Синхрофазотрон: какво е, принцип на действие и описание

През 1957 г. СССР направи научен и технически пробив в няколко области: успешно стартира изкуствен спътник на Земята и няколко месеца преди това събитие в Дубна започна да работи синхрофазотрон. Какво е това и защо се нуждаем от такава инсталация? Този въпрос притеснява не само гражданите на СССР по това време, но и целия свят. Разбира се, научната общност разбираше какво е това, но обикновените граждани бяха объркани, когато чуха тази дума. Дори и днес повечето хора не разбират същността и принципа на синхрофазотрона, въпреки че са чували тази дума повече от веднъж. Нека видим какво е това устройство и за какво е използвано.

За какво е синхрофазотрона?

Разработи тази инсталация за изучаване на микросвета и познаването на структурата на елементарните частици, законите на тяхното взаимодействие помежду си. Самият метод на познание беше изключително прост: да се счупи частица и да се види какво е вътре. Но как може да се счупи протон? За тази цел е създаден синхрофазотронът, който ускорява частиците и ги удря в мишената. Последното може да бъде фиксирано, а в съвременния Голям адронен ускорител (подобрен вариант на добрия стар синхрофазотрон) целта се движи. Там протонните лъчи се движат с огромна скорост един към друг и стачкуват.

Смята се, че тази инсталация ще направи научен пробив, ще открие нови елементи и методи за получаване на атомна енергия от евтини източници, които биха били по-добри по ефективност обогатен уран и биха били по-безопасни и по-малко вредни за околната среда.

Военни цели

Разбира се, бяха преследвани и военни цели. Създаването на атомна енергия за мирни цели е само извинение за наивния. Неслучайно проектът на синхрофазотрона беше подпечатан с „Топ секретно“, тъй като изграждането на този ускорител бе осъществено като част от проекта за създаване на нов атомна бомба. С негова помощ те искаха да получат подобрена теория. ядрени сили което е необходимо за изчисляване и създаване на бомба. Вярно е, че се оказа много по-сложно и дори днес тази теория липсва.

Какво е синхрофазотрон с прости думи?

За да обобщим, тази настройка е ускорител на елементарни частици, в частност протони. Синхрофазотронът се състои от немагнитна затворена тръба с вакуум вътре, както и мощни електромагнити. Алтернативно, магнитите се включват, насочвайки заредените частици във вакуумната тръба. Когато достигнат максималната скорост с помощта на ускорители, те се изпращат до специална цел. Протоните го удариха, разбиха самата мишена и го разбиха сами. Фрагментите се разпадат и оставят следи в балонната камера. Следвайки тези пътеки, група учени анализират тяхната природа.

По-рано това се случи, но в съвременните инсталации (като Големия адронен колайдер) се използват по-модерни детектори вместо балонната камера, които предоставят повече информация за протонните фрагменти.

Самата инсталация е доста сложна и високотехнологична. Можем да кажем, че синхрофазотронът е "далечен роднина" на съвременния Голям адронен ускорител. Всъщност той може да се нарече аналогов микроскоп. И двете устройства са предназначени за изучаване на микросвета, това е само принципът на ученето е различен.

Повече за устройството

Така че вече знаем какво е синхрофазотрон, както и факта, че тук частиците ускоряват до огромни скорости. Както се оказа, за да се ускорят протоните до огромна скорост, е необходимо да се създаде потенциална разлика от стотици милиарди волта. За съжаление, за човечеството е невъзможно да направи такова нещо, така че частиците излязоха с ускорение постепенно.

В инсталацията частиците се движат в кръг, а при всяка революция те се зареждат с енергия, получавайки ускорение. И макар такава храна да е малка, за милиони завои можете да получите необходимата енергия.

Принципът на действие на синхрофазотрона е именно този принцип. Елементарните частици, ускорени до малки стойности, се пускат в тунела, където се намират магнитите. Те създават магнитно поле, перпендикулярно на пръстена. Много хора погрешно вярват, че тези магнити ускоряват частиците, но в действителност това не е така. Те само променят траекторията си, принуждавайки ги да се движат в кръг, но не ги ускоряват. Самото ускорение се осъществява при определени ускорителни празнини.

