Hem › Kyl › Vad är en synkrofasotron? Vad är en synkrofasotron: funktionsprincip och erhållna resultat Vad är funktionsprincipen för en synkrofasotron

Vad är en synkrofasotron? Vad är en synkrofasotron: funktionsprincip och erhållna resultat Vad är funktionsprincipen för en synkrofasotron

Det tog brittiska parlamentariker bara 15 minuter att besluta om en statlig investering på 1 miljard pund i konstruktionen av en synkrofasotron. Därefter diskuterade de häftigt kostnaden för kaffe under en timme, inte mindre, i riksdagsbuffén. Och så bestämde de sig: de sänkte priset med 15%.

Det verkar som att uppgifterna inte alls är jämförbara i komplexitet, och allt borde logiskt sett ha hänt precis tvärtom. En timme för vetenskap, 15 minuter för kaffe. Men nej! Som det visade sig senare gav majoriteten av respektabla politiker snabbt sitt innersta "för", utan att ha någon aning om vad en "synkrofasotron" är.

Låt oss, kära läsare, tillsammans med dig fylla denna kunskapslucka och inte vara som några kamraters vetenskapliga kortsynthet.

Vad är en synkrofasotron?

Synchrophasotron är en elektronisk installation för vetenskaplig forskning - en cyklisk accelerator av elementarpartiklar (neutroner, protoner, elektroner, etc.). Den har formen av en enorm ring som väger mer än 36 tusen ton. Dess ultrakraftfulla magneter och accelererande rör ger mikroskopiska partiklar kolossal energi av riktad rörelse. I fasotronresonatorns djup, på ett djup av 14,5 meter, sker verkligt fantastiska transformationer på fysisk nivå: till exempel tar en liten proton emot 20 miljoner elektronvolt och en tung jon får 5 miljoner eV. Och detta är bara en blygsam bråkdel av alla möjligheter!

Det är tack vare de unika egenskaperna hos den cykliska acceleratorn som forskare kunde lära sig universums mest intima hemligheter: att studera strukturen hos försumbara partiklar och de fysiska och kemiska processerna som sker inuti deras skal; observera syntesreaktionen med dina egna ögon; upptäcka karaktären hos hittills okända mikroskopiska föremål.

Phazotron markerade en ny era av vetenskaplig forskning - ett forskningsområde där mikroskopet var maktlöst, vilket även innovativa science fiction-författare talade om med stor försiktighet (deras insiktsfulla kreativa flygning kunde inte förutsäga de upptäckter som gjordes!).

Synkrofasotronens historia

Ursprungligen var acceleratorerna linjära, det vill säga de hade ingen cyklisk struktur. Men snart var fysikerna tvungna att överge dem. Kraven på energinivåer ökade – det behövdes mer. Men den linjära designen klarade inte: teoretiska beräkningar visade att för dessa värden måste den vara av otrolig längd.

År 1929 Amerikanen E. Lawrence gör försök att lösa detta problem och uppfinner en cyklotron, prototypen för den moderna fasotronen. Testerna går bra. Tio år senare, 1939. Lawrence får Nobelpriset.
År 1938 I Sovjetunionen började den begåvade fysikern V.I. Veksler att aktivt engagera sig i frågan om att skapa och förbättra acceleratorer. I februari 1944 han kommer på en revolutionerande idé om hur man kan övervinna energibarriären. Wexler kallar sin metod för "autofasning". Exakt ett år senare upptäcktes samma teknik helt oberoende av E. Macmillan, en vetenskapsman från USA.
1949 i Sovjetunionen under ledning av V.I. Veksler och S.I. Vavilov, ett storskaligt vetenskapligt projekt utvecklas - skapandet av en synkrofasotron med en effekt på 10 miljarder elektronvolt. I 8 år arbetade en grupp teoretiska fysiker, designers och ingenjörer mödosamt med installationen vid Institutet för kärnkraftsforskning i staden Dubno i Ukraina. Det är därför det också kallas Dubna Synchrophasotron.

Synkrofasotronen togs i drift i mars 1957, sex månader innan den första konstgjorda jordsatelliten flyger ut i rymden.

Vilken forskning bedrivs vid synkrofasotronen?

Wechslers resonanscykliska accelerator gav upphov till en galax av enastående upptäckter inom många aspekter av fundamental fysik och i synnerhet i några kontroversiella och föga studerade problem i Einsteins relativitetsteori:

beteende hos kärnornas kvarkstruktur under interaktion;
bildandet av kumulativa partiklar som ett resultat av reaktioner som involverar kärnor;
studera egenskaperna hos accelererade deuteroner;
interaktion av tunga joner med mål (testning av motståndet hos mikrokretsar);
återvinning av uran-238.

Resultaten som erhålls inom dessa områden används framgångsrikt vid konstruktion av rymdskepp, konstruktion av kärnkraftverk, utveckling av robotik och utrustning för arbete under extrema förhållanden. Men det mest fantastiska är att en serie studier utförda vid synkrofasotronen för forskare allt närmare att lösa det stora mysteriet om universums ursprung.

Hela världen vet att Sovjetunionen 1957 lanserade världens första konstgjorda jordsatellit. Men få människor vet att Sovjetunionen samma år började testa synkrofasotronen, som är stamfadern till den moderna Large Hadron Collider i Genève. Artikeln kommer att diskutera vad en synkrofasotron är och hur den fungerar.

För att svara på frågan om vad en synkrofasotron är, bör det sägas att det är en högteknologisk och vetenskapsintensiv enhet som var avsedd för studiet av mikrokosmos. Speciellt var idén med synkrofasotronen följande: det var nödvändigt, med hjälp av kraftfulla magnetfält skapade av elektromagneter, att accelerera en stråle av elementära partiklar (protoner) till höga hastigheter och sedan rikta denna stråle till ett mål i vila . Från en sådan kollision måste protoner "bryta" i bitar. Inte långt från målet finns en speciell detektor - en bubbelkammare. Denna detektor låter en studera deras natur och egenskaper med hjälp av spåren som lämnas av protondelar.

Varför var det nödvändigt att bygga Sovjetunionens synkrofasotron? I detta vetenskapliga experiment, som klassades som "tophemligt", försökte sovjetiska forskare hitta en ny källa till billigare och effektivare energi än anrikat uran. Rent vetenskapliga mål för en djupare studie av kärnväxelverkans natur och subatomära partiklars värld eftersträvades också.

Funktionsprincipen för synkrofasotronen

Ovanstående beskrivning av uppgifterna som synkrofasotronen står inför kanske inte verkar så svår för många att implementera i praktiken, men så är det inte. Trots enkelheten i frågan om vad en synkrofasotron är, för att accelerera protoner till de nödvändiga enorma hastigheterna, behövs elektriska spänningar på hundratals miljarder volt. Sådana spänningar kan inte skapas ens idag. Därför bestämde man sig för att fördela energin som pumpas in i protoner över tiden.

Funktionsprincipen för synkrofasotronen var följande: en stråle av protoner börjar sin rörelse genom en ringformad tunnel, på någon plats i denna tunnel finns det kondensatorer som skapar en spänningsstöt i det ögonblick då protonstrålen flyger genom dem . Således, vid varje varv sker det en liten acceleration av protoner. Efter att partikelstrålen gjort flera miljoner varv genom synkrofasotrontunneln kommer protonerna att nå önskade hastigheter och kommer att riktas mot målet.

Det är värt att notera att elektromagneterna som användes under accelerationen av protoner spelade en vägledande roll, det vill säga de bestämde strålens bana, men deltog inte i dess acceleration.

Problem som forskare stötte på när de utförde experiment

För att bättre förstå vad en synkrofasotron är och varför dess skapande är en mycket komplex och kunskapsintensiv process, bör man överväga de problem som uppstår under dess drift.

