Головна › Охолодження › Що таке синхрофазотрон. Що таке синхрофазотрон: принцип роботи та отримані результати У чому полягає принцип роботи синхрофазотрону

Що таке синхрофазотрон. Що таке синхрофазотрон: принцип роботи та отримані результати У чому полягає принцип роботи синхрофазотрону

Парламентаріям Великобританії знадобилося лише 15 хвилин, щоб вирішити питання державної інвестиції розміром 1 млрд. фунтів у будівництво синхрофазотрона. Після цього вони протягом однієї години бурхливо обговорювали вартість кави, не мало не багато, у парламентському буфеті. І вирішили: знизили ціну на 15%.

Здавалося б, завдання за складністю взагалі не можна порівняти, і все за логікою речей мало статися з точністю до навпаки. Година – на науку, 15 хвилин – на каву. Та ні! Як з'ясувалося пізніше, більшість високоповажних політиків оперативно дали своє потаємне за, зовсім не маючи поняття, що таке синхрофазотрон.

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

Що таке синхрофазотрон?

Синхрофазотрон – електронна установка для наукових досліджень – циклічний прискорювач елементарних частинок (нейтронів, протонів, електронів та ін). Має форму величезного кільця вагою понад 36 тис. тонн. Його надпотужні магніти і трубки, що прискорюють, наділяють мікроскопічні частинки колосальною енергією спрямованого руху. У надрах резонатора фазотрона, на глибині 14,5 метра, відбуваються, по правді, фантастичні перетворення фізично: наприклад, крихітний протон отримує 20 млн. електрон-вольт, а важкий іон - 5 млн. еВ. І це лише скромна частка всіх можливостей!

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

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

Історія синхрофазотрону

Спочатку прискорювачі були лінійними, тобто не мали циклічної структури. Але невдовзі фізикам довелося від них відмовитися. Вимоги до величин енергії збільшувалися її потрібно було більше. А лінійна конструкція не справлялася: теоретичні розрахунки показували, що з цих значень, має бути неймовірної довжини.

У 1929р. американець Е. Лоренс робить спроби вирішити цю проблему і винаходить циклотрон, прообраз сучасного фазотрону. Випробування відбуваються успішно. Через десять років, 1939р. Лоуренс удостоюється Нобелівської премії.
У 1938р. у СРСР питанням створення та удосконалення прискорювачів починає активно займатися талановитий фізик В.І.Векслер. У лютому 1944р. до нього приходить революційна ідея, як подолати енергетичний бар'єр. Свій метод Векслер називає "автофазування". Рівно через рік, цю ж технологію незалежно відкриває Е. Макміллан, учений зі США.
У 1949 р. у Радянському Союзі під керівництвом В.І. Векслера та С.І. Вавілова розгортається великомасштабний науковий проект - створення синхрофазотрона потужністю 10 млрд. електрон-вольт. Протягом 8 років на базі інституту ядерних досліджень у місті Дубно в Україні група фізиків-теоретиків, конструкторів та інженерів старанно працювала над установкою. Тому його ще називають Дубнінський синхрофазотрон.

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

Які дослідження проводяться на синхрофазотроні?

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

поведінка кваркової структури ядер у процесі взаємодії;
утворення кумулятивних частинок внаслідок реакцій за участю ядер;
вивчення властивостей прискорених дейтронів;
взаємодія важких іонів із мішенями (перевірка стійкості мікросхем);
утилізація Урану-238.

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

Весь світ знає, що у 1957 році СРСР запустив перший у світі штучний супутник Землі. Проте, мало хто знає, що цього ж року Радянський Союз розпочав випробування синхрофазотрона, який є прародителем сучасного Великого Адронного Колайдера у Женеві. У статті йтиметься про те, що таке синхрофазотрон і як він працює.

Відповідаючи на запитання, що таке синхрофазотрон, слід сказати, що це високотехнологічний та наукомісткий пристрій, який призначався для дослідження мікрокосмосу. Зокрема, ідея синхрофазотрона полягала в наступному: необхідно було за допомогою потужних магнітних полів, створюваних електромагнітами, розігнати до великих швидкостей пучок елементарних частинок (протонів), а потім направити цей пучок на мету, що перебуває в спокої. Від такого зіткнення протони мають «розламатися» на частини. Неподалік мішені знаходиться спеціальний детектор — бульбашкова камера. Цей детектор дозволяє за треками, які залишають частини протона, досліджувати їхню природу та властивості.

Навіщо треба було будувати синхрофазотрон СРСР? У цьому науковому експерименті, який проходив під категорією «цілком таємно», радянські вчені намагалися знайти нове джерело дешевшої та ефективнішої енергії, ніж збагачений уран. Також переслідувалися і суто наукові цілі глибшого вивчення природи ядерних взаємодій та світу субатомних частинок.

Принцип роботи синхрофазотрону

Наведений вище опис завдань, які стояли перед синхрофазотроном, може багатьом здатися не надто складним для реалізації на практиці, але це не так. Незважаючи на всю простоту питання, що таке синхрофазотрон, щоб прискорити протони до необхідних величезних швидкостей, потрібна електрична напруга в сотні млрд вольт. Такі напруги неможливо створити навіть нині. Тому було вирішено розподілити в часі енергію, що вкачується в протони.

