas no nível físico: por exemplo, um minúsculo próton recebe 20 milhões de elétron-volts e um íon pesado recebe 5 milhões de eV. E esta é apenas uma modesta fração de todas as possibilidades!

É graças às propriedades únicas do acelerador cíclico que os cientistas puderam aprender os segredos mais íntimos do universo: estudar a estrutura das partículas desprezíveis e os processos físicos e químicos que ocorrem dentro de suas conchas; observe a reação de síntese com seus próprios olhos; descobrir a natureza de objetos microscópicos até então desconhecidos.

Phazotron marcou uma nova era na pesquisa científica - um território de pesquisa onde o microscópio era impotente, sobre o qual até mesmo escritores inovadores de ficção científica falavam com grande cautela (seu vôo criativo e perspicaz não poderia prever as descobertas feitas!).

História do sincrofasotron

Inicialmente, os aceleradores eram lineares, ou seja, não possuíam estrutura cíclica. Mas logo os físicos tiveram que abandoná-los. Os requisitos para os níveis de energia aumentaram – era necessário mais. Mas o projeto linear não aguentou: cálculos teóricos mostraram que, para esses valores, ele deveria ter um comprimento incrível.

Em 1929 O americano E. Lawrence tenta resolver esse problema e inventa um ciclotron, o protótipo do fasotron moderno. Os testes estão indo bem. Dez anos depois, em 1939. Lawrence recebe o Prêmio Nobel.
Em 1938 Na URSS, o talentoso físico V. I. Veksler começou a se envolver ativamente na questão da criação e melhoria de aceleradores. Em fevereiro de 1944 ele apresenta uma ideia revolucionária sobre como superar a barreira energética. Wexler chama seu método de “autophasing”. Exatamente um ano depois, a mesma tecnologia foi descoberta de forma totalmente independente por E. Macmillan, um cientista dos EUA.
Em 1949, na União Soviética, sob a liderança de V.I. Veksler e S.I. Vavilov, um projeto científico em grande escala está sendo desenvolvido - a criação de um sincrofasotron com potência de 10 bilhões de elétron-volts. Durante 8 anos, no Instituto de Pesquisa Nuclear da cidade de Dubno, na Ucrânia, um grupo de físicos teóricos, designers e engenheiros trabalharam meticulosamente na instalação. É por isso que também é chamado de Sincrofasotron Dubna.

O sincrofasotron foi colocado em operação em março de 1957, seis meses antes do voo ao espaço do primeiro satélite artificial da Terra.

Que pesquisas estão sendo realizadas no sincrofasotron?

O acelerador cíclico ressonante de Wechsler deu origem a uma galáxia de descobertas notáveis em muitos aspectos da física fundamental e, em particular, em alguns problemas controversos e pouco estudados da teoria da relatividade de Einstein:

comportamento da estrutura quark dos núcleos durante a interação;
a formação de partículas cumulativas como resultado de reações envolvendo núcleos;
estudando as propriedades dos deutérios acelerados;
interação de íons pesados com alvos (teste de resistência de microcircuitos);
reciclagem de Urânio-238.

Os resultados obtidos nessas áreas são utilizados com sucesso na construção de naves espaciais, no projeto de usinas nucleares, no desenvolvimento de robótica e equipamentos para trabalhar em condições extremas. Mas o mais surpreendente é que uma série de estudos realizados no sincrofasotron estão aproximando cada vez mais os cientistas da solução do grande mistério da origem do Universo.

O mundo inteiro sabe que em 1957 a URSS lançou o primeiro satélite artificial da Terra do mundo. No entanto, poucas pessoas sabem que no mesmo ano a União Soviética começou a testar o sincrofasotron, que é o progenitor do moderno Grande Colisor de Hádrons em Genebra. O artigo discutirá o que é um sincrofasotron e como ele funciona.

Respondendo à pergunta sobre o que é um sincrofasotron, deve-se dizer que é um dispositivo de alta tecnologia e uso intensivo de ciência, destinado ao estudo do microcosmo. Em particular, a ideia do sincrofasotron era a seguinte: era necessário, por meio de poderosos campos magnéticos criados por eletroímãs, acelerar um feixe de partículas elementares (prótons) a altas velocidades, e então direcionar esse feixe para um alvo em repouso . A partir de tal colisão, os prótons terão que “quebrar-se” em pedaços. Não muito longe do alvo existe um detector especial - uma câmara de bolhas. Este detector permite estudar sua natureza e propriedades usando os rastros deixados pelas partes dos prótons.

Por que foi necessário construir o sincrofasotron da URSS? Nesta experiência científica, classificada como "ultrassecreta", os cientistas soviéticos tentaram encontrar uma nova fonte de energia mais barata e eficiente do que o urânio enriquecido. Também foram perseguidos objetivos puramente científicos de um estudo mais profundo da natureza das interações nucleares e do mundo das partículas subatômicas.

Princípio de funcionamento do sincrofasotron

A descrição acima das tarefas enfrentadas pelo sincrofasotron pode não parecer muito difícil para muitos implementarem na prática, mas não é assim. Apesar da simplicidade da questão do que é um sincrofasotron, para acelerar os prótons às enormes velocidades exigidas, são necessárias tensões elétricas de centenas de bilhões de volts. Tais tensões não podem ser criadas ainda hoje. Portanto, decidiu-se distribuir a energia bombeada nos prótons ao longo do tempo.

O princípio de funcionamento do sincrofasotron era o seguinte: um feixe de prótons inicia seu movimento através de um túnel em forma de anel, em algum lugar deste túnel existem capacitores que criam um surto de tensão no momento em que o feixe de prótons voa através deles . Assim, a cada volta ocorre uma ligeira aceleração dos prótons. Depois que o feixe de partículas fizer vários milhões de rotações através do túnel sincrofasotron, os prótons atingirão as velocidades desejadas e serão direcionados para o alvo.

Vale ressaltar que os eletroímãs utilizados durante a aceleração dos prótons tiveram um papel orientador, ou seja, determinaram a trajetória do feixe, mas não participaram de sua aceleração.

Problemas que os cientistas encontraram ao conduzir experimentos

Para entender melhor o que é um sincrofasotron e por que sua criação é um processo muito complexo e que exige muito conhecimento, deve-se considerar os problemas que surgem durante sua operação.

Em primeiro lugar, quanto maior for a velocidade do feixe de protões, mais massa eles começam a ter, de acordo com a famosa lei de Einstein. Em velocidades próximas à da luz, a massa das partículas torna-se tão grande que, para mantê-las na trajetória desejada, é necessário contar com eletroímãs potentes. Quanto maior o tamanho do sincrofasotron, maiores serão os ímãs que podem ser instalados.

Em segundo lugar, a criação de um sincrofasotron também foi complicada pelas perdas de energia do feixe de prótons durante sua aceleração circular, e quanto maior a velocidade do feixe, mais significativas se tornam essas perdas. Acontece que para acelerar o feixe às velocidades gigantescas exigidas, é necessário ter enormes poderes.

Que resultados foram obtidos?

Sem dúvida, os experimentos no sincrofasotron soviético deram uma enorme contribuição para o desenvolvimento dos campos modernos da tecnologia. Assim, graças a esses experimentos, os cientistas da URSS conseguiram melhorar o processo de processamento do urânio-238 usado e obtiveram alguns dados interessantes ao colidir íons acelerados de diferentes átomos com um alvo.

Os resultados dos experimentos no sincrofasotron ainda são utilizados até hoje na construção de usinas nucleares, foguetes espaciais e robótica. As conquistas do pensamento científico soviético foram utilizadas na construção do sincrofasotron mais poderoso do nosso tempo, que é o Grande Colisor de Hádrons. O próprio acelerador soviético atende à ciência da Federação Russa, estando localizado no Instituto FIAN (Moscou), onde é usado como acelerador de íons.