För det första, ju högre hastighet protonstrålen har, desto mer massa börjar de ha enligt Einsteins berömda lag. Vid hastigheter nära ljuset blir massan av partiklar så stor att för att hålla dem på önskad bana är det nödvändigt att ha kraftfulla elektromagneter. Ju större storleken på synkrofasotronen, desto större magneter kan installeras.

För det andra komplicerades skapandet av en synkrofasotron också av protonstrålens energiförluster under deras cirkulära acceleration, och ju högre strålhastigheten är, desto mer betydande blir dessa förluster. Det visar sig att för att accelerera strålen till de nödvändiga gigantiska hastigheterna är det nödvändigt att ha enorma krafter.

Vilka resultat erhölls?

Utan tvekan gav experiment vid den sovjetiska synkrofasotronen ett stort bidrag till utvecklingen av moderna teknikområden. Således, tack vare dessa experiment, kunde forskare från Sovjetunionen förbättra processen för bearbetning av använt uran-238 och erhöll några intressanta data genom att kollidera accelererade joner av olika atomer med ett mål.

Resultaten av experiment vid synkrofasotronen används fortfarande än i dag vid byggandet av kärnkraftverk, rymdraketer och robotik. Resultaten av sovjetisk vetenskaplig tanke användes i konstruktionen av vår tids mest kraftfulla synkrofasotron, som är Large Hadron Collider. Den sovjetiska acceleratorn i sig tjänar Ryska federationens vetenskap, som ligger vid FIAN-institutet (Moskva), där den används som en jonaccelerator.

Vad är en synkrofasotron: funktionsprincipen och de erhållna resultaten - allt om att resa till platsen

Detta är det svårbekanta ordet "synkrofasotron"! Påminn mig om hur det kom in i den vanliga mannens öron i Sovjetunionen? Det var någon film eller en populär låt, jag minns exakt vad det var! Eller var det helt enkelt en analog till ett outtalbart ord?

Låt oss nu komma ihåg vad det är och hur det skapades...

1957 gjorde Sovjetunionen ett revolutionerande vetenskapligt genombrott i två riktningar samtidigt: i oktober lanserades den första konstgjorda jordsatelliten, och några månader tidigare, i mars, började den legendariska synkrofasotronen, en gigantisk installation för att studera mikrovärlden, fungera. i Dubna. Dessa två händelser chockade hela världen, och orden "satellit" och "synkrofasotron" blev stadigt etablerade i våra liv.

Synkrofasotronen är en typ av laddade partikelacceleratorer. Partiklarna i dem accelereras till höga hastigheter och därför till höga energier. Baserat på resultaten av deras kollisioner med andra atomära partiklar bedöms materiens struktur och egenskaper. Sannolikheten för kollisioner bestäms av intensiteten hos den accelererade partikelstrålen, det vill säga antalet partiklar i den, därför är intensitet, tillsammans med energi, en viktig parameter för acceleratorn.

Acceleratorer når enorma storlekar, och det är ingen slump att författaren Vladimir Kartsev kallade dem pyramiderna i kärnkraftsåldern, efter vilka ättlingar kommer att bedöma nivån på vår teknik.

Innan acceleratorer byggdes var den enda källan till högenergipartiklar kosmiska strålar. Dessa är huvudsakligen protoner med en energi i storleksordningen flera GeV, fritt från rymden, och sekundära partiklar som härrör från deras interaktion med atmosfären. Men flödet av kosmiska strålar är kaotiskt och har låg intensitet, så med tiden började speciella installationer skapas för laboratorieforskning - acceleratorer med kontrollerade strålar av partiklar med hög energi och högre intensitet.

Alla acceleratorers funktion är baserad på ett välkänt faktum: en laddad partikel accelereras av ett elektriskt fält. Det är dock omöjligt att erhålla partiklar med mycket hög energi genom att accelerera dem endast en gång mellan två elektroder, eftersom detta skulle kräva att de anbringas en enorm spänning, vilket är tekniskt omöjligt. Därför erhålls högenergipartiklar genom att upprepade gånger föra dem mellan elektroderna.

Acceleratorer där en partikel passerar genom successivt placerade accelerationsgap kallas linjära. Utvecklingen av acceleratorer började med dem, men kravet på att öka partikelenergin ledde till nästan orealistiskt långa installationslängder.

År 1929 föreslog den amerikanske vetenskapsmannen E. Lawrence designen av en accelerator där en partikel rör sig i en spiral och upprepade gånger passerar samma gap mellan två elektroder. Partikelns bana böjs och vrids av ett enhetligt magnetfält riktat vinkelrätt mot omloppsplanet. Acceleratorn kallades en cyklotron. 1930-1931 byggde Lawrence och hans kollegor den första cyklotronen vid University of California (USA). För denna uppfinning tilldelades han Nobelpriset 1939.

I en cyklotron skapas ett enhetligt magnetfält av en stor elektromagnet, och ett elektriskt fält genereras mellan två D-formade ihåliga elektroder (därav deras namn, "dees"). En växelspänning appliceras på elektroderna, som ändrar polaritet varje gång partikeln gör ett halvt varv. På grund av detta accelererar det elektriska fältet alltid partiklarna. Denna idé kunde inte förverkligas om partiklar med olika energier hade olika revolutionsperioder. Men lyckligtvis, även om hastigheten ökar med ökande energi, förblir rotationsperioden konstant, eftersom diametern på banan ökar i samma förhållande. Det är denna egenskap hos cyklotronen som tillåter användningen av en konstant frekvens av det elektriska fältet för acceleration.

Snart började cyklotroner skapas i andra forskningslaboratorier.

Synchrophasotron-byggnad på 1950-talet

Behovet av att skapa en seriös acceleratorbas i Sovjetunionen tillkännagavs på regeringsnivå i mars 1938. En grupp forskare från Leningrad Institute of Physics and Technology (LPTI), ledd av akademikern A.F. Ioffe vände sig till ordföranden för Council of People's Commissars of the USSR V.M. Molotov med ett brev där det föreslogs att skapa en teknisk bas för forskning inom atomkärnans struktur. Frågor om atomkärnans struktur blev ett av naturvetenskapens centrala problem och Sovjetunionen släpade betydligt efter med att lösa dem. Så om Amerika hade minst fem cyklotroner, hade Sovjetunionen ingen (den enda cyklotronen från Radium Institute of the Academy of Sciences (RIAN), som lanserades 1937, fungerade praktiskt taget inte på grund av designfel). Överklagandet till Molotov innehöll en begäran om att skapa förutsättningar för slutförandet av konstruktionen av LPTI-cyklotronen senast den 1 januari 1939. Arbetet med att skapa det, som började 1937, avbröts på grund av inkonsekvenser i avdelningarna och upphörande av finansiering.

När brevet skrevs fanns det faktiskt ett tydligt missförstånd i landets regeringskretsar om relevansen av forskning inom atomfysikområdet. Enligt memoarerna från M.G. Meshcheryakov, 1938 var det till och med en fråga om att likvidera Radium Institute, som enligt vissa åsikter var engagerad i onödig forskning om uran och torium, medan landet försökte öka kolproduktionen och stålsmältningen.

Brevet till Molotov hade effekt, och redan i juni 1938 kom en kommission från USSR Academy of Sciences, ledd av P.L. Kapitsa, på begäran av regeringen, gav en slutsats om behovet av att bygga en 10–20 MeV cyklotron vid LFTI, beroende på typen av accelererade partiklar, och att förbättra RIAN-cyklotronen.