Ускоряване на частиците

Такова разстояние на ускорение е кондензатор, който се захранва с висока честота. Между другото, това е основата на цялата работа на тази инсталация. Протонният лъч влезе в този кондензатор в момента, когато напрежението в него е нула. Тъй като частиците летят през кондензатора, напрежението нараства във времето, което задвижва частиците. В следващия кръг, това се повтаря, тъй като честотата на променливото напрежение е специално избрана да бъде равна на честотата на циркулация на частиците около пръстена. Следователно, протоните се ускоряват едновременно и във фаза. Оттук и името - синхрофазотрон.

Между другото, с този метод на ускорение има определен полезен ефект. Ако внезапно протонният лъч лети по-бързо от желаната скорост, тогава той се придвижва в ускоряващата междина с отрицателна стойност на напрежението, което причинява малко забавяне. Ако скоростта е по-бавна, тогава ефектът ще бъде обратното: частицата се ускорява и улавя основната група протони. В резултат на това плътен и компактен лъч на частици се движи с една скорост.

проблеми

В идеалния случай частиците трябва да се ускорят до максималната възможна скорост. И ако протоните на всеки кръг се движат по-бързо и по-бързо, тогава защо да не ги ускорим до максималната възможна скорост? Има няколко причини.

Първо, увеличаването на енергията предполага увеличаване на масата на частиците. За съжаление, релативистките закони не позволяват никакъв елемент да се ускорява над скоростта на светлината. В синхрофазотрон скоростта на протона практически достига скоростта на светлината, което значително увеличава тяхната маса. В резултат на това става трудно да ги държите в кръгова орбита с радиус. От училище е известно, че радиусът на движение на частици в магнитно поле е обратно пропорционален на масата и е правопропорционален на размера на полето. И с нарастването на масата на частиците, радиусът трябва да се увеличи и магнитното поле трябва да се укрепи. Тези условия създават ограничения в прилагането на условията за научни изследвания, тъй като технологиите са ограничени и днес. Досега не е било възможно да се създаде поле с индукция над няколко тесла. Следователно, те правят тунели с голяма дължина, защото с голям радиус тежките частици с висока скорост могат да се държат в магнитно поле.

Вторият проблем е движение с ускорение по периферията. Известно е, че заряд, който се движи с определена скорост, излъчва енергия, т.е. губи я. Следователно, частиците постоянно губят енергия по време на ускорението и колкото по-висока е тяхната скорост, толкова повече енергия прекарват. В някакъв момент се постига баланс между енергията, получена в секцията за ускорение, и загубата на същото количество енергия в един оборот.

Изследвания, проведени в синхрофазотрон

Сега разбираме какъв принцип е в основата на работата на синхрофазотрона. Той разрешил да проведе серия от изследвания и да направи открития. По-специално, учените са в състояние да изучават свойствата на ускорените дейтрони, поведението на квантовата структура на ядрата, взаимодействието на тежки йони с мишени, както и да разработят технология за използване на уран-238.

Прилагане на резултатите от изпитванията

Получените резултати в тези области се прилагат днес в изграждането на космически кораби, проектирането на атомни електроцентрали, както и в разработването на специално оборудване и роботика. От всичко това следва, че синхрофазотронът е такова устройство, чийто принос към науката е труден за надценяване.

заключение

В продължение на 50 години такива инсталации служат в полза на науката и се използват активно от учени от цялата планета. Създаденият по-рано синхрофазотрон и подобни съоръжения (създадени не само в СССР) са само една връзка във веригата на еволюцията. Днес има по-усъвършенствани устройства - нуклотрони, които имат огромна енергия.

Един от най-напредналите сред тези устройства е Големият адронен ускорител. За разлика от действието на синхрофазотрона, той изтласква два лъча на частици в противоположни посоки, в резултат на което енергията, освободена от сблъсъка, е многократно по-голяма от енергията в синхрофазотрона. Това отваря възможности за по-точно проучване на елементарните частици.

Може би сега трябва да разберете какво представлява синхрофазотронът и защо изобщо е необходимо. Тази инсталация е направила редица открития. Днес беше създаден ускорител на електроните от него и в момента той работи в FIAN.