Принцип роботи синхрофазотрона полягав у наступному: пучок протонів починає свій рух кільцеподібним тунелем, десь цього тунелю стоять конденсатори, які створюють стрибок напруги у той час, коли пучок протонів пролітає крізь них. Отже, кожному витку відбувається невелике прискорення протонів. Після того, як пучок частинок зробить кілька мільйонів обертів тунелю синхрофазотрона, протони досягнуть бажаних швидкостей, і будуть направлені на ціль.

Варто зазначити, що електромагніти, які використовуються під час прискорення протонів, виконували напрямну роль, тобто вони визначали траєкторію пучка, але не брали участі в його прискоренні.

Проблеми, з якими зіткнулися вчені під час проведення експериментів

Щоб краще зрозуміти, що таке синхрофазотрон, і чому його створення є дуже складним та наукомістким процесом, слід розглянути проблеми, що виникають у його роботі.

По-перше, чим більша швидкість пучка протонів, тим більшою масою вони починають володіти згідно з знаменитим законом Ейнштейна. При швидкостях близьких до світлових маса часток стає настільки великою, що для їх утримання на потрібній траєкторії необхідно мати потужні електромагніти. Чим більший розмір синхрофазотрона, тим більші магніти можна поставити.

По-друге, створення синхрофазотрона ускладнювалося ще й втратами енергії пучком протонів під час їх кругового прискорення, причому чим більше швидкість пучка, тим значнішими стають ці втрати. Виходить, що для розгону пучка до необхідних гігантських швидкостей необхідно мати величезні потужності.

Які результати вдалося отримати?

Безперечно, експерименти на радянському синхрофазотроні зробили величезний внесок у розвиток сучасних галузей техніки. Так, завдяки цим експериментам вчені СРСР змогли покращити процес переробки використаного урану-238 та отримали деякі цікаві дані, зіштовхуючи прискорені іони різних атомів із мішенню.

Результати експериментів на синхрофазотроні використовуються й досі у будівництві атомних електростанцій, космічних ракет та робототехніки. Досягнення радянської наукової думки були використані для будівництва найпотужнішого синхрофазотрона сучасності, яким є Великий Адронний Колайдер. Сам же радянський прискорювач служить науці РФ, перебуваючи в інституті ФІАН (Москва), де використовується як прискорювач іонів.

Що таке синхрофазотрон: принцип роботи та отримані результати - все про подорожі на сайт

Ось це невловимо знайоме на слух слово «синхрофазотрон»! Нагадайте мені, як воно потрапило до вух простого обивателя в радянському союзі? Якийсь фільм був або пісня популярна, що то було, я точно пам'ятаю! Або ж це був аналог важковимовного слова?

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

У 1957 році Радянський Союз здійснив революційний науковий прорив відразу у двох напрямках: у жовтні було запущено перший штучний супутник Землі, а за кілька місяців до цього, у березні, у Дубні почав працювати легендарний синхрофазотрон – гігантська установка для дослідження мікросвіту. Ці дві події вразили весь світ, і слова «супутник» та «синхрофазотрон» міцно увійшли до нашого життя.

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

Прискорювачі досягають величезних розмірів, і невипадково письменник Володимир Карцев назвав їх пірамідами ядерної доби, за якими нащадки судитимуть про рівень нашої техніки.

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

В основі всіх прискорювачів лежить добре відомий факт: заряджену частинку розганяє електричне поле. Однак отримати частки дуже великої енергії, прискорюючи їх лише один раз між двома електродами, не можна, тому що для цього довелося б прикласти до них величезну напругу, що технічно неможливе. Тому частки великих енергій одержують, багаторазово пропускаючи їх між електродами.

Прискорювачі, у яких частка проходить через послідовно розташовані прискорюючі проміжки, називаються лінійними. З них почався розвиток прискорювачів, але вимога до збільшення енергії частинок вела до практично неможливо великих довжин установок.

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

У циклотроні однорідне магнітне поле створює великий електромагніт, а електричне поле виникає між двома порожніми електродами D-подібної форми (звідси їхня назва – «дуанти»). До електродів додається змінна напруга, яка змінює полярність щоразу, коли частка робить півоберта. Завдяки цьому електричне поле завжди прискорює частки. Цю ідею не можна було б здійснити, якби частки з різними енергіями мали різні періоди обігу. Але, на щастя, хоч швидкість зі зростанням енергії зростає, період обігу залишається постійним, оскільки діаметр траєкторії збільшується в тому ж відношенні. Саме ця властивість циклотрону дозволяє використовувати для прискорення постійну частоту електричного поля.

Незабаром циклотрон почали створювати в інших дослідницьких лабораторіях.

Будівля синхрофазотрона у 1950-ті роки

Про необхідність створення в Радянському Союзі серйозної бази прискорювальної було заявлено на урядовому рівні в березні 1938 року. Група дослідників Ленінградського фізико-технічного інституту (ЛФТІ) на чолі з академіком О.Ф. Іоффе звернулася до голови РНК СРСР В.М. Молотову з листом, у якому пропонувалося створити технічну базу для досліджень у галузі будови атомного ядра. Питання будови атомного ядра стали однією з центральних проблем природознавства, а Радянський Союз у вирішенні їх значно відставав. Так, якщо в Америці було принаймні п'ять циклотронів, то в Радянському Союзі не було жодного (єдиний циклотрон Радієвого інституту АН (РІАН), пущений в 1937, через дефекти проектування практично не працював). Звернення до Молотова містило прохання створити умови для закінчення до 1 січня 1939 споруди циклотрону ЛФТІ. Роботу щодо його створення, розпочату в 1937 році, призупинили через відомчі проблеми та припинення фінансування.