I november 1938 tog S.I. Vavilov, i en vädjan till presidiet för Vetenskapsakademien, föreslog att bygga LPTI-cyklotronen i Moskva och överföra I.V.s laboratorium till Physics Institute of Science Academy (FIAN) från LPTI. Kurchatova, som var involverad i dess skapelse. Sergei Ivanovich ville att det centrala laboratoriet för studiet av atomkärnan skulle placeras på samma plats där Vetenskapsakademin låg, det vill säga i Moskva. Han fick dock inget stöd på LPTI. Kontroversen slutade i slutet av 1939, då A.F. Ioffe föreslog att man skulle skapa tre cyklotroner samtidigt. Den 30 juli 1940, vid ett möte med presidiet för USSR Academy of Sciences, beslutades att instruera RIAN att bygga om den befintliga cyklotronen i år, FIAN att förbereda de nödvändiga materialen för konstruktionen av en ny kraftfull cyklotron senast den 15 oktober , och LFTI för att slutföra konstruktionen av cyklotronen under första kvartalet 1941.

I samband med detta beslut skapade FIAN det så kallade cyklotronteamet, som inkluderade Vladimir Iosifovich Veksler, Sergei Nikolaevich Vernov, Pavel Alekseevich Cherenkov, Leonid Vasilyevich Groshev och Evgeniy Lvovich Feinberg. Den 26 september 1940 hörde byrån för institutionen för fysiska och matematiska vetenskaper (OPMS) information från V.I. Wexler om designspecifikationerna för cyklotronen, godkände dess huvudsakliga egenskaper och konstruktionsuppskattningar. Cyklotronen designades för att accelerera deuteroner till en energi på 50 MeV. FIAN planerade att påbörja sin konstruktion 1941 och lansera den 1943. Planerna stördes av kriget.

Det akuta behovet av att skapa en atombomb tvingade Sovjetunionen att mobilisera ansträngningar för att studera mikrovärlden. Två cyklotroner byggdes en efter en vid laboratorium nr 2 i Moskva (1944, 1946); i Leningrad, efter att blockaden hävts, återställdes cyklotronerna från RIAN och LPTI (1946).

Även om FIAN-cyklotronprojektet godkändes före kriget, blev det klart att Lawrences design hade uttömt sig själv, eftersom energin hos accelererade protoner inte kunde överstiga 20 MeV. Det är från denna energi som effekten av att öka massan av en partikel med hastigheter som motsvarar ljusets hastighet börjar märkas, vilket följer av Einsteins relativitetsteori

På grund av massaökningen störs resonansen mellan passagen av en partikel genom accelerationsgapet och motsvarande fas av det elektriska fältet, vilket medför inbromsning.

Det bör noteras att cyklotronen är utformad för att accelerera endast tunga partiklar (protoner, joner). Detta beror på det faktum att på grund av den för lilla vilomassan når elektronen redan vid energier på 1–3 MeV en hastighet nära ljusets hastighet, vilket resulterar i att dess massa ökar märkbart och partikeln snabbt lämnar resonans. .

Den första cykliska elektronacceleratorn var betatronen, byggd av Kerst 1940 utifrån Wideroes idé. Betatronen är baserad på Faradays lag, enligt vilken, när det magnetiska flödet som penetrerar en sluten krets ändras, uppstår en elektromotorisk kraft i denna krets. I en betatron är en sluten slinga en ström av partiklar som rör sig i en cirkulär bana i en vakuumkammare med konstant radie i ett gradvis ökande magnetfält. När det magnetiska flödet inuti omloppsbanan ökar, uppstår en elektromotorisk kraft, vars tangentiella komponent accelererar elektronerna. I en betatron, som en cyklotron, finns det en begränsning för att producera mycket högenergipartiklar. Detta beror på det faktum att, enligt elektrodynamikens lagar, elektroner som rör sig i cirkulära banor avger elektromagnetiska vågor, som bär bort mycket energi med relativistiska hastigheter. För att kompensera för dessa förluster är det nödvändigt att avsevärt öka storleken på magnetkärnan, som har en praktisk gräns.

I början av 1940-talet hade alltså möjligheterna att erhålla högre energier från både protoner och elektroner varit uttömda. För ytterligare forskning om mikrovärlden var det nödvändigt att öka energin hos accelererade partiklar, så uppgiften att hitta nya accelerationsmetoder blev brådskande.

I februari 1944, V.I. Wexler lade fram en revolutionerande idé om hur man kan övervinna energibarriären för cyklotronen och betatronen. Det var så enkelt att det verkade konstigt varför de inte hade kommit till det tidigare. Tanken var att under resonansacceleration skulle partiklarnas och accelerationsfältets rotationsfrekvenser ständigt sammanfalla, med andra ord vara synkrona. Vid acceleration av tunga relativistiska partiklar i en cyklotron föreslogs för synkronisering att ändra frekvensen för det accelererande elektriska fältet enligt en viss lag (senare kallades en sådan accelerator en synkrocyklotron).

För att accelerera relativistiska elektroner föreslogs en accelerator, som senare kallades en synkrotron. I den utförs acceleration av ett alternerande elektriskt fält med konstant frekvens, och synkronism säkerställs av ett magnetfält som varierar enligt en viss lag, vilket håller partiklar i en omloppsbana med konstant radie.

För praktiska ändamål var det nödvändigt att teoretiskt verifiera att de föreslagna accelerationsprocesserna är stabila, det vill säga med mindre avvikelser från resonans kommer fasningen av partiklar att ske automatiskt. Teoretisk fysiker från cyklotronteamet E.L. Feinberg uppmärksammade detta på Wexler och bevisade själv strikt matematiskt stabiliteten i processerna. Det är därför Wexlers idé kallades "autofasningsprincipen."

För att diskutera den resulterande lösningen höll FIAN ett seminarium där Wexler gav en inledande rapport och Feinberg gav en hållbarhetsrapport. Arbetet godkändes, och samma 1944 publicerade tidskriften "Reports of the USSR Academy of Sciences" två artiklar som diskuterade nya metoder för acceleration (den första artikeln handlade om en accelerator baserad på flera frekvenser, senare kallad en mikrotron). Deras författare angavs endast som Wexler, och Feinbergs namn nämndes inte alls. Mycket snart överlämnades Feinbergs roll i upptäckten av autofasningsprincipen oförtjänt till fullständig glömska.

Ett år senare upptäcktes principen om autofasning oberoende av den amerikanske fysikern E. MacMillan, men Wexler behöll prioritet.

Det bör noteras att i acceleratorer baserade på den nya principen manifesterades "hävstångsregeln" tydligt - en vinst i energi innebar en förlust i intensiteten hos strålen av accelererade partiklar, vilket är förknippat med den cykliska karaktären av deras acceleration , i motsats till den jämna accelerationen i cyklotroner och betatroner. Denna obehagliga punkt påpekades omedelbart vid institutionen för fysikaliska och matematiska vetenskaper den 20 februari 1945, men samtidigt kom alla enhälligt till slutsatsen att denna omständighet inte i något fall skulle störa genomförandet av projektet. Även om, förresten, kampen för intensiteten därefter ständigt irriterade "acceleratorerna".

Vid samma session, på förslag av presidenten för USSR Academy of Sciences S.I. Vavilov, beslutades det att omedelbart bygga två typer av acceleratorer som föreslagits av Wexler. Den 19 februari 1946 instruerade specialkommittén under rådet för folkkommissarier i Sovjetunionen den relevanta kommissionen att utveckla sina projekt, med angivande av kapacitet, produktionstid och byggnadsplats. (Skapandet av en cyklotron övergavs på FIAN.)

Som ett resultat, den 13 augusti 1946, utfärdades samtidigt två resolutioner från Sovjetunionens ministerråd, undertecknade av ordföranden för Sovjetunionens ministerråd I.V. Stalin och chefen för angelägenheterna för USSR:s ministerråd Ya.E. Chadaev, för att skapa en synkrocyklotron med en deuteronenergi på 250 MeV och en synkrotron med en energi på 1 GeV. Acceleratorernas energi dikterades främst av den politiska konfrontationen mellan USA och Sovjetunionen. I USA har man redan skapat en synkrocyklotron med en deuteronenergi på cirka 190 MeV och har börjat bygga en synkrotron med en energi på 250–300 MeV. Inhemska acceleratorer var tänkta att överträffa amerikanska i energi.

