W 1957 roku ZSRR dokonał przełomu naukowo-technicznego w kilku obszarach: z sukcesem wystrzelił sztucznego satelitę Ziemi, a na kilka miesięcy przed tym wydarzeniem w Dubnej zaczął działać synchrofasotron. Co to jest i dlaczego potrzebna jest taka instalacja? Problem ten niepokoił wówczas nie tylko obywateli ZSRR, ale cały świat. Oczywiście społeczność naukowa zrozumiała, co to było, ale zwykli obywatele byli zakłopotani, gdy usłyszeli to słowo. Nawet dzisiaj większość ludzi nie rozumie istoty i zasady synchrofasotronu, chociaż słyszała to słowo więcej niż raz. Zastanówmy się, czym jest to urządzenie i do czego służyło.

Do czego służy synchrofasotron?

Instalacja ta powstała w celu badania mikrokosmosu i zrozumienia struktury cząstek elementarnych oraz praw ich wzajemnego oddziaływania. Sama metoda poznania była niezwykle prosta: rozbić cząstkę i zobaczyć, co jest w środku. Jak jednak rozbić proton? W tym celu stworzono synchrofasotron, który przyspiesza cząsteczki i uderza nimi w cel. Ten ostatni może być nieruchomy, ale we współczesnym Wielkim Zderzaczu Hadronów (będącym ulepszoną wersją starego, dobrego synchrofasotronu) cel się porusza. Tam wiązki protonów zbliżają się do siebie z dużą prędkością i zderzają się ze sobą.

Wierzono, że instalacja ta umożliwi przełom naukowy, odkrycie nowych pierwiastków i metod wytwarzania energii atomowej z tanich źródeł, która będzie wydajniejsza od wzbogaconego uranu, a przy tym będzie bezpieczniejsza i mniej szkodliwa dla środowiska.

Cele wojskowe

Realizowano oczywiście także cele militarne. Wytwarzanie energii atomowej w celach pokojowych jest tylko wymówką dla naiwnych. Nie bez powodu projekt synchrofasotronu został sklasyfikowany jako „ściśle tajny”, ponieważ budowa tego akceleratora była prowadzona w ramach projektu stworzenia nowej bomby atomowej. Za jego pomocą chcieli uzyskać ulepszoną teorię sił nuklearnych, niezbędną do obliczenia i stworzenia bomby. To prawda, że ​​​​wszystko okazało się znacznie bardziej skomplikowane i nawet dzisiaj brakuje tej teorii.

Czym w prostych słowach jest synchrofasotron?

Podsumowując, instalacja ta jest akceleratorem cząstek elementarnych, w szczególności protonów. Synchrofasotron składa się z niemagnetycznej zapętlonej rurki z próżnią wewnątrz, a także z silnych elektromagnesów. Na przemian włączają się magnesy, kierując naładowane cząstki do wnętrza lampy próżniowej. Kiedy za pomocą akceleratorów osiągną maksymalną prędkość, są wysyłane do specjalnego celu. Protony uderzają w niego, niszczą sam cel i niszczą siebie. Fragmenty lecą w różnych kierunkach i pozostawiają ślady w komorze bąbelkowej. Korzystając z tych śladów, grupa naukowców analizuje ich naturę.

Tak było już wcześniej, ale nowoczesne instalacje (takie jak Wielki Zderzacz Hadronów) zamiast komory pęcherzykowej wykorzystują nowocześniejsze detektory, które dostarczają więcej informacji o fragmentach protonów.

Sama instalacja jest dość złożona i zaawansowana technologicznie. Można powiedzieć, że synchrofasotron jest „odległym krewnym” współczesnego Wielkiego Zderzacza Hadronów. W rzeczywistości można go nazwać analogiem mikroskopu. Obydwa te urządzenia przeznaczone są do badania mikroświata, jednak zasada badania jest inna.

Więcej o urządzeniu

Wiemy już więc, czym jest synchrofasotron, a także, że tutaj cząstki są przyspieszane do ogromnych prędkości. Jak się okazuje, aby przyspieszyć protony do ogromnych prędkości, konieczne jest wytworzenie różnicy potencjałów rzędu setek miliardów woltów. Niestety ludzkość nie jest w stanie tego zrobić, dlatego wpadli na pomysł stopniowego przyspieszania cząstek.