O que é um sincrofasotron: o princípio de funcionamento e os resultados obtidos - tudo sobre o deslocamento até o local

Esta é a palavra indescritivelmente familiar “sincrofasotron”! Lembre-me de como isso chegou aos ouvidos do homem comum da União Soviética? Tinha algum filme ou música popular, lembro exatamente o que era! Ou era simplesmente o análogo de uma palavra impronunciável?

Agora vamos lembrar o que é e como foi criado...

Em 1957, a União Soviética fez um avanço científico revolucionário em duas direções ao mesmo tempo: em outubro foi lançado o primeiro satélite artificial da Terra e, alguns meses antes, em março, o lendário sincrofasotron, uma instalação gigante para estudar o micromundo, começou a operar. em Dubna. Estes dois acontecimentos chocaram o mundo inteiro, e as palavras “satélite” e “sincrofasotron” tornaram-se firmemente estabelecidas em nossas vidas.

O sincrofasotron é um tipo de acelerador de partículas carregadas. As partículas neles contidas são aceleradas a altas velocidades e, portanto, a altas energias. Com base nos resultados de suas colisões com outras partículas atômicas, a estrutura e as propriedades da matéria são avaliadas. A probabilidade de colisões é determinada pela intensidade do feixe de partículas acelerado, ou seja, pelo número de partículas nele contidas, portanto a intensidade, junto com a energia, é um parâmetro importante do acelerador.

Os aceleradores atingem tamanhos enormes e não é por acaso que o escritor Vladimir Kartsev os chamou de pirâmides da era nuclear, pelas quais os descendentes julgarão o nível de nossa tecnologia.

Antes da construção dos aceleradores, a única fonte de partículas de alta energia eram os raios cósmicos. Trata-se principalmente de prótons com energia da ordem de vários GeV, vindos livremente do espaço, e partículas secundárias decorrentes de sua interação com a atmosfera. Mas o fluxo dos raios cósmicos é caótico e de baixa intensidade, por isso, com o tempo, começaram a ser criadas instalações especiais para pesquisas laboratoriais - aceleradores com feixes controlados de partículas de alta energia e maior intensidade.

O funcionamento de todos os aceleradores baseia-se num fato bem conhecido: uma partícula carregada é acelerada por um campo elétrico. Porém, é impossível obter partículas de altíssima energia acelerando-as apenas uma vez entre dois eletrodos, pois isso exigiria a aplicação de uma enorme tensão sobre elas, o que é tecnicamente impossível. Portanto, partículas de alta energia são obtidas passando-as repetidamente entre os eletrodos.

Aceleradores nos quais uma partícula passa por lacunas de aceleração localizadas sucessivamente são chamados de lineares. O desenvolvimento de aceleradores começou com eles, mas a necessidade de aumentar a energia das partículas levou a comprimentos de instalação quase irrealisticamente longos.

Em 1929, o cientista americano E. Lawrence propôs o projeto de um acelerador no qual uma partícula se move em espiral, passando repetidamente pelo mesmo espaço entre dois eletrodos. A trajetória da partícula é dobrada e torcida por um campo magnético uniforme direcionado perpendicularmente ao plano orbital. O acelerador foi chamado de ciclotron. Em 1930-1931, Lawrence e seus colegas construíram o primeiro ciclotron na Universidade da Califórnia (EUA). Por esta invenção ele recebeu o Prêmio Nobel em 1939.

Num ciclotron, um campo magnético uniforme é criado por um grande eletroímã, e um campo elétrico é gerado entre dois eletrodos ocos em forma de D (daí seu nome, “dees”). Uma tensão alternada é aplicada aos eletrodos, que muda de polaridade toda vez que a partícula faz meia revolução. Devido a isso, o campo elétrico sempre acelera as partículas. Esta ideia não poderia ser concretizada se partículas com energias diferentes tivessem períodos de revolução diferentes. Mas, felizmente, embora a velocidade aumente com o aumento da energia, o período de revolução permanece constante, uma vez que o diâmetro da trajetória aumenta na mesma proporção. É esta propriedade do cíclotron que permite a utilização de uma frequência constante do campo elétrico para aceleração.

Logo, os ciclotrons começaram a ser criados em outros laboratórios de pesquisa.

Construção do sincrofasotron na década de 1950

A necessidade de criar uma base aceleradora séria na União Soviética foi anunciada a nível governamental em março de 1938. Um grupo de pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Leningrado (LPTI), liderado pelo Acadêmico A.F. Ioffe dirigiu-se ao Presidente do Conselho dos Comissários do Povo da URSS V.M. Molotov com uma carta na qual se propunha a criação de uma base técnica para pesquisas na área da estrutura do núcleo atômico. As questões sobre a estrutura do núcleo atômico tornaram-se um dos problemas centrais das ciências naturais, e a União Soviética ficou significativamente para trás na sua solução. Portanto, se a América tivesse pelo menos cinco cíclotrons, a União Soviética não teria nenhum (o único cíclotron do Instituto de Rádio da Academia de Ciências (RIAN), lançado em 1937, praticamente não funcionou devido a defeitos de projeto). O apelo a Molotov continha um pedido de criação de condições para a conclusão da construção do ciclotron LPTI até 1º de janeiro de 1939. As obras de sua criação, iniciadas em 1937, foram suspensas devido a inconsistências departamentais e à cessação do financiamento.

Na verdade, na época em que a carta foi escrita, havia um claro mal-entendido nos círculos governamentais do país sobre a relevância da pesquisa no campo da física atômica. De acordo com as memórias de M.G. Meshcheryakov, em 1938, houve até uma questão de liquidar o Instituto do Rádio, que, em certa opinião, estava envolvido em pesquisas desnecessárias sobre urânio e tório, enquanto o país tentava aumentar a produção de carvão e a fundição de aço.

A carta a Molotov surtiu efeito, e já em junho de 1938, uma comissão da Academia de Ciências da URSS, chefiada por P.L. Kapitsa, a pedido do governo, concluiu sobre a necessidade de construir um cíclotron de 10–20 MeV no LFTI, dependendo do tipo de partículas aceleradas, e de melhorar o cíclotron RIAN.

Em novembro de 1938, S.I. Vavilov, num apelo ao Presidium da Academia de Ciências, propôs construir o ciclotron LPTI em Moscou e transferir o laboratório de I.V. para o Instituto de Física da Academia de Ciências (FIAN) do LPTI. Kurchatova, que esteve envolvido na sua criação. Sergei Ivanovich queria que o laboratório central de estudo do núcleo atômico ficasse no mesmo local onde ficava a Academia de Ciências, ou seja, em Moscou. No entanto, ele não foi apoiado no LPTI. A controvérsia terminou no final de 1939, quando A.F. Ioffe propôs a criação de três cíclotrons de uma só vez. Em 30 de julho de 1940, em uma reunião do Presidium da Academia de Ciências da URSS, foi decidido instruir a RIAN a modernizar o ciclotron existente este ano, e a FIAN a preparar os materiais necessários para a construção de um novo e poderoso ciclotron até 15 de outubro. , e LFTI para concluir a construção do ciclotron no primeiro trimestre de 1941.