Synkrocyklotronen förknippades med förhoppningar om upptäckten av nya grundämnen, nya sätt att producera atomenergi från billigare källor än uran. Med hjälp av en synkrotron hade man för avsikt att på konstgjord väg producera mesoner, som, som sovjetiska fysiker vid den tiden antog, var kapabla att orsaka kärnklyvning.

Båda resolutionerna utfärdades med stämpeln "Top Secret (speciell mapp)", eftersom konstruktionen av acceleratorer utfördes som en del av projektet för att skapa en atombomb. Med deras hjälp hoppades de få en korrekt teori om kärnkrafter som var nödvändiga för bombberäkningar, som vid den tiden endast utfördes med hjälp av en stor uppsättning ungefärliga modeller. Det är sant att allt visade sig inte vara så enkelt som man först trodde, och det bör noteras att en sådan teori inte har skapats till denna dag.

Resolutionerna bestämde byggarbetsplatserna för acceleratorer: synkrotronen - i Moskva, på Kaluzhskoe Highway (nu Leninsky Prospekt), på Lebedev Physical Institutes territorium; synkrocyklotron - i området för vattenkraftsstationen Ivankovskaya, 125 kilometer norr om Moskva (på den tiden Kalinin-regionen). Till en början anförtroddes skapandet av båda acceleratorerna FIAN. V.I. utsågs till chef för synkrotronarbetet. Veksler, och för synkrocyklotronen - D.V. Skobeltsyn.

Till vänster finns doktor i tekniska vetenskaper, professor L.P. Zinoviev (1912–1998), till höger - Akademiker vid USSR Academy of Sciences V.I. Wexler (1907–1966) under skapandet av synkrofasotronen

Ett halvår senare, chefen för kärnkraftsprojektet I.V. Kurchatov, missnöjd med framstegen i arbetet med Fianov-synkrocyklotronen, överförde detta ämne till sitt laboratorium nr 2. Han utsåg M.G. till den nya ledaren för ämnet. Meshcheryakov, fri från arbete vid Leningrad Radium Institute. Under ledning av Meshcheryakov skapade laboratorium nr 2 en modell av en synkrocyklotron, som redan experimentellt har bekräftat riktigheten av autofasningsprincipen. 1947 började byggandet av en accelerator i Kalinin-regionen.

Den 14 december 1949, under ledning av M.G. Meshcheryakov synchrocyclotron lanserades framgångsrikt enligt schemat och blev den första acceleratorn av denna typ i Sovjetunionen, och översteg energin hos en liknande accelerator skapad 1946 i Berkeley (USA). Det förblev rekord fram till 1953.

Ursprungligen kallades laboratoriet, baserat på en synkrocyklotron, USSR:s vetenskapsakademis hydrotekniska laboratorium (GTL) för sekretessändamål och var en gren av laboratorium nr 2. 1953 omvandlades det till ett oberoende Institute of Nuclear Problems vid USSR Academy of Sciences (INP), ledd av M.G. Meshcheryakov.

Akademiker vid den ukrainska vetenskapsakademin A.I. Leypunsky (1907–1972), baserad på principen om autofasning, föreslog designen av en accelerator, senare kallad en synkrofasotron (foto: "Science and Life")
Skapandet av en synkrotron var inte möjligt av ett antal anledningar. För det första, på grund av oförutsedda svårigheter, var det nödvändigt att bygga två synkrotroner med lägre energier - 30 och 250 MeV. De låg på territoriet för Lebedev Physical Institute, och de bestämde sig för att bygga en 1 GeV synkrotron utanför Moskva. I juni 1948 tilldelades han en plats flera kilometer från synkrocyklotronen som redan var under uppbyggnad i Kalinin-regionen, men den byggdes aldrig där heller, eftersom den accelerator som föreslagits av akademiker vid den ukrainska vetenskapsakademin Alexander Ilyich Leypunsky föredrogs. Det skedde enligt följande.

1946, A.I. Leypunsky, baserad på principen om autofasning, lade fram idén om möjligheten att skapa en accelerator som kombinerade funktionerna hos en synkrotron och en synkrocyklotron. Därefter kallade Wexler denna typ av accelerator för en synkrofasotron. Namnet blir tydligt om vi betänker att synkrocyklotronen från början kallades en fasotron och i kombination med en synkrotron erhålls en synkrofasotron. I det, som ett resultat av förändringar i kontrollmagnetfältet, rör sig partiklar i en ring, som i en synkrotron, och acceleration producerar ett högfrekvent elektriskt fält, vars frekvens varierar över tiden, som i en synkrocyklotron. Detta gjorde det möjligt att avsevärt öka energin hos accelererade protoner jämfört med synkrocyklotronen. I en synkrofasotron föraccelereras protoner i en linjäraccelerator - en injektor. Partiklar som introduceras i huvudkammaren börjar cirkulera i den under påverkan av ett magnetfält. Detta läge kallas betatron. Därefter slås den högfrekventa accelerationsspänningen på på elektroderna placerade i två diametralt motsatta raka mellanrum.

Av alla tre typer av acceleratorer baserade på autofasningsprincipen är synkrofasotronen tekniskt sett den mest komplexa, och då tvivlade många på möjligheten att skapas. Men Leypunsky, säker på att allt skulle ordna sig, satte sig djärvt för att genomföra sin idé.

1947, i Laboratory "B" nära Obninskoye-stationen (nu staden Obninsk), började en speciell acceleratorgrupp under hans ledning utveckla en accelerator. De första teoretikerna av synkrofasotronen var Yu.A. Krutkov, O.D. Kazachkovsky och L.L. Sabsovich. I februari 1948 hölls en sluten konferens om acceleratorer, som förutom ministrar deltog av A.L. Myntverk, redan en välkänd specialist inom radioteknik vid den tiden, och chefsingenjörerna för Leningrad Elektrosila och transformatorfabriker. De uppgav alla att den accelerator som Leypunsky föreslagit kunde göras. Uppmuntrande första teoretiska resultat och stöd från ingenjörer från ledande fabriker gjorde det möjligt att påbörja arbetet med ett specifikt tekniskt projekt för en stor accelerator med en protonenergi på 1,3–1,5 GeV och att påbörja experimentellt arbete som bekräftade riktigheten av Leipunskys idé. I december 1948 var den tekniska designen av acceleratorn klar, och i mars 1949 var det meningen att Leypunsky skulle presentera en preliminär design av en 10 GeV synkrofasotron.

Och plötsligt 1949, mitt i arbetet, beslutade regeringen att överföra arbetet med synkrofasotronen till Lebedev Physical Institute. För vad? Varför? När allt kommer omkring skapar FIAN redan en 1 GeV synkrotron! Ja, faktum är att båda projekten, 1,5 GeV-synkrotronen och 1 GeV-synkrotronen, var för dyra, och frågan uppstod om deras genomförbarhet. Det löstes slutligen vid ett av de speciella mötena på FIAN, där landets ledande fysiker samlades. De ansåg att det var onödigt att bygga en 1 GeV synkrotron på grund av bristen på stort intresse för elektronacceleration. Huvudmotståndaren till denna position var M.A. Markov. Hans huvudargument var att det var mycket effektivare att studera både protoner och kärnkrafter med hjälp av den redan väl studerade elektromagnetiska interaktionen. Men han misslyckades med att försvara sin åsikt, och det positiva beslutet visade sig vara till förmån för Leipunskys projekt.