W instalacji cząstki poruszają się po okręgu i przy każdym obrocie są zasilane energią, uzyskując przyspieszenie. I choć takie uzupełnienie jest niewielkie, przez miliony obrotów można zdobyć niezbędną energię.

Na tej właśnie zasadzie opiera się działanie synchrofasotronu. Cząstki elementarne przyspieszane do małych wartości są wyrzucane do tunelu, w którym znajdują się magnesy. Tworzą pole magnetyczne prostopadłe do pierścienia. Wiele osób błędnie wierzy, że magnesy te przyspieszają cząstki, ale w rzeczywistości tak nie jest. Zmieniają jedynie trajektorię, zmuszając je do poruszania się po okręgu, ale nie przyspieszają ich. Samo przyspieszenie następuje w określonych odstępach czasu.

Przyspieszenie cząstek

Takim okresem przyspieszania jest kondensator, do którego przykładane jest napięcie o wysokiej częstotliwości. Swoją drogą to jest podstawa całego działania tej instalacji. Wiązka protonów wlatuje do tego kondensatora w momencie, gdy napięcie w nim wynosi zero. Gdy cząstki przelatują przez kondensator, napięcie ma czas na wzrost, co przyspiesza cząstki. Powtarza się to w następnym okręgu, ponieważ częstotliwość napięcia przemiennego jest specjalnie dobierana jako równa częstotliwości krążenia cząstki wokół pierścienia. W rezultacie protony są przyspieszane synchronicznie i w fazie. Stąd nazwa – synchrofasotron.

Nawiasem mówiąc, ta metoda przyspieszania ma pewien korzystny efekt. Jeśli nagle wiązka protonów leci szybciej niż wymagana prędkość, to wpada w szczelinę przyspieszenia przy ujemna wartość napięcie, co powoduje, że nieco zwalnia. Jeśli prędkość ruchu będzie mniejsza, efekt będzie odwrotny: cząstka uzyska przyspieszenie i dogania główną wiązkę protonów. W rezultacie gęsta i zwarta wiązka cząstek porusza się z tą samą prędkością.

Problemy

W idealnym przypadku cząstki powinny być przyspieszane do najwyższej możliwej prędkości. A jeśli protony poruszają się coraz szybciej po każdym okręgu, to dlaczego nie można ich przyspieszyć do maksymalnej możliwej prędkości? Jest kilka powodów.

Po pierwsze, wzrost energii oznacza wzrost masy cząstek. Niestety prawa relatywistyczne nie pozwalają na przyspieszanie żadnego pierwiastka powyżej prędkości światła. W synchrofasotronie prędkość protonów jest prawie równa prędkości światła, co znacznie zwiększa ich masę. W rezultacie stają się trudne do utrzymania na okrągłej orbicie o promieniu. Od czasów szkolnych wiadomo było, że promień ruchu cząstek w polu magnetycznym jest odwrotnie proporcjonalny do masy i wprost proporcjonalny do natężenia pola. A ponieważ wzrasta masa cząstek, należy zwiększyć promień i wzmocnić pole magnetyczne. Warunki te stwarzają ograniczenia w realizacji warunków badań, ponieważ technologie są ograniczone nawet dzisiaj. Jak dotąd nie udało się stworzyć pola o indukcji większej niż kilka tesli. Dlatego budują tunele o dużej długości, ponieważ przy dużym promieniu ciężkie cząstki z ogromną prędkością mogą być utrzymywane w polu magnetycznym.

Drugim problemem jest ruch z przyspieszeniem po okręgu. Wiadomo, że ładunek poruszający się z określoną prędkością emituje energię, czyli ją traci. W rezultacie cząstki podczas przyspieszania stale tracą część energii, a im większa jest ich prędkość, tym więcej energii zużywają. W pewnym momencie następuje równowaga pomiędzy energią otrzymaną w odcinku przyspieszania a utratą tej samej ilości energii na obrót.

Badania przeprowadzone na synchrofasotronie

Teraz rozumiemy, jaka zasada leży u podstaw działania synchrofasotronu. Pozwoliło to na dokonanie szeregu badań i odkryć. W szczególności naukowcom udało się zbadać właściwości przyspieszonych deuteronów, zachowanie struktury kwantowej jąder, interakcję ciężkich jonów z celami, a także opracować technologię recyklingu uranu-238.