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

Лист до Молотову подіяло, і вже у червні 1938 року комісія від Академії наук СРСР, яку очолив П.Л. Капіца, на запит уряду дала висновок про необхідність будувати циклотрон ЛФТІ на 10–20 МеВ, залежно від типу частинок, що прискорюються, і вдосконалювати циклотрон РІАНу.

У листопаді 1938 року С.І. Вавілов у зверненні до президії АН запропонував будувати циклотрон ЛФТІ в Москві та перевести до складу Фізичного інституту АН (ФІАН) з ЛФТІ лабораторію І.В. Курчатова, яка займалася його створенням. Сергій Іванович хотів, щоб центральна лабораторія з вивчення атомного ядра розташовувалась там же, де знаходилася Академія наук, тобто у Москві. Однак його не підтримали у ЛФТІ. Суперечки закінчилися наприкінці 1939 року, коли А.Ф. Йоффе запропонував створити відразу три циклотрони. 30 липня 1940 року на засіданні президії АН СРСР було вирішено доручити РІАНу в поточному році дообладнати діючий циклотрон, ФІАН - до 15 жовтня підготувати необхідні матеріали з будівництва нового потужного циклотрону, а ЛФТІ - закінчити будівництво циклотрону в першому кварталі 1941 року.

У зв'язку з цим рішенням у ФІАН створили так звану циклотронну бригаду, до якої увійшли Володимир Йосипович Векслер, Сергій Миколайович Вернов, Павло Олексійович Черенков, Леонід Васильович Грошев та Євген Львович Фейнберг. 26 вересня 1940 року бюро Відділення фізико-математичних наук (ОФМН) заслухало інформацію В.І. Векслера про проектне завдання на циклотрон, схвалило його основні характеристики та кошторис на будівництво. Циклотрон розрахований на прискорення дейтронів до енергії 50 МеВ. ФІАН планував розпочати його будівництво 1941 року і пустити 1943-го. Намічені плани порушила війна.

Гостра необхідність створення атомної бомби змусила Радянський Союз мобілізувати зусилля у дослідженні мікросвіту. Один за одним збудували два циклотрони в Лабораторії № 2 у Москві (1944, 1946 роки); у Ленінграді після зняття блокади відновили циклотрони РІАН та ЛФТІ (1946 рік).

Проект фіанівського циклотрону хоч і був затверджений перед війною, але зрозуміли, що конструкція Лоуренса вичерпала себе, оскільки енергія прискорених протонів не могла перевищити 20 МеВ. Саме з цієї енергії починає позначатися ефект збільшення маси частки при швидкостях, порівнянних зі швидкістю світла, що випливає з теорії відносності Ейнштейна

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

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

Першим циклічним прискорювачем електронів став бетатрон, збудований Керстом в 1940 за ідеєю Відероє. В основі бетатрон лежить закон Фарадея, згідно з яким при зміні магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, в цьому контурі виникає електрорушійна сила. У бетатроні замкнутим контуром служить потік частинок, що рухаються по кільцевій орбіті у вакуумній камері постійного радіусу в магнітному полі, що поступово наростає. Коли магнітний потік усередині орбіти зростає, виникає електрорушійна сила, тангенційна складова якої прискорює електрони. У бетатроні, подібно до циклотрону, існує обмеження для отримання часток дуже високої енергії. Це пов'язано з тим, що, згідно з законами електродинаміки, електрони, що рухаються по кругових орбітах, випромінюють електромагнітні хвилі, які при релятивістських швидкостях забирають дуже багато енергії. Для компенсації цих втрат потрібно значно збільшувати розмір осердя магніту, що має практичну межу.

Таким чином, на початок 1940-х років можливості отримання більш високої енергії як протонів, так і електронів було вичерпано. Для подальших досліджень мікросвіту потрібно збільшити енергію прискорених частинок, тому гостро постало завдання пошуку нових методів прискорення.

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

Для прискорення релятивістських електронів було запропоновано прискорювач, який у подальшому назва синхротрона. У ньому прискорення здійснюється змінним електричним полем постійної частоти, а синхронізм забезпечується змінним за певним законом магнітним полем, яке утримує частки на орбіті постійного радіусу.

Для практичних цілей потрібно теоретично переконатися, що запропоновані процеси прискорення стійкі, тобто при незначних відхиленнях від резонансу фазування частинок здійсниться автоматично. Фізик-теоретик циклотронної бригади О.Л. Фейнберг звернув на це увагу Векслера і сам суворо математично довів стійкість процесів. Саме тому ідея Векслера отримала назву "принцип автофазування".

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

Через рік принцип автофазування незалежно відкрив американський фізик Е. МакМіллан, проте пріоритет зберігся за Векслером.