Så här ser en 10 GeV synkrofasotron ut i Dubna

Wexlers omhuldade dröm om att bygga den största gaspedalen höll på att falla sönder. Utan att vilja stå ut med den rådande situationen har han med stöd av S.I. Vavilova och D.V. Skobeltsyna föreslog att överge konstruktionen av en 1,5 GeV synkrofasotron och börja designa en 10 GeV accelerator, som tidigare anförtrotts A.I. Leypunsky. Regeringen accepterade detta förslag, eftersom det i april 1948 blev känt om 6-7 GeV synkrofasotronprojektet vid University of California och de ville ligga före USA åtminstone ett tag.

Den 2 maj 1949 utfärdades ett dekret av Sovjetunionens ministerråd om skapandet av en synkrofasotron med en energi på 7–10 GeV på det territorium som tidigare tilldelats synkrotronen. Ämnet överfördes till Lebedev Physical Institute, och V.I. utsågs till dess vetenskapliga och tekniska chef. Wexler, även om Leypunsky klarade sig ganska bra.

Detta kan för det första förklaras av det faktum att Wexler ansågs vara författaren till autofasningsprincipen och, enligt samtidens minnen, var L.P. mycket gynnsam mot honom. Beria. För det andra var S.I. Vavilov vid den tiden inte bara direktör för FIAN, utan också president för USSR Academy of Sciences. Leypunsky erbjöds att bli Wexlers ställföreträdare, men han vägrade och deltog inte i skapandet av synkrofasotronen i framtiden. Enligt vice Leypunsky O.D. Kazachkovsky, "det var tydligt att två björnar inte skulle komma överens i en håla." Därefter har A.I. Leypunsky och O.D. Kazachkovsky blev ledande experter på reaktorer och belönades 1960 med Leninpriset.

Resolutionen inkluderade en klausul om överföring till arbete vid Lebedev Physical Institute of Laboratory "B" anställda som är involverade i utvecklingen av acceleratorn, med överföring av motsvarande utrustning. Och det fanns något att förmedla: arbetet med acceleratorn i laboratorium "B" hade vid den tiden förts till scenen för en modell och motivering av de viktigaste besluten.

Alla var inte entusiastiska över överföringen till FIAN, eftersom Leypunsky var lätt och intressant att arbeta med: han var inte bara en utmärkt vetenskaplig handledare, utan också en underbar person. Det var dock nästan omöjligt att vägra överföringen: vid den svåra tiden hotade vägran med rättegång och läger.

Gruppen som överfördes från Laboratory "B" inkluderade ingenjör Leonid Petrovich Zinoviev. Han, liksom andra medlemmar i acceleratorgruppen, arbetade först i Leypunskys laboratorium med utvecklingen av individuella komponenter som var nödvändiga för modellen för den framtida acceleratorn, i synnerhet jonkällan och högspänningspulskretsar för att driva injektorn. Leypunsky uppmärksammade omedelbart den kompetenta och kreativa ingenjören. På hans instruktioner var Zinoviev den första som var involverad i skapandet av en pilotinstallation där hela processen med protonacceleration kunde simuleras. Då kunde ingen ha föreställt sig att Zinoviev, efter att ha blivit en av pionjärerna för att förverkliga idén om en synkrofasotron, skulle vara den enda personen som skulle gå igenom alla stadier av dess skapelse och förbättring. Och han kommer inte bara att passera, utan leda dem.

Teoretiska och experimentella resultat erhållna i Laboratory "B" användes vid Lebedev Physical Institute vid utformningen av en 10 GeV synkrofasotron. Att öka acceleratorenergin till detta värde krävde dock betydande modifieringar. Svårigheterna med dess skapelse förvärrades avsevärt av det faktum att det vid den tiden inte fanns någon erfarenhet av att bygga så stora installationer över hela världen.

Under ledning av teoretiker M.S. Rabinovich och A.A. Kolomensky på FIAN gjorde en fysisk belägg för det tekniska projektet. Huvudkomponenterna i synkrofasotronen utvecklades av Moskvas radiotekniska institut vid Vetenskapsakademien och Leningrad Research Institute under ledning av deras direktörer A.L. Mints och E.G. Mygga.

För att få den nödvändiga erfarenheten bestämde vi oss för att bygga en modell av en synkrofasotron med en energi på 180 MeV. Det var beläget på territoriet för Lebedev Physical Institute i en speciell byggnad, som av sekretesskäl kallades lager nr 2. I början av 1951 anförtrodde Wexler allt arbete med modellen, inklusive installation av utrustning, justering och dess omfattande lansering, till Zinoviev.

Fianov-modellen var på intet sätt liten - dess magnet med en diameter på 4 meter vägde 290 ton. Därefter påminde Zinoviev att när de satte ihop modellen i enlighet med de första beräkningarna och försökte lansera den, fungerade först ingenting. Många oförutsedda tekniska svårigheter måste övervinnas innan modellen lanserades. När detta hände 1953 sa Wexler: "Det är det! Ivankovsky-synkrofasotronen kommer att fungera!” Vi pratade om en stor 10 GeV synkrofasotron, som redan hade börjat byggas 1951 i Kalinin-regionen. Konstruktionen utfördes av en organisation med kodnamnet TDS-533 (Technical Directorate of Construction 533).

Strax före lanseringen av modellen dök det oväntat upp ett meddelande i en amerikansk tidning om en ny design av acceleratorns magnetiska system, kallad hårdfokusering. Det utförs i form av en uppsättning alternerande sektioner med motsatt riktade magnetfältsgradienter. Detta minskar avsevärt amplituden av oscillationer av accelererade partiklar, vilket i sin tur gör det möjligt att avsevärt minska vakuumkammarens tvärsnitt. Som ett resultat sparas en stor mängd järn som används för konstruktionen av magneten. Till exempel har 30 GeV-acceleratorn i Genève, baserad på hård fokusering, tre gånger energin och tre gånger omkretsen av Dubna-synkrofasotronen, och dess magnet är tio gånger lättare.

Designen av hårdfokuserande magneter föreslogs och utvecklades av de amerikanska forskarna Courant, Livingston och Snyder 1952. Några år före dem kom Christofilos på samma idé, men publicerade den inte.

Zinoviev uppskattade omedelbart amerikanernas upptäckt och föreslog omdesign av Dubna-synkrofasotronen. Men detta skulle behöva offra tid. Wexler sa då: "Nej, åtminstone för en dag, men vi måste vara före amerikanerna." Förmodligen, under det kalla krigets förhållanden, hade han rätt - "man byter inte häst i mitten av strömmen." Och de fortsatte att bygga den stora acceleratorn enligt det tidigare utvecklade projektet. 1953, på grundval av synkrofasotronen under uppbyggnad, skapades det elektrofysiska laboratoriet vid USSR Academy of Sciences (EFLAN). V.I. utsågs till dess direktör. Wexler.

1956 utgjorde INP och EFLAN grunden för det etablerade Joint Institute for Nuclear Research (JINR). Dess läge blev känd som staden Dubna. Vid den tiden var protonenergin vid synkrocyklotronen 680 MeV, och konstruktionen av synkrofasotronen höll på att slutföras. Från de första dagarna av bildandet av JINR blev en stiliserad ritning av synkrofasotronbyggnaden (av V.P. Bochkarev) dess officiella symbol.

Modellen hjälpte till att lösa ett antal problem för 10 GeV-acceleratorn, men utformningen av många noder genomgick betydande förändringar på grund av den stora skillnaden i storlek. Den genomsnittliga diametern på synkrofasotronelektromagneten var 60 meter, och vikten var 36 tusen ton (enligt dess parametrar finns den fortfarande kvar i Guinness Book of Records). En hel rad nya komplexa tekniska problem uppstod, som teamet framgångsrikt löste.