Zastosowanie wyników badań

Wyniki uzyskane w tych obszarach są dziś wykorzystywane w budownictwie statki kosmiczne, projektowaniu elektrowni jądrowych, a także w rozwoju sprzętu specjalnego i robotyki. Z tego wszystkiego wynika, że ​​synchrofasotron jest urządzeniem, którego wkład w naukę jest trudny do przecenienia.

Wniosek

Od 50 lat tego typu instalacje służą nauce i są aktywnie wykorzystywane przez naukowców na całej planecie. Powstały wcześniej synchrofasotron i podobne instalacje (powstały nie tylko w ZSRR) to tylko jedno ogniwo w łańcuchu ewolucji. Dziś pojawiają się coraz bardziej zaawansowane urządzenia – nuklotrony, które dysponują ogromną energią.

Jednym z najbardziej zaawansowanych tego typu urządzeń jest Wielki Zderzacz Hadronów. W przeciwieństwie do działania synchrofasotronu, zderza on dwie wiązki cząstek o przeciwnych kierunkach, w wyniku czego energia uwolniona w wyniku zderzenia jest wielokrotnie większa niż energia na synchrofasotronie. Otwiera to możliwości dokładniejszego badania cząstek elementarnych.

Być może teraz powinieneś zrozumieć, czym jest synchrofasotron i dlaczego jest potrzebny. Instalacja ta pozwoliła nam dokonać szeregu odkryć. Dziś został przekształcony w akcelerator elektronów i obecnie pracuje w Instytucie Fizycznym Lebiediewa.

W 1957 r związek Radziecki dokonał rewolucyjnego przełomu naukowego w dwóch kierunkach jednocześnie: w październiku wystrzelono pierwszego sztucznego satelitę Ziemi, a kilka miesięcy wcześniej, w marcu, w Dubnej zaczął działać legendarny synchrofasotron, gigantyczna instalacja do badania mikroświata. Te dwa wydarzenia zszokowały cały świat, a słowa „satelita” i „synchrofasotron” na stałe zadomowiły się w naszym życiu.

Synchrofasotron jest rodzajem akceleratora cząstek naładowanych. Cząsteczki w nich zawarte są przyspieszane do dużych prędkości, a co za tym idzie do wysokich energii. Na podstawie wyników ich zderzeń z innymi cząsteczkami atomowymi ocenia się strukturę i właściwości materii. Prawdopodobieństwo zderzenia określa się na podstawie intensywności wiązki cząstek przyspieszonych, czyli liczby znajdujących się w niej cząstek, dlatego też intensywność, obok energii, jest ważnym parametrem akceleratora.

Konieczność stworzenia poważnej bazy akceleracyjnej w Związku Radzieckim została ogłoszona na szczeblu rządowym w marcu 1938 roku. Grupa naukowców z Leningradzkiego Instytutu Fizyki i Technologii (LPTI), kierowana przez akademika A.F. Ioffe zwrócił się do Przewodniczącego Rady Komisarzy Ludowych ZSRR V.M. Mołotowa z listem, w którym zaproponowano utworzenie bazy technicznej do badań w zakresie budowy jądra atomowego. Zagadnienia dotyczące budowy jądra atomowego stały się jednym z głównych problemów nauk przyrodniczych, a Związek Radziecki pozostawał w ich rozwiązaniu znacznie opóźniony. Jeśli więc Ameryka miała co najmniej pięć cyklotronów, to Związek Radziecki nie miał żadnego (jedyny cyklotron Instytutu Radowego Akademii Nauk (RIAN), uruchomiony w 1937 r., praktycznie nie działał ze względu na wady konstrukcyjne). Apel do Mołotowa zawierał prośbę o stworzenie warunków dla zakończenia budowy cyklotronu LPTI do 1 stycznia 1939 r. Prace nad jego utworzeniem, rozpoczęte w 1937 r., zostały zawieszone ze względu na niekonsekwencje resortowe i zaprzestanie finansowania.