Em conexão com esta decisão, a FIAN criou a chamada equipe ciclotron, que incluía Vladimir Iosifovich Veksler, Sergei Nikolaevich Vernov, Pavel Alekseevich Cherenkov, Leonid Vasilyevich Groshev e Evgeniy Lvovich Feinberg. Em 26 de setembro de 1940, o Bureau do Departamento de Ciências Físicas e Matemáticas (OPMS) ouviu informações de V.I. Wexler nas especificações de projeto do ciclotron, aprovou suas principais características e estimativas de construção. O ciclotron foi projetado para acelerar os deutérios a uma energia de 50 MeV. A FIAN planejou iniciar sua construção em 1941 e lançá-la em 1943. Os planos foram interrompidos pela guerra.

A necessidade urgente de criar uma bomba atômica obrigou a União Soviética a mobilizar esforços no estudo do micromundo. Dois ciclotrons foram construídos um após o outro no Laboratório nº 2 em Moscou (1944, 1946); em Leningrado, após o levantamento do bloqueio, os ciclotrons de RIAN e LPTI foram restaurados (1946).

Embora o projeto do ciclotron FIAN tenha sido aprovado antes da guerra, ficou claro que o projeto de Lawrence havia se esgotado, uma vez que a energia dos prótons acelerados não poderia exceder 20 MeV. É a partir dessa energia que começa a ser sentido o efeito do aumento da massa de uma partícula em velocidades proporcionais à velocidade da luz, o que decorre da teoria da relatividade de Einstein.

Devido ao aumento da massa, a ressonância entre a passagem de uma partícula pelo intervalo de aceleração e a fase correspondente do campo elétrico é interrompida, o que acarreta a frenagem.

Deve-se notar que o ciclotron foi projetado para acelerar apenas partículas pesadas (prótons, íons). Isso se deve ao fato de que, devido à massa de repouso muito pequena, o elétron já com energias de 1–3 MeV atinge uma velocidade próxima à velocidade da luz, como resultado sua massa aumenta visivelmente e a partícula sai rapidamente da ressonância. .

O primeiro acelerador cíclico de elétrons foi o betatron, construído por Kerst em 1940 com base na ideia de Wideroe. O betatron é baseado na lei de Faraday, segundo a qual, quando o fluxo magnético que penetra em um circuito fechado muda, uma força eletromotriz aparece neste circuito. Em um betatron, um circuito fechado é um fluxo de partículas movendo-se em uma órbita circular em uma câmara de vácuo de raio constante em um campo magnético crescente. Quando o fluxo magnético dentro da órbita aumenta, surge uma força eletromotriz, cujo componente tangencial acelera os elétrons. Num betatron, como um cíclotron, há uma limitação para a produção de partículas de energia muito alta. Isso se deve ao fato de que, de acordo com as leis da eletrodinâmica, os elétrons que se movem em órbitas circulares emitem ondas eletromagnéticas, que transportam muita energia em velocidades relativísticas. Para compensar essas perdas, é necessário aumentar significativamente o tamanho do núcleo magnético, que tem um limite prático.

Assim, no início da década de 1940, as possibilidades de obtenção de energias mais elevadas tanto dos prótons quanto dos elétrons haviam se esgotado. Para futuras pesquisas do micromundo, foi necessário aumentar a energia das partículas aceleradas, por isso a tarefa de encontrar novos métodos de aceleração tornou-se urgente.

Em fevereiro de 1944, V.I. Wexler apresentou uma ideia revolucionária sobre como superar a barreira energética do cíclotron e do betatron. Era tão simples que parecia estranho por que eles não haviam chegado a esse ponto antes. A ideia era que durante a aceleração ressonante, as frequências de rotação das partículas e o campo acelerador coincidissem constantemente, ou seja, fossem síncronos. Ao acelerar partículas relativísticas pesadas em um ciclotron, para sincronização, foi proposto alterar a frequência do campo elétrico em aceleração de acordo com uma determinada lei (mais tarde, tal acelerador foi chamado de sincrociclotron).

Para acelerar os elétrons relativísticos, foi proposto um acelerador, que mais tarde foi chamado de síncrotron. Nele, a aceleração é realizada por um campo elétrico alternado de frequência constante, e o sincronismo é garantido por um campo magnético que varia de acordo com uma determinada lei, que mantém as partículas em uma órbita de raio constante.

Para fins práticos, foi necessário verificar teoricamente se os processos de aceleração propostos são estáveis, ou seja, com pequenos desvios da ressonância, o faseamento das partículas ocorrerá automaticamente. O físico teórico da equipe do ciclotron E.L. Feinberg chamou a atenção de Wexler para isso e ele mesmo provou matematicamente a estabilidade dos processos. É por isso que a ideia de Wexler foi chamada de “princípio da fase automática”.

Para discutir a solução resultante, a FIAN realizou um seminário, no qual Wexler apresentou um relatório introdutório e Feinberg apresentou um relatório sobre sustentabilidade. O trabalho foi aprovado e, no mesmo 1944, a revista “Relatórios da Academia de Ciências da URSS” publicou dois artigos que discutiam novos métodos de aceleração (o primeiro artigo tratava de um acelerador baseado em múltiplas frequências, mais tarde denominado microtron). Seu autor foi listado apenas como Wexler, e o nome de Feinberg não foi mencionado. Muito em breve, o papel de Feinberg na descoberta do princípio do autophasing foi injustamente remetido ao completo esquecimento.

Um ano depois, o princípio da fase automática foi descoberto de forma independente pelo físico americano E. MacMillan, mas Wexler manteve a prioridade.

De referir que nos aceleradores baseados no novo princípio, a “regra da alavancagem” manifestou-se claramente - um ganho de energia implicou uma perda na intensidade do feixe de partículas aceleradas, o que está associado à natureza cíclica da sua aceleração , em contraste com a aceleração suave em cíclotrons e betatrons. Este ponto desagradável foi imediatamente apontado na sessão do Departamento de Ciências Físicas e Matemáticas de 20 de fevereiro de 1945, mas ao mesmo tempo todos chegaram por unanimidade à conclusão de que esta circunstância não deveria em caso algum interferir na implementação do projeto. Embora, aliás, a luta pela intensidade posteriormente incomodasse constantemente os “aceleradores”.

Na mesma sessão, por proposta do Presidente da Academia de Ciências da URSS S.I. Vavilov, decidiu-se construir imediatamente dois tipos de aceleradores propostos por Wexler. Em 19 de fevereiro de 1946, a Comissão Especial do Conselho dos Comissários do Povo da URSS instruiu a comissão competente a desenvolver seus projetos, indicando a capacidade, o tempo de produção e o local de construção. (A criação de um ciclotron foi abandonada na FIAN.)

Como resultado, em 13 de agosto de 1946, foram emitidas simultaneamente duas resoluções do Conselho de Ministros da URSS, assinadas pelo Presidente do Conselho de Ministros da URSS I.V. Stalin e o gerente de assuntos do Conselho de Ministros da URSS Ya.E. Chadaev, para criar um síncrociclotron com energia de deutério de 250 MeV e um síncrotron com energia de 1 GeV. A energia dos aceleradores foi ditada principalmente pelo confronto político entre os EUA e a URSS. Nos EUA, eles já criaram um síncrociclotron com energia de deutério de cerca de 190 MeV e começaram a construir um síncrotron com energia de 250–300 MeV. Os aceleradores domésticos deveriam exceder os americanos em energia.

O sincrociclotron estava associado à esperança de descoberta de novos elementos, novas formas de produzir energia atômica a partir de fontes mais baratas que o urânio. Com a ajuda de um síncrotron, pretendiam produzir artificialmente mésons, que, como presumiam os físicos soviéticos da época, eram capazes de causar a fissão nuclear.