Äntligen var allt klart för den omfattande lanseringen av gaspedalen. På order av Wexler leddes den av L.P. Zinoviev. Arbetet började i slutet av december 1956, situationen var spänd och Vladimir Iosifovich skonade varken sig själv eller sina anställda. Vi övernattade ofta på barnsängar mitt i installationens enorma kontrollrum. Enligt memoarerna från A.A. Kolomensky, Wexler spenderade det mesta av sin outtömliga energi vid den tiden på att "utpressa" hjälp från externa organisationer och på att genomföra förnuftiga förslag, som till stor del kom från Zinoviev. Wexler värderade högt sin experimentella intuition, som spelade en avgörande roll i lanseringen av den gigantiska acceleratorn.

Under mycket lång tid kunde de inte få betatronläget, utan vilket lansering är omöjligt. Och det var Zinovjev som i ett avgörande ögonblick förstod vad som måste göras för att blåsa liv i synkrofasotronen. Experimentet, som hade förberetts i två veckor, kröntes till slut med framgång, till allas glädje. Den 15 mars 1957 började Dubna synchrophasotron att fungera, som tidningen Pravda rapporterade till hela världen den 11 april 1957 (artikel av V.I. Veksler). Det är intressant att denna nyhet endast dök upp när acceleratorns energi, som gradvis höjdes från lanseringsdagen, översteg energin på 6,3 GeV för den då ledande amerikanska synkrofasotronen i Berkeley. "Det finns 8,3 miljarder elektronvolt!" – rapporterade tidningen och meddelade att en rekordaccelerator hade skapats i Sovjetunionen. Wexlers älskade dröm har gått i uppfyllelse!

Den 16 april nådde protonenergin designvärdet 10 GeV, men acceleratorn togs i drift bara några månader senare, eftersom det fortfarande fanns en hel del olösta tekniska problem. Och ändå låg huvudsaken bakom oss - synkrofasotronen började fungera.

Wexler rapporterade detta vid det andra mötet i Joint Institutes akademiska råd i maj 1957. Samtidigt har direktören för institutet D.I. Blokhintsev noterade att för det första skapades synkrofasotronmodellen på ett och ett halvt år, medan det i Amerika tog ungefär två år. För det andra lanserades själva synkrofasotronen på tre månader, enligt schemat, även om det först verkade orealistiskt. Det var lanseringen av synkrofasotronen som gav Dubna sin första världsomspännande berömmelse.

Vid den tredje sessionen av institutets vetenskapliga råd, korresponderande ledamot av Vetenskapsakademien V.P. Dzhelepov noterade att "Zinoviev var i alla avseenden själen i uppstarten och bidrog med en kolossal mängd energi och ansträngning till denna fråga, nämligen kreativ insats under installationen av maskinen." En D.I. Blokhintsev tillade att "Zinoviev faktiskt bar det enorma arbetet med komplex anpassning."

Tusentals människor var inblandade i skapandet av synkrofasotronen, men Leonid Petrovich Zinoviev spelade en speciell roll i detta. Veksler skrev: "Framgången med lanseringen av synkrofasotronen och möjligheten att starta ett brett spektrum av fysiskt arbete på den är till stor del förknippad med L.P.s deltagande i dessa arbeten. Zinovjev."

Zinoviev planerade att återvända till FIAN efter lanseringen av gaspedalen. Wexler bad honom dock att stanna, och trodde att han inte kunde anförtro någon annan hanteringen av synkrofasotronen. Zinoviev gick med på och övervakade acceleratorns arbete i mer än trettio år. Under hans ledning och direkta deltagande förbättrades gaspedalen ständigt. Zinoviev älskade synkrofasotronen och kände väldigt subtilt andedräkten från denna järnjätte. Enligt honom fanns det inte en enda del av gaspedalen, inte ens det minsta, som han inte rörde och vars syfte han inte visste.

I oktober 1957, vid ett utökat möte med Kurchatov-institutets vetenskapliga råd, som leds av Igor Vasilyevich själv, nominerades sjutton personer från olika organisationer som deltog i skapandet av synkrofasotronen till det mest prestigefyllda Leninpriset i Sovjetunionen. tid. Men enligt förutsättningarna fick antalet pristagare inte överstiga tolv personer. I april 1959 delades priset ut till chefen för JINR High Energy Laboratory V.I. Veksler, avdelningschef för samma laboratorium L.P. Zinoviev, biträdande chef för huvuddirektoratet för användning av atomenergi under USSR:s ministerråd D.V. Efremov, chef för Leningrads forskningsinstitut E.G. Komar och hans medarbetare N.A. Monoszon, A.M. Stolov, chef för Moscow Radio Engineering Institute vid USSR Academy of Sciences A.L. Myntverk, anställda vid samma institut F.A. Vodopyanov, S.M. Rubchinsky, FIAN-anställda A.A. Kolomensky, V.A. Petukhov, M.S. Rabinovich. Veksler och Zinoviev blev hedersmedborgare i Dubna.

Synkrofasotronen förblev i tjänst i fyrtiofem år. Under denna tid gjordes ett antal upptäckter på den. 1960 omvandlades synkrofasotronmodellen till en elektronaccelerator, som fortfarande är i drift vid Lebedev Physical Institute.

källor

Litteratur:
Kolomensky A. A., Lebedev A. N. Teori om cykliska acceleratorer. - M., 1962.
Komar E. G. Acceleratorer av laddade partiklar. - M., 1964.
Livingood J. Principer för drift av cykliska acceleratorer - M., 1963.
Oganesyan Yu. Hur cyklotronen skapades / Science and Life, 1980 nr 4, sid. 73.
Hill R. Following the tracks of particles - M., 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

Och jag ska påminna dig om några andra inställningar: till exempel och hur det ser ut. Kom också ihåg vad. Eller du kanske inte vet? eller vad är det Originalartikeln finns på hemsidan InfoGlaz.rf Länk till artikeln som denna kopia gjordes från -

1957 gjorde Sovjetunionen ett vetenskapligt och tekniskt genombrott på flera områden: det lanserade framgångsrikt en konstgjord jordsatellit, och några månader före denna händelse började synkrofasotronen verka i Dubna. Vad är det och varför behövs en sådan installation? Denna fråga oroade inte bara medborgarna i Sovjetunionen vid den tiden, utan hela världen. Naturligtvis förstod forskarsamhället vad det var, men vanliga medborgare blev förbryllade när de hörde detta ord. Än idag förstår de flesta människor inte essensen och principen för synkrofasotron, även om de har hört detta ord mer än en gång. Låt oss ta reda på vad den här enheten är och vad den användes till.

Vad används en synkrofasotron till?

Denna installation utvecklades för att studera mikrokosmos och förstå strukturen hos elementarpartiklar och lagarna för deras interaktion med varandra. Själva kunskapsmetoden var extremt enkel: bryt en partikel och se vad som finns inuti. Men hur kan man bryta en proton? För detta ändamål skapades en synkrofasotron, som accelererar partiklar och träffar dem på ett mål. Den senare kan vara stationär, men i den moderna Large Hadron Collider (som är en förbättrad version av den gamla goda synkrofasotronen) rör sig målet. Där rör sig strålar av protoner mot varandra med stor hastighet och träffar varandra.

Man trodde att denna installation skulle möjliggöra ett vetenskapligt genombrott, upptäckten av nya grundämnen och metoder för att producera atomenergi från billiga källor som skulle vara effektivare än anrikat uran och som skulle vara säkrare och mindre skadligt för miljön.

Militära ändamål

Naturligtvis eftersträvades också militära mål. Skapandet av atomenergi för fredliga syften är bara en ursäkt för de naiva. Det är inte för inte som synkrofasotronprojektet klassificerades som "Top Secret", eftersom konstruktionen av denna accelerator utfördes som en del av projektet för att skapa en ny atombomb. Med dess hjälp ville de få en förbättrad teori om kärnkrafter, som är nödvändig för att beräkna och skapa en bomb. Det är sant att allt visade sig vara mycket mer komplicerat, och även idag saknas denna teori.