W listopadzie 1938 r. S.I. Wawiłow w apelu do Prezydium Akademii Nauk zaproponował budowę cyklotronu LPTI w Moskwie i przeniesienie laboratorium I.V. do Instytutu Fizyki Akademii Nauk (FIAN) z LPTI. Kurchatova, która była zaangażowana w jego stworzenie. Siergiej Iwanowicz chciał, aby centralne laboratorium badań jądra atomowego znajdowało się w tym samym miejscu, w którym mieściła się Akademia Nauk, czyli w Moskwie. Jednak w LPTI nie otrzymał wsparcia. Kontrowersje zakończyły się pod koniec 1939 r., kiedy A.F. Ioffe zaproponował utworzenie trzech cyklotronów jednocześnie. 30 lipca 1940 roku na posiedzeniu Prezydium Akademii Nauk ZSRR zdecydowano zlecić RIANowi modernizację istniejącego cyklotronu w tym roku, FIAN przygotować do 15 października niezbędne materiały do ​​budowy nowego, potężnego cyklotronu i LFTI o ukończeniu budowy cyklotronu w pierwszym kwartale 1941 roku.

W związku z tą decyzją FIAN utworzył tzw. zespół cyklotronowy, w skład którego weszli Władimir Iosifowicz Veksler, Siergiej Nikołajewicz Wernow, Paweł Aleksiejewicz Czerenkow, Leonid Wasiljewicz Groszew i Jewgienij Lwowicz Feinberg. 26 września 1940 r. Biuro Wydziału Nauk Fizycznych i Matematycznych (OPMS) otrzymało informację od V.I. Wexlera w sprawie specyfikacji projektowych cyklotronu, zatwierdził jego główne cechy i szacunki konstrukcyjne. Cyklotron został zaprojektowany do przyspieszania deuteronów do energii 50 MeV.

Tak więc dochodzimy do najważniejszej rzeczy, do osoby, która w tamtych latach wniosła znaczący wkład w rozwój fizyki w naszym kraju - Władimira Iosifovicha Vekslera. O tym wybitnym fizyku będzie mowa dalej.

V. I. Veksler urodził się na Ukrainie w mieście Żytomierz 3 marca 1907 r. Jego ojciec zginął podczas I wojny światowej.

W 1921 roku, w okresie wielkiego głodu i zniszczeń, z wielkimi trudnościami i bez pieniędzy, Wołodia Weksler znalazł się w głodnej przed NEP-owej Moskwie. Nastolatek trafia do gminnego domu w Chamovnikach, w opuszczonej przez właścicieli starej rezydencji.

Wexler wyróżniał się zainteresowaniem fizyką i praktyczną inżynierią radiową; sam złożył odbiornik radiowy z detektorem, co w tamtych latach było niezwykle trudnym zadaniem, dużo czytał i dobrze uczył się w szkole.
Po opuszczeniu komuny Wexler zachował wiele ukształtowanych przez siebie poglądów i nawyków.
Przypomnijmy, że pokolenie, do którego należał Włodzimierz Iosifowicz, zdecydowana większość traktowała codzienne aspekty swojego życia z całkowitą pogardą, fanatycznie interesowała się jednak problemami naukowymi, zawodowymi i społecznymi.

Wexler wraz z innymi komunardami ukończył dziewięcioletnie liceum i wraz ze wszystkimi absolwentami jako robotnik rozpoczął produkcję, gdzie przez ponad dwa lata pracował jako elektryk.
Dostrzeżono jego pragnienie wiedzy, zamiłowanie do książek i rzadką inteligencję, a pod koniec lat dwudziestych młody człowiek otrzymał „bilet Komsomołu” do instytutu.
Kiedy Władimir Iosifowicz ukończył studia, przeprowadzono kolejną reorganizację uczelni i zmieniono ich nazwy. Okazało się, że Wexler wstąpił do Instytutu Gospodarki Narodowej Plechanowa, ukończył MPEI (Moskiewski Instytut Energetyczny) i uzyskał kwalifikacje inżyniera ze specjalizacją w technologii rentgenowskiej.
W tym samym roku wstąpił do laboratorium analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich Ogólnounijnego Instytutu Elektrotechniki w Lefortowie, gdzie Władimir Iosifowicz rozpoczął pracę od budowy przyrządów pomiarowych i badania metod pomiaru promieniowania jonizującego, tj. strumienie naładowanych cząstek.