Ambas as resoluções foram emitidas com o selo “Top Secret (pasta especial)”, já que a construção dos aceleradores foi realizada no âmbito do projeto de criação de uma bomba atômica. Com a ajuda deles, eles esperavam obter uma teoria precisa das forças nucleares necessária para os cálculos das bombas, que na época eram realizados apenas usando um grande conjunto de modelos aproximados. É verdade que nem tudo foi tão simples como se pensava inicialmente, e deve-se notar que tal teoria não foi criada até hoje.

As resoluções determinaram os canteiros de construção dos aceleradores: o síncrotron - em Moscou, na Rodovia Kaluzhskoe (atual Leninsky Prospekt), no território do Instituto de Física Lebedev; sincrociclotron - na área da usina hidrelétrica de Ivankovskaya, 125 quilômetros ao norte de Moscou (na época região de Kalinin). Inicialmente, a criação de ambas as aceleradoras foi confiada à FIAN. V.I. foi nomeado chefe do trabalho síncrotron. Veksler, e para o sincrociclotron - D.V. Skobeltsyn.

À esquerda está o Doutor em Ciências Técnicas, Professor L.P. Zinoviev (1912–1998), à direita - Acadêmico da Academia de Ciências da URSS V.I. Wexler (1907–1966) durante a criação do sincrofasotron

Seis meses depois, o chefe do projeto nuclear I.V. Kurchatov, insatisfeito com o andamento dos trabalhos no sincrociclotron Fianov, transferiu este tópico para seu Laboratório nº 2. Ele nomeou M.G. Meshcheryakov, dispensado do trabalho no Instituto de Rádio de Leningrado. Sob a liderança de Meshcheryakov, o Laboratório nº 2 criou um modelo de sincrociclotron, que já confirmou experimentalmente a correção do princípio de autofase. Em 1947, começou a construção de um acelerador na região de Kalinin.

Em 14 de dezembro de 1949, sob a liderança de M.G. O sincrociclotron Meshcheryakov foi lançado com sucesso dentro do cronograma e se tornou o primeiro acelerador desse tipo na União Soviética, superando a energia de um acelerador semelhante criado em 1946 em Berkeley (EUA). Permaneceu um recorde até 1953.

Inicialmente, o laboratório, baseado em um sincrociclotron, era denominado Laboratório Hidrotécnico da Academia de Ciências da URSS (GTL) para fins de sigilo e era uma filial do Laboratório nº 2. Em 1953, foi transformado em um Instituto independente de Problemas Nucleares. da Academia de Ciências da URSS (INP), chefiada por M.G. Meshcheryakov.

Acadêmico da Academia Ucraniana de Ciências A.I. Leypunsky (1907–1972), baseado no princípio do autophasing, propôs o projeto de um acelerador, mais tarde denominado sincrofasotron (foto: “Ciência e Vida”)
A criação de um síncrotron não foi possível por vários motivos. Primeiramente, devido a dificuldades imprevistas, foi necessária a construção de dois síncrotrons em energias mais baixas - 30 e 250 MeV. Eles estavam localizados no território do Instituto de Física Lebedev e decidiram construir um síncrotron de 1 GeV fora de Moscou. Em junho de 1948, ele recebeu um local a vários quilômetros do sincrociclotron já em construção na região de Kalinin, mas também nunca foi construído ali, pois foi dada preferência ao acelerador proposto pelo Acadêmico da Academia Ucraniana de Ciências Alexander Ilyich Leypunsky. Aconteceu da seguinte maneira.

Em 1946, A.I. Leypunsky, baseado no princípio da fase automática, apresentou a ideia da possibilidade de criar um acelerador que combinasse as características de um síncrotron e de um sincrociclotron. Posteriormente, Wexler chamou esse tipo de acelerador de sincrofasotron. O nome fica claro se considerarmos que o sincrociclotron foi inicialmente denominado fasotron e, em combinação com um síncrotron, obtém-se um sincrofasotron. Nele, como resultado de mudanças no campo magnético de controle, as partículas se movem em um anel, como em um síncrotron, e a aceleração produz um campo elétrico de alta frequência, cuja frequência varia ao longo do tempo, como em um síncrociclotron. Isso permitiu aumentar significativamente a energia dos prótons acelerados em comparação com o sincrociclotron. Em um sincrofasotron, os prótons são pré-acelerados em um acelerador linear - um injetor. As partículas introduzidas na câmara principal começam a circular nela sob a influência de um campo magnético. Este modo é denominado betatron. Em seguida, a tensão de aceleração de alta frequência é ligada nos eletrodos colocados em dois espaços retos diametralmente opostos.

Dos três tipos de aceleradores baseados no princípio de autofase, o sincrofasotron é tecnicamente o mais complexo, e muitos duvidaram da possibilidade de sua criação. Mas Leypunsky, confiante de que tudo daria certo, corajosamente decidiu implementar sua ideia.

Em 1947, no Laboratório “B” perto da estação Obninskoye (hoje cidade de Obninsk), um grupo acelerador especial sob sua liderança começou a desenvolver um acelerador. Os primeiros teóricos do sincrofasotron foram Yu.A. Krutkov, O.D. Kazachkovsky e L.L. Sabsovich. Em fevereiro de 1948, foi realizada uma conferência fechada sobre aceleradores, que, além de ministros, contou com a presença de A.L. Mints, já um conhecido especialista em engenharia de rádio na época, e os engenheiros-chefes da Elektrosila de Leningrado e das fábricas de transformadores. Todos afirmaram que o acelerador proposto por Leypunsky poderia ser fabricado. O incentivo aos primeiros resultados teóricos e o apoio de engenheiros das principais fábricas permitiram iniciar o trabalho em um projeto técnico específico para um grande acelerador com energia de prótons de 1,3 a 1,5 GeV e iniciar trabalhos experimentais que confirmaram a correção da ideia de Leipunsky. Em dezembro de 1948, o projeto técnico do acelerador estava pronto e, em março de 1949, Leypunsky deveria apresentar um projeto preliminar de um sincrofasotron de 10 GeV.

E de repente, em 1949, no meio do trabalho, o governo decidiu transferir o trabalho do sincrofasotron para o Instituto de Física Lebedev. Para que? Por que? Afinal, a FIAN já está criando um síncrotron de 1 GeV! Sim, a verdade é que ambos os projetos, o síncrotron de 1,5 GeV e o síncrotron de 1 GeV, eram muito caros e surgiu a questão sobre sua viabilidade. A questão foi finalmente resolvida em uma das reuniões especiais da FIAN, onde se reuniram os principais físicos do país. Eles consideraram desnecessário construir um síncrotron de 1 GeV devido à falta de muito interesse na aceleração de elétrons. O principal adversário desta posição foi M.A. Markov. Seu principal argumento era que era muito mais eficaz estudar tanto os prótons quanto as forças nucleares usando a já bem estudada interação eletromagnética. Contudo, não conseguiu defender o seu ponto de vista, e a decisão positiva acabou por ser a favor do projecto de Leipunsky.

Esta é a aparência de um sincrofasotron de 10 GeV em Dubna

O sonho acalentado de Wexler de construir o maior acelerador estava desmoronando. Não querendo aguentar a situação atual, ele, com o apoio do S.I. Vavilova e D.V. Skobeltsyna propôs abandonar a construção de um sincrofasotron de 1,5 GeV e começar a projetar um acelerador de 10 GeV, anteriormente confiado à A.I. Leypunsky. O governo aceitou a proposta, pois em abril de 1948 se soube do projeto do sincrofasotron de 6-7 GeV na Universidade da Califórnia e eles queriam estar à frente dos Estados Unidos pelo menos por um tempo.

