Как это работает. Ускоритель электронов

Фрагмент Большого адронного коллайдера. Фото: Maximilien Brice (CERN)

Ускорители частиц на протяжении последних десятилетий активно используются в фундаментальных исследованиях. Сегодня самый мощный ускоритель – Большой адронный коллайдер – известен во всем мире. С помощью таких устройств ученые ищут ответы на самые сложные вопросы: от возникновения Вселенной до возможности путешествий во времени.

Технология ускорения частиц и сами ускорители не только разгадывают загадки вселенского масштаба, но и присутствуют в нашей повседневной жизни. Например, благодаря таким устройствам ежегодно миллионы пациентов получают лечение от серьезных заболеваний. Ускорители играют важную роль и в вопросах безопасности – являются «сердцем» любого инспекционно-досмотрового комплекса.

История: начало «ускорительной» школы

Ускоритель частиц – устройство, которое разгоняет субатомные частицы до высоких скоростей, близких к скорости света. Такие устройства в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц, а уже позже получили вполне прикладное назначение.

Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены еще в начале 1930-х годов. Но настоящая революция в технологиях ускорения частиц до высоких энергий произошла после Второй мировой войны – ее героями стали американский физик Эдвин Макмиллан и советский физик Владимир Векслер, который считается основоположником «ускорительной» школы в нашей стране. В 1945 году они оба независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности.

Идея состояла в регулировке электрического поля так, чтобы отстающие частицы подогнать сильнее, а убежавшие вперед – слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Обычно такой сгусток представляет собой «стрелу» из летящих частиц – от нескольких до десятков сантиметров в длину и шириной примерно в десять микронов. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В 1947 году под руководством Векслера был построен первый советский ускоритель такого типа.

В последующие годы ускорители совершенствовались, но даже в основе многих современных представителей лежит принцип синхрофазотрона, в том числе и в Большом адронном коллайдере.

Принцип действия: большая скорость для маленьких частиц

Основным компонентом любого из ускорителей является электрическое поле. Самое простое его определение – поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами, примерно, как в батарейке. В таких условиях отрицательно заряженный электрон стремится к положительному потенциалу. Сила поля ускоряет его, и, если нет никаких препятствий, скорость и энергия электрона возрастают. Напряжение между начальным и конечным положением электрона показывает приобретенную им энергию. Ускоренные частицы более низких энергий в основном применяются в прикладных целях – в телевизорах и электронных микроскопах, в рентгеновских аппаратах, в системах для уничтожения бактерий. В таких случаях энергия электронов исчисляется в киловольтах. Современные ускорители достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мега-, гига- и тера- электронвольтами. Такие установки нужны для изучения совсем маленьких объектов, например, атомных ядер, в научных исследованиях.

По своей конструкции ускорители разделяются на две большие группы. Во-первых, это линейные ускорители, в которых пучок частиц однократно проходит свой путь. Второй тип – это циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым по многу раз, с каждым пролетом увеличивая свою энергию. В 1970-х годах были разработаны кольца, в которых два пучка циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются. Такой тип ускорителей стал особенно востребованным в фундаментальных исследованиях.

Ускорительный синхротрон в Институте Ядерной Физики им. Будкера, Новосибирск. Диапазон энергии 100-900 МэВ. Кольцо обладает 12-кратной периодичностью, каждый суперпериод включает поворотный магнит (голубого цвета).

По законам физики частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой, поэтому внутри кольцевого ускорителя их «ведет» по нужной траектории магнитное поле. Для этого вдоль ускорительного кольца устанавливают специальные поворотные магниты. Частицы с большой энергией сложнее заставить двигаться по заданному пути, поэтому магниты нужны посильнее. Например, в Большом адронном коллайдере (БАК) используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла – это примерно в 100 тыс. раз мощнее магнитного поля Земли. Такое сильное поле удается получить лишь при очень низкой температуре. Поэтому всю установку – кольцо длиной в 27 км – приходится охлаждать до экстремальных температур, почти до –300 градусов по Цельсию.

Применение: от загадок Вселенной до «открытий» таможни

В настоящее время Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем частиц в мире. Энергия пучка протонов в этой гигантской машине исчисляется в тера-электронвольтах. Десять лет назад с помощью БАК было сделано величайшее открытие века – обнаружен бозон Хиггса, который иногда называют «частицей Бога». Физики уверены, что в ближайшие годы коллайдер поможет найти новые элементарные частицы, а также разгадать и другие загадки Вселенной.

Помимо научных исследований, ускорители частиц влияют и на повседневную жизнь людей. В первую очередь, это медицина. Ежегодно по всеми миру миллионы пациентов получают диагностику и лечение на основе современных ускорителей в клиниках по всему миру. Ускоренные частицы (протоны, электроны или более тяжелые заряженные частицы) используются для уничтожения раковых клеток. Ускорители частиц в настоящее время нужны и в промышленных процессах, например, при производстве электронных микросхем.

Ускорители частиц играют важную роль и в вопросах безопасности – используются для сканирования контейнеров, помогают находить запрещенные и опасные материалы. В частности, линейный ускоритель электронов является сердцем инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК). Благодаря современным ускорителям ИДК не просто дает изображение содержимого, а распознает атомный номер материала. Поэтому за считанные минуты возможно обнаружить наркотики, взрывчатку или другие запрещенные материалы.

Как помогают нести службу таможенникам инспекционно-досмотровые комплексы

В настоящее время российские таможенники переходят на ИДК отечественного производства с ускорителями электронов, созданными в России. Их созданием занимаются специалисты компании «Скантроник системс», входящей в Ростех.

Разработкой отечественного ВПК являются практически все центральные элементы ускорителя, начиная от клистрона (источника электромагнитного поля) и электронной пушки (источника ускоряемых электронов). Импортозамещение в этой сфере продолжается – недавно НИИ «Феррит-Домен» холдинга «Росэлектроника» разработал волноводный вентиль высокого уровня мощности для ускорителя электронов взамен применяемых сейчас импортных аналогов. Новое изделие благодаря высокой выходной мощности может использоваться в инспекционно-досмотровых комплексах.

Ускорители электронов, созданные на предприятиях Ростеха, могут работать не только в сфере безопасности, но и в других областях – это и дефектоскопия, и стерилизация овощей и продуктов. К примеру, пять лет назад в Калужской области был открыт первый в России промышленный центр антимикробной обработки продуктов, ключевым компонентом которого стал ускоритель электронов от Ростеха.

Как электроны побеждают в борьбе с микробами – в нашем материале