Wexler pracował w tym laboratorium przez 6 lat, szybko awansując od asystenta laboratorium do kierownika. Tutaj już pojawił się charakterystyczny „pismo” Wexlera jako utalentowanego naukowca eksperymentalnego. Jego uczeń, profesor M. S. Rabinowicz, napisał później w swoich wspomnieniach o Wexlerze: „Przez prawie 20 lat sam montował i instalował różne wymyślone przez siebie instalacje, nie stroniąc od żadnej pracy. Dzięki temu mógł zobaczyć nie tylko fasadę, ale także jej ideologię boku, ale też wszystkiego, co kryje się za końcowymi wynikami, za precyzją pomiarów, za lśniącymi szafkami instalacji. Studiował i uczył się przez całe życie, aż do ostatnich lat życia, wieczorami, na wakacjach dokładnie studiował i robił notatki z prac teoretycznych.”

We wrześniu 1937 r. Wexler przeniósł się z Ogólnounijnego Instytutu Elektrotechniki do Instytutu Fizycznego Akademii Nauk ZSRR im. P. N. Lebiediewa (FIAN). Było to ważne wydarzenie w życiu naukowca.

W tym czasie Władimir Iosifowicz obronił już pracę doktorską, której tematem była konstrukcja i zastosowanie zaprojektowanych przez siebie „wzmacniaczy proporcjonalnych”.

W FIAN Wexler rozpoczął badania promieni kosmicznych. W przeciwieństwie do A.I. Alikhanova i jego współpracowników, którzy upodobali sobie malowniczą górę Aragats w Armenii, Wexler brał udział w wyprawach naukowych na Elbrus, a później do Pamiru – Dachu Świata. Fizycy na całym świecie badali strumienie naładowanych cząstek o wysokiej energii, których nie można było uzyskać w ziemskich laboratoriach. Naukowcy zbliżyli się do tajemniczych strumieni promieniowania kosmicznego.

Nawet teraz promienie kosmiczne zajmują ważne miejsce w arsenale astrofizyków i specjalistów w dziedzinie fizyki wysokich energii, a wysuwane są ekscytująco interesujące teorie na temat ich pochodzenia. Jednocześnie po prostu niemożliwe było uzyskanie do badań cząstek o takiej energii, a dla fizyków było po prostu konieczne zbadanie ich interakcji z polami i innymi cząstkami. Już w latach trzydziestych wielu atomistów zastanawiało się: jak dobrze byłoby uzyskać w laboratorium cząstki o tak wysokich „kosmicznych” energiach, stosując niezawodne instrumenty do badania cząstek subatomowych, a jedną z metod badania było bombardowanie (ponieważ w przenośni mawiał i obecnie rzadko mówi) jedne cząsteczki innymi. Rutherford odkrył istnienie jądra atomowego bombardując atomy potężnymi pociskami - cząstkami alfa. Reakcje jądrowe odkryto tą samą metodą. Aby skręcić jeden pierwiastek chemiczny w innym konieczna była zmiana składu rdzenia. Osiągnięto to poprzez bombardowanie jąder cząstkami alfa, a teraz cząstkami przyspieszanymi w potężnych akceleratorach.

Po inwazji na hitlerowskie Niemcy wielu fizyków natychmiast zaangażowało się w prace o znaczeniu militarnym. Wexler przerwał badania promieni kosmicznych i zaczął projektować i udoskonalać sprzęt radiowy na potrzeby frontu.

W tym czasie Instytut Fizyki Akademii Nauk, podobnie jak niektóre inne instytuty akademickie, został ewakuowany do Kazania. Dopiero w 1944 roku udało się zorganizować wyprawę do Pamiru z Kazania, gdzie grupa Wexlera mogła kontynuować rozpoczęte na Kaukazie badania nad promieniowaniem kosmicznym i procesami jądrowymi wywoływanymi przez cząstki wysokoenergetyczne. Nie rozważając szczegółowo wkładu Wexlera w badania procesów jądrowych związanych z promieniami kosmicznymi, któremu poświęcono wiele lat jego pracy, można powiedzieć, że był on bardzo znaczący i dał wiele ważnych wyników. Ale co być może najważniejsze, badania promieni kosmicznych doprowadziły go do zupełnie nowych pomysłów na temat przyspieszania cząstek. W górach Wexler wpadł na pomysł zbudowania akceleratorów cząstek naładowanych, aby wytworzyć własne „promienie kosmiczne”.

Od 1944 r. V. I. Veksler przeniósł się na nowy obszar, który zajmował główne miejsce w jego pracy naukowej. Od tego czasu nazwisko Wexlera na zawsze kojarzone jest z tworzeniem dużych akceleratorów „autofazujących” i rozwojem nowych metod akceleracji.