Em 2 de maio de 1949, foi emitido um decreto do Conselho de Ministros da URSS sobre a criação de um sincrofasotron com energia de 7 a 10 GeV no território anteriormente alocado para o síncrotron. O tema foi transferido para o Instituto de Física Lebedev, e V. I. foi nomeado seu diretor científico e técnico. Wexler, embora Leypunsky estivesse indo muito bem.

Isso pode ser explicado, em primeiro lugar, pelo fato de Wexler ter sido considerado o autor do princípio do autophasing e, segundo as lembranças dos contemporâneos, L.P. Béria. Em segundo lugar, S.I. Vavilov era naquela época não apenas o diretor da FIAN, mas também o presidente da Academia de Ciências da URSS. Leypunsky foi oferecido para se tornar vice de Wexler, mas ele recusou e não participou da criação do sincrofasotron no futuro. De acordo com o deputado Leypunsky O.D. Kazachkovsky, “estava claro que dois ursos não se dariam bem na mesma toca”. Posteriormente, A.I. Leypunsky e O.D. Kazachkovsky tornou-se um dos principais especialistas em reatores e em 1960 recebeu o Prêmio Lenin.

A resolução incluiu cláusula sobre a transferência para trabalhar no Instituto de Física Lebedev do Laboratório “B” dos funcionários envolvidos no desenvolvimento do acelerador, com a transferência dos equipamentos correspondentes. E havia algo a transmitir: o trabalho no acelerador do Laboratório “B” já havia chegado à fase de modelo e justificativa das principais decisões.

Nem todos ficaram entusiasmados com a transferência para a FIAN, pois era fácil e interessante trabalhar com Leypunsky: ele não era apenas um excelente supervisor científico, mas também uma pessoa maravilhosa. No entanto, era quase impossível recusar a transferência: naqueles tempos difíceis, a recusa ameaçava julgamento e campos.

O grupo transferido do Laboratório “B” incluía o engenheiro Leonid Petrovich Zinoviev. Ele, como outros membros do grupo de aceleradores, no laboratório de Leypunsky trabalhou pela primeira vez no desenvolvimento de componentes individuais necessários para o modelo do futuro acelerador, em particular a fonte de íons e circuitos de pulso de alta tensão para alimentar o injetor. Leypunsky imediatamente chamou a atenção para o engenheiro competente e criativo. Seguindo suas instruções, Zinoviev foi o primeiro a se envolver na criação de uma instalação piloto na qual todo o processo de aceleração de prótons pudesse ser simulado. Então ninguém poderia imaginar que, tendo se tornado um dos pioneiros na concretização da ideia de um sincrofasotron, Zinoviev seria a única pessoa que passaria por todas as etapas de sua criação e aprimoramento. E ele não apenas passará, mas os liderará.

Os resultados teóricos e experimentais obtidos no Laboratório “B” foram utilizados no Lebedev Physical Institute no projeto de um sincrofasotron de 10 GeV. Contudo, aumentar a energia do acelerador para este valor exigiu modificações significativas. As dificuldades da sua criação foram muito agravadas pelo facto de naquela altura não haver experiência na construção de instalações tão grandes em todo o mundo.

Sob a orientação dos teóricos M.S. Rabinovich e A.A. Kolomensky da FIAN fez uma fundamentação física do projeto técnico. Os principais componentes do sincrofasotron foram desenvolvidos pelo Instituto Radiotécnico de Moscou da Academia de Ciências e pelo Instituto de Pesquisa de Leningrado sob a liderança de seus diretores A.L. Mentas e E.G. Mosquito.

Para obter a experiência necessária, decidimos construir um modelo de sincrofasotron com energia de 180 MeV. Localizava-se no território do Instituto de Física Lebedev, em um prédio especial, que, por questões de sigilo, foi denominado armazém nº 2. No início de 1951, Wexler confiou todos os trabalhos da maquete, incluindo instalação de equipamentos, ajustes e o seu lançamento abrangente, para Zinoviev.

O modelo Fianov não era nada pequeno - seu ímã com 4 metros de diâmetro pesava 290 toneladas. Posteriormente, Zinoviev lembrou que quando montaram o modelo de acordo com os primeiros cálculos e tentaram lançá-lo, a princípio nada funcionou. Muitas dificuldades técnicas imprevistas tiveram que ser superadas antes do lançamento do modelo. Quando isso aconteceu em 1953, Wexler disse: “É isso! O sincrofasotron Ivankovsky funcionará!” Estávamos falando de um grande sincrofasotron de 10 GeV, que já havia começado a ser construído em 1951 na região de Kalinin. A construção foi realizada por uma organização de codinome TDS-533 (Direção Técnica de Construção 533).

Pouco antes do lançamento do modelo, apareceu inesperadamente uma mensagem em uma revista americana sobre um novo design do sistema magnético do acelerador, denominado hard-focusing. É realizado na forma de um conjunto de seções alternadas com gradientes de campo magnético direcionados de forma oposta. Isto reduz significativamente a amplitude das oscilações das partículas aceleradas, o que por sua vez permite reduzir significativamente a seção transversal da câmara de vácuo. Como resultado, economiza-se uma grande quantidade de ferro utilizado para a construção do ímã. Por exemplo, o acelerador de 30 GeV em Genebra, baseado em focagem rígida, tem três vezes a energia e três vezes a circunferência do sincrofasotron Dubna, e seu ímã é dez vezes mais leve.

O projeto de ímãs de foco rígido foi proposto e desenvolvido pelos cientistas americanos Courant, Livingston e Snyder em 1952. Alguns anos antes deles, Christofilos teve a mesma ideia, mas não a publicou.

Zinoviev apreciou imediatamente a descoberta dos americanos e propôs redesenhar o sincrofasotron Dubna. Mas isso teria que sacrificar tempo. Wexler disse então: “Não, pelo menos por um dia, mas devemos estar à frente dos americanos”. Provavelmente, nas condições da Guerra Fria, ele estava certo - “não se troca de cavalo no meio do caminho”. E continuaram a construir o grande acelerador de acordo com o projeto desenvolvido anteriormente. Em 1953, com base no sincrofasotron em construção, foi criado o Laboratório Eletrofísico da Academia de Ciências da URSS (EFLAN). V.I. foi nomeado seu diretor. Wexler.

Em 1956, o INP e a EFLAN formaram a base do estabelecido Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear (JINR). Sua localização ficou conhecida como cidade de Dubna. Naquela época, a energia do próton no sincrociclotron era de 680 MeV, e a construção do sincrofasotron estava sendo concluída. Desde os primeiros dias da formação do JINR, um desenho estilizado do edifício do sincrofasotron (de V.P. Bochkarev) tornou-se seu símbolo oficial.

O modelo ajudou a resolver vários problemas do acelerador de 10 GeV, mas o design de muitos nós sofreu mudanças significativas devido à grande diferença de tamanho. O diâmetro médio do eletroímã sincrofasotron era de 60 metros e o peso era de 36 mil toneladas (pelos seus parâmetros ainda permanece no Livro dos Recordes do Guinness). Surgiu toda uma série de novos problemas complexos de engenharia, que a equipe resolveu com sucesso.

Por fim, estava tudo pronto para o lançamento integral do acelerador. Por ordem de Wexler, foi liderado por L.P. Zinoviev. As obras começaram no final de dezembro de 1956, a situação era tensa e Vladimir Iosifovich não poupou nem a si mesmo nem a seus funcionários. Muitas vezes passávamos a noite em camas na enorme sala de controle da instalação. De acordo com as memórias de A.A. Kolomensky, Wexler gastou a maior parte da sua energia inesgotável naquela época em “extorquir” ajuda de organizações externas e na implementação de propostas sensatas, que vieram em grande parte de Zinoviev. Wexler valorizou muito sua intuição experimental, que desempenhou um papel decisivo no lançamento do acelerador gigante.