Vad är en synkrofasotron i enkla ord?

Sammanfattningsvis är denna installation en accelerator för elementarpartiklar, i synnerhet protoner. Synkrofasotronen består av ett icke-magnetiskt slingrör med ett vakuum inuti, samt kraftfulla elektromagneter. Alternativt slås magneterna på och styr laddade partiklar inuti vakuumröret. När de når maximal hastighet med hjälp av gaspedalen skickas de till ett speciellt mål. Protonerna träffar den, bryter själva målet och bryter sig själva. Fragmenten flyger åt olika håll och lämnar märken i bubbelkammaren. Med hjälp av dessa spår analyserar en grupp forskare deras natur.

Så var fallet tidigare, men moderna installationer (som Large Hadron Collider) använder mer moderna detektorer istället för en bubbelkammare, som ger mer information om protonfragment.

Installationen i sig är ganska komplex och högteknologisk. Vi kan säga att synkrofasotronen är en "avlägsen släkting" till den moderna Large Hadron Collider. I själva verket kan det kallas en analog av ett mikroskop. Båda dessa enheter är avsedda för att studera mikrovärlden, men principen för studier är annorlunda.

Mer om enheten

Så vi vet redan vad en synkrofasotron är, och även att här accelereras partiklar till enorma hastigheter. Som det visar sig, för att accelerera protoner till enorma hastigheter, är det nödvändigt att skapa en potentialskillnad på hundratals miljarder volt. Tyvärr kan mänskligheten inte göra detta, så de kom på idén att accelerera partiklarna gradvis.

I installationen rör sig partiklarna i en cirkel, och vid varje varv matas de med energi och får acceleration. Och även om sådan laddning är liten, kan du få den nödvändiga energin över miljontals varv.

Funktionen av synkrofasotronen är baserad på just denna princip. Elementarpartiklar som accelereras till små värden skickas in i en tunnel där magneter finns. De skapar ett magnetfält vinkelrätt mot ringen. Många tror felaktigt att dessa magneter accelererar partiklar, men så är faktiskt inte fallet. De ändrar bara sin bana, vilket tvingar dem att röra sig i en cirkel, men accelererar dem inte. Själva accelerationen sker med vissa accelerationsintervall.

Partikelacceleration

En sådan accelerationsperiod är en kondensator till vilken spänning appliceras med en hög frekvens. Detta är förresten grunden för hela driften av denna installation. En stråle av protoner flyger in i denna kondensator i det ögonblick då spänningen i den är noll. När partiklarna flyger genom kondensatorn hinner spänningen öka, vilket påskyndar partiklarna. I nästa cirkel upprepas detta, eftersom frekvensen för växelspänningen är speciellt vald lika med frekvensen av partikelns cirkulation runt ringen. Följaktligen accelereras protoner synkront och i fas. Därav namnet - synkrofasotron.

Förresten har denna accelerationsmetod en viss fördelaktig effekt. Om plötsligt en stråle av protoner flyger snabbare än den hastighet som krävs, flyger den in i accelerationsgapet med ett negativt spänningsvärde, varför den saktar ner lite. Om rörelsehastigheten är lägre, blir effekten den motsatta: partikeln får acceleration och kommer ikapp huvudgruppen av protoner. Som ett resultat rör sig en tät och kompakt stråle av partiklar med samma hastighet.

Problem

Helst bör partiklar accelereras till högsta möjliga hastighet. Och om protoner rör sig snabbare och snabbare på varje cirkel, varför kan de då inte accelereras till högsta möjliga hastighet? Det finns flera skäl.

För det första innebär en ökning av energi en ökning av massan av partiklar. Tyvärr tillåter inte relativistiska lagar att något element accelereras över ljusets hastighet. I en synkrofasotron når protonernas hastighet nästan ljusets hastighet, vilket kraftigt ökar deras massa. Som ett resultat blir de svåra att hålla i en cirkulär bana med radie. Det har varit känt sedan skolan att rörelseradien för partiklar i ett magnetfält är omvänt proportionell mot massan och direkt proportionell mot fältets styrka. Och eftersom massan av partiklar ökar måste radien ökas och magnetfältet göras starkare. Dessa villkor skapar begränsningar i genomförandet av villkor för forskning, eftersom tekniken är begränsad än idag. Hittills har det inte varit möjligt att skapa ett fält med en induktion högre än flera tesla. Det är därför de gör tunnlar av stor längd, för med en stor radie kan tunga partiklar med enorm hastighet hållas i ett magnetfält.

Det andra problemet är rörelse med acceleration i en cirkel. Det är känt att en laddning som rör sig med en viss hastighet avger energi, det vill säga förlorar den. Följaktligen förlorar partiklar ständigt en del energi under acceleration, och ju högre hastighet de har, desto mer energi spenderar de. Vid någon tidpunkt uppstår en jämvikt mellan den energi som tas emot i accelerationssektionen och förlusten av samma mängd energi per varv.

Forskning utförd vid synkrofasotronen

Nu förstår vi vilken princip som ligger till grund för synkrofasotronens funktion. Det gjorde det möjligt att göra ett antal studier och upptäckter. I synnerhet kunde forskare studera egenskaperna hos accelererade deuteroner, beteendet hos kärnornas kvantstruktur, interaktionen av tunga joner med mål och även utveckla en teknik för återvinning av uran-238.

Tillämpning av testresultat

Resultaten som erhålls inom dessa områden används idag vid konstruktion av rymdskepp, konstruktion av kärnkraftverk samt vid utveckling av specialutrustning och robotik. Av allt detta följer att synkrofasotronen är en enhet vars bidrag till vetenskapen är svår att överskatta.

Slutsats

I 50 år har sådana installationer tjänat till vetenskapens fördel och används aktivt av forskare över hela planeten. Den tidigare skapade synkrofasotronen och liknande installationer (de skapades inte bara i Sovjetunionen) är bara en länk i evolutionens kedja. Idag dyker det upp mer avancerade enheter – nuklotroner, som har enorm energi.

En av de mest avancerade av dessa enheter är Large Hadron Collider. I motsats till synkrofasotronens verkan kolliderar den två partikelstrålar i motsatta riktningar, vilket resulterar i att energin som frigörs från kollisionen är många gånger högre än energin vid synkrofasotronen. Detta öppnar möjligheter för mer exakta studier av elementarpartiklar.

Nu kanske du borde förstå vad en synkrofasotron är och varför den behövs. Denna installation gjorde det möjligt för oss att göra ett antal upptäckter. Idag har den förvandlats till en elektronaccelerator och arbetar för närvarande på Lebedev Physical Institute.

Tekniken i Sovjetunionen utvecklades snabbt. Se bara på lanseringen av den första konstgjorda jordsatelliten, som sågs av hela världen. Få människor vet att samma år, 1957, började synkrofasotronen arbeta i Sovjetunionen (det vill säga att den inte bara färdigställdes och togs i drift, utan lanserades). Detta ord betyder en installation för att accelerera elementarpartiklar. Nästan alla idag har hört talas om Large Hadron Collider - det är en nyare och förbättrad version av enheten som beskrivs i den här artikeln.

Vad är detta - en synkrofasotron? Vad är det för?

Denna installation är en stor accelerator av elementära partiklar (protoner), vilket möjliggör en mer djupgående studie av mikrokosmos, såväl som växelverkan mellan dessa partiklar med varandra. Sättet att studera är väldigt enkelt: bryt protoner i små delar och se vad som finns inuti. Allt låter enkelt, men att bryta en proton är en extremt svår uppgift, som krävde konstruktionen av en så enorm struktur. Här, genom en speciell tunnel, accelereras partiklar till enorma hastigheter och skickas sedan till målet. När de träffar den sprids de i små fragment. Den närmaste "kollegan" till synkrofasotronen, Large Hadron Collider, fungerar på ungefär samma princip, bara där accelererar partiklarna i motsatta riktningar och träffar inte ett stående mål, utan kolliderar med varandra.