Слід зазначити, що у прискорювачах, заснованих на новому принципі, у явному вигляді виявилося «правило важеля» - виграш енергії спричинив програш в інтенсивності пучка прискорених частинок, що пов'язане з циклічності їх прискорення на відміну від плавного прискорення в циклотронах і бетатронах. На цей неприємний момент відразу вказали на сесії Відділення фізико-математичних наук 20 лютого 1945 року, проте тоді всі одностайно дійшли висновку, що ця обставина в жодному разі не повинна перешкоджати реалізації проекту. Хоча, до речі, боротьба за інтенсивність згодом постійно докучала «прискорювачам».

На тій же сесії на пропозицію президента Академії наук СРСР С.І. Вавілова було вирішено негайно будувати прискорювачі двох типів, запропоновані Векслером. 19 лютого 1946 року Спеціальний комітет при Раднаркомі СРСР доручив відповідній комісії розробити їх проекти із зазначенням потужності, термінів виготовлення та місця будівництва. (Від створення циклотрону у ФІАН відмовилися.)

В результаті 13 серпня 1946 одночасно вийшло дві постанови Ради міністрів СРСР, підписані головою Ради міністрів СРСР І.В. Сталіним та керуючим справами Ради міністрів СРСР Я.Є. Чадаєвим, щодо створення синхроциклотрону на енергію дейтронів 250 МеВ та синхротрону на енергію 1 ГеВ. Енергія прискорювачів диктувалася насамперед політичним протистоянням навіть СРСР. У США вже створили синхроциклотрон на енергію дейтронів близько 190 МеВ та почали будувати синхротрон на енергію 250–300 МеВ. Вітчизняні прискорювачі енергії повинні були перевершувати американські.

З синхроциклотроном пов'язували надії на відкриття нових елементів, нових способів отримання атомної енергії з більш дешевих джерел, ніж уран. За допомогою синхротрона мали намір штучним шляхом отримувати мезони, які, як передбачали радянські фізики, здатні викликати розщеплення ядер.

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

Постанови визначили місця будівництва прискорювачів: синхротрона – у Москві, на Калузькому шосе (нині Ленінський проспект), на території ФІАНу; синхроциклотрон - в районі Іваньківської ГЕС, за 125 кілометрів на північ від Москви (тоді Калінінська область). Спочатку створення обох прискорювачів доручили ФІАН. Керівником робіт із синхротрону було призначено В.І. Векслер, а, по синхроциклотрону - Д.В. Скобельцин.

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

За півроку керівник атомного проекту І.В. Курчатов, невдоволений ходом робіт з фіанівському синхроциклотрону, переклав цю тему на свою Лабораторію № 2. Новим керівником теми він призначив М.Г. Мещерякова, звільнивши від роботи у ленінградському Радієвому інституті. Під керівництвом Мещерякова в Лабораторії №2 створили модель синхроциклотрону, яка вже експериментально підтвердила правильність принципу автофазування. 1947 року почалося будівництво прискорювача в Калінінській області.

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

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

Академік Української АН О.І. Лейпунський (1907–1972) на основі принципу автофазування запропонував конструкцію прискорювача, який згодом названий синхрофазотроном (фото: «Наука і життя»)
Створення синхротрона з низки причин не вдалося здійснити. По-перше, через непередбачені труднощі довелося побудувати два синхротрони на менші енергії - 30 і 250 МеВ. Їх розташували біля ФІАНу, а синхротрон на 1 ГеВ вирішили будувати поза Москви. У червні 1948 року йому виділили місце за кілька кілометрів від синхроциклотрона, що вже будується в Калінінській області, але й там його так і не побудували, оскільки перевага була віддана прискорювачу, запропонованому академіком Української академії наук Олександром Іллічем Лейпунським. Сталося це в такий спосіб.

1946 року А.І. Лейпунський на основі принципу автофазування висунув ідею про можливість створення прискорювача, в якому поєднувалися особливості синхротрону та синхроциклотрону. Згодом Векслер назвав такий тип прискорювача синхрофазотроном. Назва стає зрозумілою, зважаючи на те, що синхроциклотрон спочатку називали фазотроном і в поєднанні з синхротроном виходить синхрофазотрон. У ньому внаслідок зміни керуючого магнітного поля частинки рухаються по кільцю, як у синхротроні, а прискорення виробляє високочастотне електричне поле, частота якого змінюється у часі, як і синхроциклотроні. Це дозволяло значно збільшити енергію протонів, що прискорюються, в порівнянні з синхроциклотроном. У синхрофазотроні протони заздалегідь прискорюються в лінійному прискорювачі - інжекторі. Введені в основну камеру частинки під впливом магнітного поля починають у ній циркулювати. Такий режим називається бетатронним. Потім включається високочастотна напруга, що прискорює, на електродах, розміщених у двох діаметрально протилежних прямолінійних проміжках.

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

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

І раптом у 1949 році, у самий розпал робіт, уряд вирішив передати розпочату роботу з синхрофазотрону у ФІАН. Навіщо? Чому? Адже ФІАН вже займається створенням синхротрону на 1 ГеВ! Та в тому й річ, що обидва проекти, і синхрофазотрона на 1,5 ГеВ, і синхротрона на 1 ГеВ, були надто дорогими, і постало питання про їх доцільність. Остаточно його дозволили на одному зі спеціальних засідань у ФІАН, де зібралися провідні фізики країни. Вони вважали за непотрібне спорудження синхротрону на 1 ГеВ через відсутність великого інтересу до прискорення електронів. Головним опонентом такої позиції був М.А. Марків. Основний його аргумент полягав у тому, що вивчати і протони, і ядерні сили набагато ефективніші за допомогою вже добре вивченої електромагнітної взаємодії. Проте відстояти свою думку йому не вдалося, і позитивне рішення виявилося на користь проекту Лейпунського.