Por muito tempo eles não conseguiram obter o modo betatron, sem o qual o lançamento é impossível. E foi Zinoviev quem, num momento crucial, compreendeu o que era preciso fazer para dar vida ao sincrofasotron. A experiência, preparada durante duas semanas, foi finalmente coroada de sucesso, para alegria de todos. Em 15 de março de 1957, o sincrofasotron Dubna começou a funcionar, conforme noticiou o jornal Pravda para todo o mundo em 11 de abril de 1957 (artigo de V.I. Veksler). É interessante que esta notícia só apareceu quando a energia do acelerador, gradualmente aumentada a partir do dia do lançamento, excedeu a energia de 6,3 GeV do então líder sincrofasotron americano em Berkeley. “Existem 8,3 bilhões de elétron-volts!” - noticiou o jornal, anunciando que um acelerador recorde foi criado na União Soviética. O sonho acalentado de Wexler se tornou realidade!

No dia 16 de abril, a energia do próton atingiu o valor projetado de 10 GeV, mas o acelerador foi colocado em operação apenas alguns meses depois, pois ainda havia alguns problemas técnicos não resolvidos. E, no entanto, o principal ficou para trás - o sincrofasotron começou a funcionar.

Wexler relatou isso na segunda sessão do Conselho Acadêmico do Joint Institute em maio de 1957. Ao mesmo tempo, o diretor do instituto D.I. Blokhintsev observou que, em primeiro lugar, o modelo do sincrofasotron foi criado em um ano e meio, enquanto na América demorou cerca de dois anos. Em segundo lugar, o próprio sincrofasotron foi lançado em três meses, dentro do prazo, embora a princípio parecesse irreal. Foi o lançamento do sincrofasotron que trouxe a Dubna sua primeira fama mundial.

Na terceira sessão do conselho científico do instituto, Membro Correspondente da Academia de Ciências V.P. Dzhelepov observou que “Zinoviev foi em todos os aspectos a alma da startup e contribuiu com uma quantidade colossal de energia e esforço para este assunto, nomeadamente esforço criativo durante a configuração da máquina”. Um D.I. Blokhintsev acrescentou que “Zinoviev realmente suportou o enorme trabalho de um ajuste complexo”.

Milhares de pessoas estiveram envolvidas na criação do sincrofasotron, mas Leonid Petrovich Zinoviev desempenhou um papel especial nisso. Veksler escreveu: “O sucesso do lançamento do sincrofasotron e a possibilidade de iniciar uma ampla gama de trabalhos físicos nele estão em grande parte associados à participação de L.P. Zinoviev."

Zinoviev planejava retornar à FIAN após o lançamento do acelerador. No entanto, Wexler implorou-lhe que ficasse, acreditando que não poderia confiar a ninguém a gestão do sincrofasotron. Zinoviev concordou e supervisionou o trabalho do acelerador por mais de trinta anos. Sob sua liderança e participação direta, o acelerador foi constantemente aprimorado. Zinoviev adorou o sincrofasotron e sentiu sutilmente a respiração desse gigante de ferro. Segundo ele, não havia uma única parte do acelerador, nem um pouquinho, que ele não tocasse e cuja finalidade ele não soubesse.

Em outubro de 1957, em uma reunião ampliada do conselho científico do Instituto Kurchatov, presidida pelo próprio Igor Vasilyevich, dezessete pessoas de várias organizações que participaram da criação do sincrofasotron foram indicadas para o mais prestigiado Prêmio Lenin da União Soviética naquela época. tempo. Mas de acordo com as condições, o número de laureados não poderia ultrapassar doze pessoas. Em abril de 1959, o prêmio foi concedido ao diretor do Laboratório de Alta Energia JINR V.I. Veksler, chefe do departamento do mesmo laboratório L.P. Zinoviev, Vice-Chefe da Direção Principal para o Uso de Energia Atômica do Conselho de Ministros da URSS D.V. Efremov, diretor do Instituto de Pesquisa de Leningrado E.G. Komar e seus colaboradores N.A. Monoszon, A.M. Stolov, diretor do Instituto de Engenharia de Rádio de Moscou da Academia de Ciências da URSS A.L. Mints, funcionários do mesmo instituto F.A. Vodopyanov, S.M. Rubchinsky, funcionários da FIAN A.A. Kolomensky, V.A. Petukhov, M.S. Rabinovich. Veksler e Zinoviev tornaram-se cidadãos honorários de Dubna.

O sincrofasotron permaneceu em serviço por quarenta e cinco anos. Durante esse tempo, uma série de descobertas foram feitas sobre ele. Em 1960, o modelo sincrofasotron foi convertido em um acelerador de elétrons, que ainda funciona no Instituto de Física Lebedev.

fontes

Literatura:
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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

E vou lembrá-lo de algumas outras configurações: por exemplo, e sua aparência. Lembre-se também do que. Ou talvez você não saiba? ou o que é O artigo original está no site InfoGlaz.rf Link para o artigo do qual esta cópia foi feita -

Em 1957, a URSS fez um avanço científico e técnico em diversas áreas: lançou com sucesso um satélite artificial da Terra e, poucos meses antes desse evento, o sincrofasotron começou a operar em Dubna. O que é e por que essa instalação é necessária? Esta questão preocupava não só os cidadãos da URSS da época, mas o mundo inteiro. É claro que a comunidade científica entendeu o que era, mas os cidadãos comuns ficaram perplexos ao ouvir esta palavra. Ainda hoje, a maioria das pessoas não entende a essência e o princípio do sincrofasotron, embora já tenha ouvido essa palavra mais de uma vez. Vamos descobrir o que é esse dispositivo e para que foi usado.

Para que é usado um sincrofasotron?

Esta instalação foi desenvolvida para estudar o microcosmo e compreender a estrutura das partículas elementares e as leis de sua interação entre si. O método de conhecimento em si era extremamente simples: quebrar uma partícula e ver o que tem dentro. No entanto, como você pode quebrar um próton? Para tanto, foi criado um sincrofasotron, que acelera as partículas e as atinge em um alvo. Este último pode ser estacionário, mas no moderno Grande Colisor de Hádrons (que é uma versão melhorada do bom e velho sincrofasotron) o alvo está em movimento. Lá, feixes de prótons se movem em direção uns aos outros em grande velocidade e se chocam.

Acreditava-se que esta instalação permitiria um avanço científico, a descoberta de novos elementos e métodos de produção de energia atómica a partir de fontes baratas, mais eficientes que o urânio enriquecido e mais seguros e menos nocivos ao ambiente.

Fins militares

É claro que objetivos militares também foram perseguidos. A criação de energia atómica para fins pacíficos é apenas uma desculpa para os ingénuos. Não foi à toa que o projeto do sincrofasotron foi classificado como “Top Secret”, pois a construção deste acelerador foi realizada no âmbito do projeto de criação de uma nova bomba atômica. Com sua ajuda, eles queriam obter uma teoria aprimorada das forças nucleares, necessária para calcular e criar uma bomba. É verdade que tudo acabou sendo muito mais complicado e ainda hoje falta essa teoria.

O que é um sincrofasotron em palavras simples?

Resumindo, esta instalação é um acelerador de partículas elementares, em particular prótons. O sincrofasotron consiste em um tubo não magnético em forma de laço com vácuo em seu interior, bem como eletroímãs poderosos. Alternativamente, os ímãs são ativados, guiando as partículas carregadas para dentro do tubo de vácuo. Quando atingem a velocidade máxima com a ajuda de aceleradores, são enviados para um alvo especial. Os prótons o atingem, quebram o próprio alvo e se quebram. Os fragmentos voam em diferentes direções e deixam marcas na câmara de bolhas. Usando esses vestígios, um grupo de cientistas analisa sua natureza.