Nu förstår du lite att detta är en synkrofasotron. Man trodde att installationen skulle göra det möjligt att göra ett vetenskapligt genombrott inom området mikrovärldsforskning. Detta kommer i sin tur att möjliggöra upptäckten av nya element och sätt att få billiga energikällor. Helst ville de upptäcka element som var överlägsna i effektivitet och samtidigt mindre skadliga och lättare att återvinna.

Militär användning

Det är värt att notera att denna installation skapades för att genomföra ett vetenskapligt och tekniskt genombrott, men dess mål var inte bara fredliga. Det vetenskapliga och tekniska genombrottet beror mycket på den militära kapprustningen. Synkrofasotronen skapades under rubriken "Top Secret", och dess utveckling och konstruktion utfördes som en del av skapandet av atombomben. Det antogs att enheten skulle göra det möjligt att skapa en perfekt teori om kärnkrafter, men allt visade sig inte vara så enkelt. Än idag saknas denna teori, även om tekniska framsteg har gjort stora framsteg.

med enkla ord?

Om vi sammanfattar och talar på ett begripligt språk? En synkrofasotron är en anläggning där protoner kan accelereras till hög hastighet. Den består av ett ögla rör med ett vakuum inuti och kraftfulla elektromagneter som hindrar protoner från att röra sig slumpmässigt. När protonerna når sin maximala hastighet riktas deras flöde mot ett speciellt mål. När de träffar den sprids protoner i små fragment. Forskare kan se spår av flygande fragment i en speciell bubbelkammare, och från dessa spår analyserar de själva partiklarnas natur.

Bubbelkammaren är en något föråldrad anordning för att fånga spår av protoner. Idag använder sådana installationer mer exakta radar, som ger mer information om protonfragments rörelse.

Trots den enkla principen för synkrofasotronen är denna installation i sig högteknologisk, och dess skapande är endast möjlig med en tillräcklig nivå av teknisk och vetenskaplig utveckling, som naturligtvis Sovjetunionen hade. För att ge en analogi är ett vanligt mikroskop en enhet vars syfte sammanfaller med syftet med en synkrofasotron. Båda enheterna låter dig utforska mikrovärlden, bara den senare låter dig "gräva djupare" och har en något unik forskningsmetod.

Detaljer

Funktionen av enheten beskrevs ovan i enkla ord. Naturligtvis är funktionsprincipen för en synkrofasotron mer komplex. Faktum är att för att accelerera partiklar till höga hastigheter är det nödvändigt att tillhandahålla en potentialskillnad på hundratals miljarder volt. Detta är omöjligt även i det nuvarande skedet av teknikutvecklingen, för att inte tala om den föregående.

Därför bestämde man sig för att accelerera partiklarna gradvis och driva dem i en cirkel under lång tid. På varje varv fick protonerna energi. Som ett resultat av att ha passerat miljontals varv var det möjligt att få den erforderliga hastigheten, varefter de skickades till målet.

Detta är exakt den princip som användes i synkrofasotronen. Till en början rörde sig partiklarna genom tunneln med låg hastighet. På varje varv gick de in i så kallade accelerationsintervaller, där de fick en extra laddning av energi och fick fart. Dessa accelerationssektioner är kondensatorer, vars växelspänningsfrekvens är lika med frekvensen av protoner som passerar genom ringen. Det vill säga, partiklarna träffade accelerationssektionen med en negativ laddning, i detta ögonblick ökade spänningen kraftigt, vilket gav dem hastighet. Om partiklarna träffade accelerationsplatsen med en positiv laddning, bromsades deras rörelse. Och detta är en positiv egenskap, eftersom hela protonstrålen på grund av det rörde sig med samma hastighet.

Och detta upprepades miljontals gånger, och när partiklarna fick den hastighet som krävs skickades de till ett speciellt mål, på vilket de kraschade. Efteråt studerade en grupp forskare resultatet av partikelkollisionen. Så här fungerade synkrofasotronen.

Magneternas roll

Det är känt att kraftfulla elektromagneter också användes i denna enorma partikelaccelerationsmaskin. Människor tror felaktigt att de användes för att accelerera protoner, men så är inte fallet. Partiklar accelererades med hjälp av speciella kondensatorer (accelerationssektioner), och magneter höll bara protonerna i en strikt specificerad bana. Utan dem skulle den konsekventa rörelsen av en stråle av elementära partiklar vara omöjlig. Och den höga effekten hos elektromagneter förklaras av den stora massan av protoner vid höga hastigheter.

Vilka problem stod forskarna inför?

Ett av huvudproblemen med att skapa denna installation var just accelerationen av partiklar. Naturligtvis kunde de accelereras på varje varv, men när de accelererade blev deras massa högre. Med en hastighet nära ljusets hastighet (som vi vet kan ingenting röra sig snabbare än ljusets hastighet) blev deras massa enorm, vilket gjorde det svårt att hålla dem i en cirkulär bana. Vi vet från skolans läroplan att rörelseradien för element i ett magnetfält är omvänt proportionell mot deras massa, därför var vi tvungna att öka radien och använda stora, starka magneter när massan av protoner ökade. Sådana fysiklagar begränsar i hög grad möjligheterna till forskning. Förresten kan de också förklara varför synkrofasotronen visade sig vara så enorm. Ju större tunneln är, desto större magneter kan installeras för att skapa ett starkt magnetfält för att hålla protonerna i rörelse i önskad riktning.

Det andra problemet är förlusten av energi när man rör sig. Partiklar, när de passerar runt en cirkel, avger energi (förlorar den). Följaktligen, när man rör sig i hastighet, förångas en del av energin, och ju högre hastighet, desto större förluster. Förr eller senare kommer ett ögonblick då värdena för emitterad och mottagen energi jämförs, vilket gör ytterligare acceleration av partiklar omöjlig. Det finns därför ett behov av större kapacitet.

Vi kan säga att vi nu mer exakt förstår att detta är en synkrofasotron. Men vad exakt uppnådde forskarna under testerna?

Vilken forskning har gjorts?

Naturligtvis gick arbetet med denna installation inte spårlöst. Och även om det förväntades ge mer allvarliga resultat, visade sig vissa studier vara extremt användbara. I synnerhet studerade forskare egenskaperna hos accelererade deuteroner, interaktioner mellan tunga joner och mål och utvecklade en mer effektiv teknik för återvinning av använt uran-238. Och även om alla dessa resultat för den genomsnittliga personen inte betyder mycket, är deras betydelse inom det vetenskapliga området svår att överskatta.

Tillämpning av resultat

Resultaten av tester utförda vid synkrofasotronen används även idag. I synnerhet används de vid konstruktion av kraftverk som arbetar med rymdraketer, robotik och komplex utrustning. Naturligtvis är bidraget till vetenskap och teknisk utveckling av detta projekt ganska stort. Vissa resultat tillämpas även inom den militära sfären. Och även om forskare inte har kunnat upptäcka nya grundämnen som skulle kunna användas för att skapa nya atombomber, så vet ingen riktigt om detta är sant eller inte. Det är mycket möjligt att vissa resultat döljs för befolkningen, eftersom det är värt att tänka på att detta projekt genomfördes under rubriken "Topphemligt".

Slutsats

Nu förstår du att detta är en synkrofasotron, och vad dess roll är i Sovjetunionens vetenskapliga och tekniska framsteg. Än idag används sådana installationer aktivt i många länder, men det finns redan mer avancerade alternativ - nuklotroner. Large Hadron Collider är kanske den bästa implementeringen av synkrofasotronidén hittills. Användningen av denna installation gör det möjligt för forskare att mer exakt förstå mikrovärlden genom att kollidera med två strålar av protoner som rör sig med enorma hastigheter.