Так виглядає синхрофазотрон на 10 ГеВ у Дубні

Руйнувала заповітна мрія Векслера побудувати найбільший прискорювач. Не бажаючи миритися з ситуацією, що склалася, він за підтримки С.І. Вавілова та Д.В. Скобельцина запропонував відмовитися від спорудження синхрофазотрона на 1,5 ГеВ та розпочати проектування прискорювача відразу на 10 ГеВ, раніше дорученому А.І. Лейпунському. Уряд прийняв цю пропозицію, оскільки у квітні 1948 року стало відомо про проект синхрофазотрона на 6–7 ГеВ у Каліфорнійському університеті і хотілося хоч на якийсь час опинитися попереду США.

2 травня 1949 року вийшла ухвала Ради міністрів СРСР про створення синхрофазотрона на енергію 7-10 ГеВ на території, раніше відведеної для синхротрона. Тему перевели до ФІАНу, а її науково-технічним керівником призначили В.І. Векслера, хоча справи Лейпунського йшли цілком успішно.

Пояснити це можна, по-перше, тим, що Векслер вважався автором принципу автофазування і, за спогадами сучасників, до нього дуже вподобав Л.П. Берія. По-друге, С. І. Вавілов був на той час не тільки директором ФІАНу, а й президентом АН СРСР. Лейпунському запропонували стати заступником Векслера, але він відмовився і надалі у створенні синхрофазотрона не брав участі. За словами заступника Лейпунського О.Д. Козачковського, «ясно було, що два ведмеді в одному барлозі не вживуться». Згодом А.І. Лейпунський та О.Д. Козачковський стали провідними спеціалістами з реакторів і 1960 року були удостоєні Ленінської премії.

У ухвалі був пункт про переведення на роботу до ФІАН співробітників Лабораторії «В», які займалися розробкою прискорювача, з передачею відповідного обладнання. А передавати було що: роботу над прискорювачем у Лабораторії «В» на той час довели до стадії моделі та обґрунтування основних рішень.

Не всі з натхненням сприйняли переклад у ФІАН, оскільки з Лейпунським легко й цікаво працювалося: він був не лише чудовим науковим керівником, а й чудовою людиною. Однак відмовитися від перекладу було практично неможливо: у той суворий час відмова загрожувала судом та таборами.

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

Теоретичні та експериментальні результати, отримані в Лабораторії "В", були використані у ФІАН при проектуванні синхрофазотрона на 10 ГеВ. Однак підвищення енергії прискорювача до цієї величини вимагало значних доробок. Проблеми його створення дуже великою мірою посилювалися тим, що на той час у всьому світі був відсутній досвід спорудження таких великих установок.

Під керівництвом теоретиків М.С. Рабіновича та А.А. Коломенського у ФІАН зробили фізичне обґрунтування технічного проекту. Основні складові синхрофазотрона розробили московський радіотехнічний інститут АН та ленінградський НДІ під керівництвом їх директорів А.Л. Мінця та Є.Г. Комара.

Для отримання необхідного досвіду вирішили збудувати модель синхрофазотрона на енергію 180 МеВ. Її розташували біля ФІАНу у спеціальному будинку, яке з міркувань секретності назвали складом № 2. На початку 1951 року всі роботи з моделі, включаючи монтаж устаткування, налагодження і комплексний її пуск, Векслер поклав Зінов'єва.

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

Незадовго до запуску моделі в одному американському журналі несподівано з'явилося повідомлення про нову конструкцію магнітної системи прискорювача, названу жорсткофокусуючою. Вона виконується у вигляді набору секцій, що чергуються, з протилежно спрямованими градієнтами магнітного поля. Це значно зменшує амплітуду коливань прискорюваних частинок, що дозволяє значно зменшити переріз вакуумної камери. В результаті економиться велика кількість заліза, що йде на будівництво магніту. Наприклад, прискорювач у Женеві на енергію 30 ГеВ, заснований на жорсткому фокусуванні, має втричі більшу енергію і втричі більшу довжину кола, ніж дубненський синхрофазотрон, яке магніт вдесятеро легше.

Конструкцію магнітів жорсткого фокусування запропонували та розробили американські вчені Курант, Лівінгстон та Снайдер у 1952 році. За кілька років до них те саме вигадав, але не опублікував Крістофілос.

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

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

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

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

Дуже довго було неможливо отримати бетатронний режим, якого пуск неможливий. І саме Зінов'єв у відповідальний момент зрозумів, що треба зробити, щоби вдихнути життя в синхрофазотрон. Експеримент, до якого готувалися два тижні, на загальну радість, нарешті увінчався успіхом. 15 березня 1957 року дубненський синхрофазотрон запрацював, що всьому світу повідомила газета «Правда» 11 квітня 1957 року (стаття В.І. Векслера). Цікаво, що ця звістка з'явилася, лише коли енергія прискорювача, що поступово піднімається з дня пуску, перевищила енергію 6,3 ГеВ американського синхрофазотрону, що в той час лідирує в Берклі. Є 8,3 мільярда електронвольт! - повідомляла газета, повідомляючи, що у Радянському Союзі створено рекордний прискорювач. Здійснилася заповітна мрія Векслер!