Este era o caso antes, mas instalações modernas (como o Grande Colisor de Hádrons) usam detectores mais modernos em vez de uma câmara de bolhas, que fornecem mais informações sobre fragmentos de prótons.

A instalação em si é bastante complexa e de alta tecnologia. Podemos dizer que o sincrofasotron é um “parente distante” do moderno Grande Colisor de Hádrons. Na verdade, pode ser chamado de análogo de um microscópio. Ambos os dispositivos destinam-se ao estudo do micromundo, mas o princípio do estudo é diferente.

Mais sobre o dispositivo

Então, já sabemos o que é um sincrofasotron e também que aqui as partículas são aceleradas a velocidades enormes. Acontece que, para acelerar prótons a velocidades enormes, é necessário criar uma diferença de potencial de centenas de bilhões de volts. Infelizmente, a humanidade não consegue fazer isso, então surgiu a ideia de acelerar as partículas gradativamente.

Na instalação, as partículas se movem em círculo e a cada revolução são alimentadas com energia, recebendo aceleração. E embora essa recarga seja pequena, em milhões de revoluções você pode obter a energia necessária.

A operação do sincrofasotron é baseada neste mesmo princípio. Partículas elementares aceleradas a pequenos valores são lançadas em um túnel onde estão localizados os ímãs. Eles criam um campo magnético perpendicular ao anel. Muitas pessoas acreditam erroneamente que esses ímãs aceleram as partículas, mas na verdade não é o caso. Eles apenas mudam sua trajetória, forçando-os a se moverem em círculo, mas não os aceleram. A própria aceleração ocorre em determinados intervalos de aceleração.

Aceleração de partículas

Esse período de aceleração é um capacitor ao qual a tensão é aplicada em alta frequência. Aliás, esta é a base de todo o funcionamento desta instalação. Um feixe de prótons voa para esse capacitor no momento em que a tensão nele é zero. À medida que as partículas voam através do capacitor, a tensão tem tempo de aumentar, o que acelera as partículas. No próximo círculo, isso se repete, uma vez que a frequência da tensão alternada é especialmente selecionada igual à frequência de circulação da partícula ao redor do anel. Consequentemente, os prótons são acelerados de forma síncrona e em fase. Daí o nome - sincrofasotron.

A propósito, este método de aceleração tem um certo efeito benéfico. Se de repente um feixe de prótons voar mais rápido do que a velocidade necessária, ele voará para o intervalo de aceleração com um valor de tensão negativo, e é por isso que desacelera um pouco. Se a velocidade do movimento for menor, o efeito será oposto: a partícula recebe aceleração e alcança o grupo principal de prótons. Como resultado, um feixe denso e compacto de partículas se move na mesma velocidade.

Problemas

Idealmente, as partículas devem ser aceleradas até a velocidade mais alta possível. E se os prótons se movem cada vez mais rápido em cada círculo, então por que não podem ser acelerados à velocidade máxima possível? Existem vários motivos.

Primeiro, um aumento na energia implica um aumento na massa das partículas. Infelizmente, as leis relativísticas não permitem que nenhum elemento seja acelerado acima da velocidade da luz. Num sincrofasotron, a velocidade dos prótons quase atinge a velocidade da luz, o que aumenta muito sua massa. Como resultado, torna-se difícil mantê-los em uma órbita circular de raio. É sabido desde a escola que o raio de movimento das partículas em um campo magnético é inversamente proporcional à massa e diretamente proporcional à força do campo. E como a massa das partículas aumenta, o raio deve ser aumentado e o campo magnético deve ser mais forte. Estas condições criam limitações na implementação de condições para a investigação, uma vez que as tecnologias são limitadas ainda hoje. Até agora não foi possível criar um campo com uma indução superior a vários teslas. É por isso que fazem túneis de grande comprimento, porque com um raio grande, partículas pesadas a uma velocidade enorme podem ser mantidas num campo magnético.

O segundo problema é o movimento com aceleração em círculo. Sabe-se que uma carga que se move a uma determinada velocidade emite energia, ou seja, a perde. Consequentemente, as partículas perdem constantemente alguma energia durante a aceleração e, quanto maior a sua velocidade, mais energia gastam. Em algum ponto, ocorre um equilíbrio entre a energia recebida na seção de aceleração e a perda da mesma quantidade de energia por revolução.

Pesquisa realizada no sincrofasotron

Agora entendemos qual princípio fundamenta a operação do sincrofasotron. Permitiu que uma série de estudos e descobertas fossem feitas. Em particular, os cientistas conseguiram estudar as propriedades dos deutérios acelerados, o comportamento da estrutura quântica dos núcleos, a interação dos íons pesados com os alvos, e também desenvolver uma tecnologia para a reciclagem do urânio-238.

Aplicação de resultados de testes

Os resultados obtidos nessas áreas são hoje utilizados na construção de naves espaciais, no projeto de usinas nucleares, bem como no desenvolvimento de equipamentos especiais e robótica. Conclui-se de tudo isso que o sincrofasotron é um dispositivo cuja contribuição para a ciência dificilmente pode ser superestimada.

Conclusão

Durante 50 anos, essas instalações serviram em benefício da ciência e são ativamente utilizadas por cientistas de todo o planeta. O sincrofasotron criado anteriormente e instalações semelhantes (não foram criados apenas na URSS) são apenas um elo na cadeia de evolução. Hoje, estão aparecendo dispositivos mais avançados - nuclotrons, que possuem enorme energia.

Um dos mais avançados desses dispositivos é o Large Hadron Collider. Em contraste com a ação do sincrofasotron, ele colide dois feixes de partículas em direções opostas, fazendo com que a energia liberada na colisão seja muitas vezes maior do que a energia do sincrofasotron. Isso abre oportunidades para um estudo mais preciso das partículas elementares.

Talvez agora você deva entender o que é um sincrofasotron e por que ele é necessário. Esta instalação permitiu-nos fazer uma série de descobertas. Hoje foi transformado em acelerador de elétrons e atualmente trabalha no Lebedev Physical Institute.

A tecnologia na URSS desenvolveu-se rapidamente. Basta olhar para o lançamento do primeiro satélite artificial da Terra, que foi assistido por todo o mundo. Poucas pessoas sabem que no mesmo ano de 1957, o sincrofasotron começou a funcionar na URSS (ou seja, não foi apenas concluído e colocado em operação, mas lançado). Esta palavra significa uma instalação para acelerar partículas elementares. Quase todo mundo já ouviu falar do Large Hadron Collider - é uma versão mais nova e aprimorada do dispositivo descrito neste artigo.

O que é isso - um sincrofasotron? Para que serve?

Esta instalação é um grande acelerador de partículas elementares (prótons), que permite um estudo mais aprofundado do microcosmo, bem como a interação dessas mesmas partículas entre si. A forma de estudar é muito simples: quebrar os prótons em pequenas partes e ver o que tem dentro. Tudo parece simples, mas quebrar um próton é uma tarefa extremamente difícil, que exigiu a construção de uma estrutura tão grande. Aqui, através de um túnel especial, as partículas são aceleradas a velocidades enormes e depois enviadas ao alvo. Quando atingem, eles se espalham em pequenos fragmentos. O “colega” mais próximo do sincrofasotron, o Grande Colisor de Hádrons, opera aproximadamente de acordo com o mesmo princípio, só que ali as partículas aceleram em direções opostas e não atingem um alvo permanente, mas colidem umas com as outras.