16 квітня енергія протонів досягла проектної величини 10 ГеВ, але в експлуатацію прискорювач був зданий лише через кілька місяців, оскільки залишалося ще досить невирішених технічних завдань. І все ж основне було позаду – синхрофазотрон заробив.

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

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

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

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

У жовтні 1957 року на розширеному засіданні вченої ради Курчатівського інституту під головуванням самого Ігоря Васильовича сімнадцять осіб із різних організацій, які брали участь у створенні синхрофазотрона, були висунуті на найпрестижнішу на той час у Радянському Союзі Ленінську премію. Але за умов кількість лауреатів не могла перевищувати дванадцяти осіб. У квітні 1959 року премії було удостоєно директора Лабораторії високих енергій ОІЯД В.І. Векслер, начальник відділу тієї ж лабораторії Л.П. Зінов'єв, заступник начальника Головного управління з використання атомної енергії при Раді Міністрів СРСР Д.В. Єфремов, директор ленінградського НДІ Є.Г. Комар та його співробітники Н. А. Моносзон, А.М. Столов, директор московського радіотехнічного інституту АН СРСР А.Л. Мінц, співробітники тієї самої інституту Ф.А. Водоп'янов, С.М. Рубчинський, співробітники ФІАН А.А. Коломенський, В.А. Пєтухов, М.С. Рабінович. Векслер та Зінов'єв стали почесними громадянами Дубни.

Синхрофазотрон залишався у строю сорок п'ять років. За цей час на ньому зробили цілу низку відкриттів. Модель синхрофазотрона в 1960 році переробили в прискорювач електронів, який досі працює у ФІАН.

джерела

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

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

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

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

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

http://www.larisa-zinovyeva.com

А я вам ось про які установки ще нагадаю: наприклад, і як виглядає. Згадайте ще, що таке . А може, ви не знаєте? або що таке Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якою зроблено цю копію -

У 1957 році СРСР здійснив науковий та технічний прорив у кількох областях: зробив успішний запуск штучного супутника Землі, а за кілька місяців до цієї події в Дубні почав працювати синхрофазотрон. Що це таке і для чого потрібна така установка? Це питання хвилювало як громадян СРСР тоді, а й увесь світ. Зрозуміло, у науковому колі розуміли, що це таке, але звичайні громадяни дивувалися, коли чули це слово. Навіть сьогодні більшість людей не розуміють суті та принципу синхрофазотрону, хоча не раз чули це слово. Давайте розберемося, що це за пристрій і навіщо застосовувалося.

Навіщо потрібен синхрофазотрон?

Розробляли цю установку вивчення мікросвіту та пізнання структури елементарних частинок, законів їх взаємодії друг з одним. Сам спосіб пізнання був надзвичайно простий: поламати частинку та подивитися, що знаходиться всередині. Однак як можна поламати протон? Для цього і був створений синхрофазотрон, який розганяє частки і вдаряє їх за мету. Остання може бути нерухомою, а в сучасному Великому адронному колайдері (він є вдосконаленою версією старого доброго синхрофазотрона) мета є рухомою. Там пучки протонів із величезною швидкістю рухаються один до одного й ударяються.

Вважалося, що ця установка дозволить здійснити науковий прорив, відкрити нові елементи та способи отримання атомної енергії з дешевих джерел, які перевершували б за ефективністю збагачений уран і були б безпечнішими та менш шкідливими для навколишнього середовища.

Військові цілі

Звісно, військові цілі також переслідувалися. Створення атомної енергії у мирних цілях – це лише виправдання для наївних. Не дарма проект синхрофазотрону вийшов із грифом "Цілком таємно", адже будівництво цього прискорювача здійснювалось у рамках проекту створення нової атомної бомби. З його допомогою хотіли отримати удосконалену теорію ядерних сил, яка необхідна для розрахунку та створення бомби. Щоправда, виявилося все набагато складнішим, і навіть сьогодні ця теорія відсутня.

Що таке синхрофазотрон простими словами?

Якщо узагальнити, то дана установка є прискорювачем елементарних частинок, протонів зокрема. Синхрофазотрон складається з немагнітної закільцованої труби з вакуумом усередині, а також потужних електромагнітів. По черзі магніти включаються, спрямовуючи заряджені частинки усередині вакуумної труби. Коли за допомогою прискорювачів досягають максимальної швидкості, їх направляють у спеціальну мету. Протони в неї вдаряються, розбивають саму мету і розбиваються у своїй самі. Осколки розлітаються в різні боки і залишають сліди в бульбашковій камері. За цими слідами група вчених аналізує їхню природу.

Так було раніше, проте в сучасних установках (типу Великого адронного колайдера) застосовуються сучасніші детектори замість бульбашкової камери, які дають більше інформації про уламки протонів.

Сама по собі установка є досить складною та високотехнологічною. Можна сказати, що синхрофазотрон – це "далекий родич" сучасного Великого адронного колайдера. По суті його можна назвати аналогом мікроскопа. Обидва ці прилади призначаються вивчення мікросвіту, ось лише принцип вивчення різний.