Agora você entende um pouco que este é um sincrofasotron. Acreditava-se que a instalação permitiria um avanço científico no campo da pesquisa do micromundo. Por sua vez, isso permitirá a descoberta de novos elementos e formas de obter fontes de energia baratas. Idealmente, eles queriam descobrir elementos que fossem superiores em eficiência e, ao mesmo tempo, menos prejudiciais e mais fáceis de reciclar.

Uso militar

É importante destacar que esta instalação foi criada para realizar um avanço científico e tecnológico, mas seus objetivos não eram apenas pacíficos. O avanço científico e tecnológico deve muito à corrida armamentista militar. O sincrofasotron foi criado sob o título "Top Secret", e seu desenvolvimento e construção foram realizados como parte da criação da bomba atômica. Supunha-se que o dispositivo permitiria criar uma teoria perfeita das forças nucleares, mas nem tudo foi tão simples. Ainda hoje esta teoria está em falta, embora o progresso tecnológico tenha feito grandes progressos.

em palavras simples?

Se resumirmos e falarmos em linguagem compreensível? Um sincrofasotron é uma instalação onde os prótons podem ser acelerados a alta velocidade. Consiste em um tubo em forma de laço com vácuo em seu interior e eletroímãs poderosos que impedem que os prótons se movam aleatoriamente. Quando os prótons atingem sua velocidade máxima, seu fluxo é direcionado para um alvo especial. Ao acertá-lo, os prótons se espalham em pequenos fragmentos. Os cientistas podem ver vestígios de fragmentos voadores numa câmara de bolhas especial e, a partir destes vestígios, analisam a natureza das próprias partículas.

A câmara de bolhas é um dispositivo um pouco desatualizado para capturar vestígios de prótons. Hoje, essas instalações utilizam radares mais precisos, que fornecem mais informações sobre o movimento dos fragmentos de prótons.

Apesar do princípio simples do sincrofasotron, esta instalação em si é de alta tecnologia, e sua criação só é possível com um nível suficiente de desenvolvimento técnico e científico, que, claro, a URSS possuía. Para fazer uma analogia, um microscópio comum é um dispositivo cuja finalidade coincide com a finalidade de um sincrofasotron. Ambos os dispositivos permitem explorar o micromundo, apenas o último permite “cavar mais fundo” e possui um método de pesquisa um tanto único.

Detalhes

A operação do dispositivo foi descrita acima em palavras simples. É claro que o princípio operacional de um sincrofasotron é mais complexo. O fato é que para acelerar partículas a altas velocidades é necessário fornecer uma diferença de potencial de centenas de bilhões de volts. Isso é impossível mesmo no atual estágio de desenvolvimento tecnológico, sem falar no anterior.

Portanto, decidiu-se acelerar gradualmente as partículas e conduzi-las em círculo por um longo tempo. A cada volta, os prótons eram energizados. Como resultado da passagem de milhões de revoluções, foi possível ganhar a velocidade necessária, após a qual foram direcionados ao alvo.

Este é exatamente o princípio usado no sincrofasotron. No início, as partículas se moviam pelo túnel em baixa velocidade. A cada volta, eles entravam nos chamados intervalos de aceleração, onde recebiam uma carga adicional de energia e ganhavam velocidade. Essas seções de aceleração são capacitores, cuja frequência da tensão alternada é igual à frequência dos prótons que passam pelo anel. Ou seja, as partículas atingiram a seção de aceleração com carga negativa, neste momento a tensão aumentou acentuadamente, o que lhes deu velocidade. Se as partículas atingissem o local de aceleração com carga positiva, seu movimento seria desacelerado. E esta é uma característica positiva, pois por causa dela todo o feixe de prótons se moveu na mesma velocidade.

E isso se repetiu milhões de vezes, e quando as partículas adquiriram a velocidade necessária, foram enviadas para um alvo especial, onde caíram. Depois, um grupo de cientistas estudou os resultados da colisão de partículas. Foi assim que o sincrofasotron funcionou.

O papel dos ímãs

Sabe-se que poderosos eletroímãs também foram usados nesta enorme máquina de aceleração de partículas. As pessoas acreditam erroneamente que foram usadas para acelerar prótons, mas não é o caso. As partículas foram aceleradas com a ajuda de capacitores especiais (seções de aceleração), e os ímãs apenas mantiveram os prótons em uma trajetória estritamente especificada. Sem eles, o movimento consistente de um feixe de partículas elementares seria impossível. E a alta potência dos eletroímãs é explicada pela grande massa de prótons em altas velocidades.

Que problemas os cientistas enfrentaram?

Um dos principais problemas na criação desta instalação foi justamente a aceleração das partículas. É claro que eles poderiam ser acelerados a cada volta, mas à medida que aceleravam, sua massa aumentava. A uma velocidade próxima da velocidade da luz (como sabemos, nada pode mover-se mais rápido que a velocidade da luz), a sua massa tornou-se enorme, tornando difícil mantê-los numa órbita circular. Sabemos pelo currículo escolar que o raio de movimento dos elementos em um campo magnético é inversamente proporcional à sua massa, portanto, à medida que a massa dos prótons aumentava, tivemos que aumentar o raio e usar ímãs grandes e fortes. Tais leis da física limitam enormemente as possibilidades de pesquisa. A propósito, eles também podem explicar por que o sincrofasotron acabou sendo tão grande. Quanto maior o túnel, maiores ímãs podem ser instalados para criar um forte campo magnético para manter os prótons se movendo na direção desejada.

O segundo problema é a perda de energia durante o movimento. As partículas, ao passarem em um círculo, emitem energia (perdem-na). Conseqüentemente, ao se mover em alta velocidade, parte da energia evapora e quanto maior a velocidade, maiores serão as perdas. Mais cedo ou mais tarde, chega um momento em que os valores da energia emitida e recebida são comparados, o que impossibilita maior aceleração das partículas. Consequentemente, há necessidade de maior capacidade.

Podemos dizer que agora entendemos com mais precisão que se trata de um sincrofasotron. Mas o que exatamente os cientistas conseguiram durante os testes?

Que pesquisas foram feitas?

Naturalmente, o trabalho desta instalação não passou despercebido. E embora se esperasse que produzisse resultados mais sérios, alguns estudos revelaram-se extremamente úteis. Em particular, os cientistas estudaram as propriedades dos deutérios acelerados, as interações dos íons pesados com os alvos e desenvolveram uma tecnologia mais eficaz para reciclar o urânio-238 usado. E embora para a pessoa média todos esses resultados signifiquem pouco, no campo científico é difícil superestimar sua importância.

Aplicação de resultados

Os resultados dos testes realizados no sincrofasotron são utilizados até hoje. Em particular, são utilizados na construção de usinas de energia que operam em foguetes espaciais, robótica e equipamentos complexos. É claro que a contribuição deste projeto para a ciência e o progresso técnico é bastante grande. Alguns resultados também são aplicados na esfera militar. E embora os cientistas não tenham conseguido descobrir novos elementos que pudessem ser usados para criar novas bombas atómicas, ninguém sabe realmente se isso é verdade ou não. É bem possível que alguns resultados estejam sendo ocultados da população, pois vale a pena considerar que este projeto foi implementado sob o título “Top Secret”.

Conclusão

Agora você entende o que se trata de um sincrofasotron e qual é o seu papel no progresso científico e tecnológico da URSS. Ainda hoje, essas instalações são usadas ativamente em muitos países, mas já existem opções mais avançadas - nuclotrons. O Grande Colisor de Hádrons é talvez a melhor implementação da ideia do sincrofasotron até hoje. O uso desta instalação permite aos cientistas compreender com mais precisão o micromundo, colidindo dois feixes de prótons movendo-se a velocidades enormes.