Докладніше про пристрій

Отже, ми вже знаємо, що таке синхрофазотрон, а також те, що частинки тут розганяються до величезних швидкостей. Як виявилося, для розгону протонів до величезної швидкості необхідно створити різницю потенціалів у сотні мільярдів вольт. На жаль, зробити таке людству не під силу, тому частки придумали поступово розганяти.

У встановленні частки рухаються по колу, і кожному обороті їх підживлюють енергією, отримуючи прискорення. І хоча подібне підживлення невелике, за мільйони обертів можна набрати необхідну енергію.

В основу роботи синхрофазотрона покладено саме цей принцип. Розігнані до невеликих значень елементарні частинки запускаються тунель, де розташовуються магніти. Вони створюють перпендикулярне кільце магнітне поле. Багато хто помилково вважає, що ці магніти прискорюють частинки, але насправді це не так. Вони лише змінюють їхню траєкторію, змушуючи рухатися по колу, проте не прискорюють їх. Саме прискорення відбувається на певних розгінних проміжках.

Розгін частинок

Подібний проміжок прискорення є конденсатором, на який подається напруга з високою частотою. До речі, це основа всієї роботи цієї установки. Пучок протонів влітає в даний конденсатор у момент, коли напруга в ньому дорівнює нулю. У міру того, як частинки пролітають по конденсатору, напруга встигає зрости, що підганяє частинки. На наступному колі це повторюється, тому що частота змінної напруги спеціально підбирається рівною частотою обертання частинки кільцем. Отже, синхронно та у фазі здійснюється прискорення протонів. Звідси і назва – синхрофазотрон.

До речі, за такого способу прискорення є певний корисний ефект. Якщо раптом пучок протонів летить швидше за необхідну швидкість, то він влітає в розгінний проміжок при негативному значенні напруги, через що трохи пригальмовує. Якщо швидкість руху менша, ефект буде зворотним: частка отримує прискорення і наздоганяє основний потік протонів. Внаслідок цього щільний і компактний пучок частинок рухається з однією швидкістю.

Проблеми

В ідеалі частки необхідно розігнати до максимально можливої швидкості. І якщо протони на кожному колі рухаються швидше та швидше, то чому не можна їх розігнати до максимально можливої швидкості? Причин кілька.

По-перше, зростання енергії передбачає збільшення маси часток. На жаль, релятивістські закони не дозволяють жоден елемент розігнати вище за швидкість світла. У синхрофазотроні швидкість протонів практично досягає швидкості руху світла, що сильно збільшує їхню масу. В результаті їх стає важко утримувати на круговій орбіті радіусу. Ще зі школи відомо, що радіус руху частинок у магнітному полі обернено пропорційний масі і прямо пропорційний величині поля. І оскільки маса часток зростає, то радіус необхідно збільшувати та робити магнітне поле сильнішим. Ці умови і створюють обмеження реалізації умов дослідження, оскільки технології навіть сьогодні обмежені. Поки що не вдається створити поле з індукцією вище за кілька тесла. Тому й роблять тунелі великої довжини, адже за великого радіусу важкі частки на величезній швидкості вдається утримувати в магнітному полі.

Друга проблема - рух із прискоренням по колу. Відомо, що заряд, що рухається з певною швидкістю, випромінює енергію, тобто втрачає її. Отже, частки при прискоренні постійно втрачають частину енергії, і що їх швидкість, тим більше енергії вони витрачають. У якийсь момент настає рівновага між одержуваною енергією на ділянці розгону і втратою цієї кількості енергії за один оборот.

Дослідження, що проводяться на синхрофазотроні

Тепер ми розуміємо, який принцип є основою роботи синхрофазотрона. Він дозволив провести низку досліджень та здійснити відкриття. Зокрема, вчені змогли вивчити властивості прискорених дейтронів, поведінку квантової структури ядер, взаємодію важких іонів з мішенями, а також розробити технологію утилізації урану-238.

Застосування результатів, отриманих під час випробувань

Отримані за цими напрямами результати застосовуються сьогодні у будівництві космічних кораблів, проектуванні атомних електростанцій, і навіть розробки спеціального устаткування й робототехніки. З усього цього випливає, що синхрофазотрон – такий пристрій, внесок у науку якого переоцінити складно.

Висновок

Протягом 50 років подібні установки служать для науки і активно застосовуються вченими всієї планети. Раніше створений синхрофазотрон і подібні йому установки (вони створювалися не тільки в СРСР) є лише однією ланкою в ланцюжку еволюції. Сьогодні з'являються більш досконалі пристрої - нуклотрони, що мають величезну енергію.

Одним із найдосконаліших серед подібних пристроїв є Великий адронний колайдер. На відміну від дії синхрофазотрона, він зустрічними курсами зіштовхує два пучки частинок, внаслідок чого енергія, що виділяється від зіткнення, у багато разів перевищує енергію на синхрофазотроні. Це відкриває можливості більш точного вивчення елементарних частинок.

Мабуть, тепер ви повинні розуміти, що таке синхрофазотрон і для чого він взагалі потрібний. Ця установка дозволила зробити низку відкриттів. Сьогодні з нього зробили прискорювач електронів, і зараз він працює у ФІАН.

Технології у СРСР розвивалися стрімко. Чого тільки вартий запуск першого штучного супутника Землі, за яким спостерігав увесь світ. Мало хто знає, що в той же 1957 в СРСР запрацював (тобто був не просто добудований і введений в експлуатацію, а саме запущений) синхрофазотрон. Слово позначає установку для розгону елементарних частинок. Практично кожен сьогодні чув про Великий адронний колайдер - він є новішою і вдосконаленою версією описаного в даній статті пристрою.

Що це – синхрофазотрон? Навіщо він потрібний?

Ця установка являє собою великий прискорювач елементарних частинок (протонів), який дозволяє глибше вивчити мікросвіт, а також взаємодія цих частинок один з одним. Спосіб вивчення дуже простий: розбити протони на дрібні частини та подивитися, що знаходиться всередині. Звучить все просто, але зламати протон - це надзвичайно складне завдання, для вирішення якого знадобилося будівництво такої величезної споруди. Тут спеціальним тунелем частки розганяються до великих швидкостей і потім прямують на мішень. Вдарившись об неї, вони розлітаються на дрібні уламки. Найближчий "колега" синхрофазотрона, Великий адронний колайдер, діє приблизно за таким же принципом, ось тільки там частинки розганяються в протилежних напрямках і ударяються не про мету, а стикаються один з одним.

Тепер ви трохи розумієте, що це – синхрофазотрон. Вважалося, що установка дозволить зробити науковий прорив у галузі дослідження мікросвіту. У свою чергу, це дозволить відкрити нові елементи та способи отримувати дешеві джерела енергії. В ідеалі хотіли відкрити елементи, що перевершували ефективність і є при цьому менш шкідливими і більш простими в утилізації.

Застосування у військових цілях

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

простими словами?

Якщо узагальнити та говорити зрозумілою мовою? Синхрофазотрон – це установка, де протони можна розігнати до великої швидкості. Вона складається із закільцьованої труби з вакуумом усередині та потужних електромагнітів, які не дають протонам рухатися хаотично. Коли протони досягають своєї максимальної швидкості руху, їхній потік прямує на спеціальну мету. Вдаряючись про неї, протони розлітаються на дрібні уламки. Вчені можуть бачити сліди осколків, що розлітаються в спеціальній бульбашковій камері, і по цих слідах вони аналізують природу самих частинок.

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

Незважаючи на простий принцип синхрофазотрона, сама ця установка є високотехнологічною, і її створення можливе лише за достатнього рівня технічного та наукового розвитку, яким, безумовно, мав СРСР. Якщо наводити аналогію, то звичайний мікроскоп є пристроєм, призначення якого збігається з призначенням синхрофазотрона. Обидва прилади дозволяють досліджувати мікросвіт, тільки останній дозволяє "копнути глибше" і має дещо своєрідний метод дослідження.

Детально

Вище було описано роботу приладу простими словами. Зрозуміло, принцип дії синхрофазотрона є складнішим. Справа в тому, що для розгону частинок до високих швидкостей необхідно забезпечити різницю потенціалів у сотні мільярди вольт. Це неможливо навіть на нинішньому етапі розвитку технологій, не говорячи вже про попередній.

Тому було ухвалено рішення розганяти частки поступово та ганяти їх по колу довго. На кожному колі протони підживлювалися енергією. В результаті проходження мільйонів оборотів вдалося набрати необхідну швидкість, після чого їх спрямовували на мету.

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

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

Роль магнітів

Відомо, що у цій величезній машині для прискорення частинок застосовувалися також потужні електромагніти. Люди помилково вважають, що вони використовувалися для розгону протонів, але це негаразд. Розганялися частинки за допомогою спеціальних конденсаторів (ділянок прискорення), а магніти лише утримували протони в заданій траєкторії. Без них послідовний рух пучка елементарних частинок було б неможливим. А висока потужність електромагнітів пояснюється великою масою протонів за високої швидкості руху.

З якими проблемами зіткнулися вчені?

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

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

Можна сказати, що ми тепер точніше розуміємо, що це – синхрофазотрон. Але чого саме досягли вчені під час випробувань?

Які дослідження проводились?

Звичайно, робота цієї установки не пройшла безвісти. І хоча від неї очікували отримати серйозніші результати, деякі дослідження виявилися вкрай корисними. Зокрема, вчені вивчили властивості прискорених дейтронів, взаємодій важких іонів з мішенями, розробили ефективнішу технологію для утилізації відпрацьованого урану-238. І хоча для звичайної людини всі ці результати мало про що говорять, у науковій сфері їхню значущість складно переоцінити.

Застосування результатів

Результати випробувань, що проводяться на синхрофазотроні, застосовуються навіть сьогодні. Зокрема, вони використовуються при будівництві електростанцій, що працюють на застосовуються при створенні космічних ракет, робототехніки та складного обладнання. Безумовно, внесок у науку та технічний прогрес цього проекту є досить великим. Деякі результати застосовують і у військовій сфері. І хоча вченим не вдалося відкрити нові елементи, які можна було б використати для створення нових атомних бомб, насправді ніхто не знає, чи це правда. Цілком можливо, що від населення приховують деякі результати, адже варто враховувати, що цей проект було реалізовано під грифом "Цілком таємно".

Висновок

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