Nie stracił jednak zainteresowania promieniami kosmicznymi i kontynuował prace w tej dziedzinie. Wexler brał udział w wysokogórskich wyprawach naukowych do Pamiru w latach 1946-1947. W promieniach kosmicznych wykrywane są cząstki o fantastycznie wysokich energiach, niedostępnych dla akceleratorów. Dla Wexlera było jasne, że „naturalnego akceleratora” cząstek do tak wysokich energii nie można porównywać z „stworzeniem ludzkich rąk”.

Wexler zaproponował wyjście z tego impasu w 1944 roku. Autor nazwał nową zasadę działania akceleratorów Wechslera autofazowaniem.

Do tego czasu powstał akcelerator cząstek naładowanych typu „cyklotron” (Weksler w popularnym artykule prasowym tak wyjaśnił zasadę działania cyklotronu: „W tym urządzeniu naładowana cząstka poruszająca się w pole magnetyczne w spirali jest stale przyspieszane przez zmienną pole elektryczne. Dzięki temu możliwe jest nadanie cząsteczkom w cyklotronie energii rzędu 10-20 milionów elektronowoltów.” Stało się jednak jasne, że tą metodą nie można przekroczyć progu 20 MeV.

W cyklotronie pole magnetyczne zmienia się cyklicznie, przyspieszając naładowane cząstki. Ale w procesie przyspieszania wzrasta masa cząstek (tak jak powinno być według SRT – szczególnej teorii względności). Prowadzi to do zakłócenia procesu – po określonej liczbie obrotów pole magnetyczne zamiast przyspieszać, zaczyna spowalniać cząstki.

Wexler proponuje, aby z biegiem czasu zacząć powoli zwiększać pole magnetyczne w cyklotronie, zasilając magnes prądem przemiennym. Następnie okazuje się, że średnio częstotliwość obrotu cząstek po okręgu będzie automatycznie utrzymywana na poziomie częstotliwości pola elektrycznego przyłożonego do dees (para układów magnetycznych, które zaginają tor i przyspieszają cząstki za pomocą pole magnetyczne).

Przy każdym przejściu przez szczelinę dee cząstki mają i dodatkowo otrzymują inny wzrost masy (i odpowiednio otrzymują inny przyrost promienia, wzdłuż którego obraca je pole magnetyczne) w zależności od napięcia pola między deeskami w momencie przyspieszenia danej cząstki. Spośród wszystkich cząstek można wyróżnić cząstki równowagi („szczęśliwe”). W przypadku tych cząstek mechanizm automatycznego utrzymywania stałości okresu orbitalnego jest szczególnie prosty.

Cząstki „szczęśliwe” doświadczają wzrostu masy i wzrostu promienia okręgu za każdym razem, gdy przechodzą przez szczelinę Dee. Precyzyjnie kompensuje zmniejszenie promienia spowodowane wzrostem pola magnetycznego podczas jednego obrotu. W rezultacie cząstki „szczęśliwe” (równowagowe) mogą być przyspieszane rezonansowo, o ile wzrasta pole magnetyczne.

Okazało się, że prawie wszystkie inne cząstki mają tę samą zdolność, tyle że przyspieszenie trwa dłużej. Podczas procesu przyspieszania wszystkie cząstki będą doświadczać oscylacji wokół promienia orbity cząstek równowagowych. Energia cząstek będzie średnio równa energii cząstek równowagowych. Zatem prawie wszystkie cząstki uczestniczą w przyspieszeniu rezonansowym.

Jeśli zamiast powoli zwiększać z biegiem czasu pole magnetyczne w akceleratorze (cyklotronie), zasilając magnes prądem przemiennym, zwiększymy okres przemiennego pola elektrycznego przykładanego do silników, wówczas zostanie ustanowiony tryb „autofazowania”.

„Może się wydawać, że aby doszło do autofazowania i przyspieszenia rezonansowego, konieczna jest zmiana w czasie albo pola magnetycznego, albo okresu elektrycznego. W rzeczywistości tak nie jest. Być może najprostsza w koncepcji (ale daleka od prosta w praktycznym wykonaniu) metoda przyspieszania, opracowana przez autora wcześniej niż inne metody, może być realizowana przy stałym w czasie polu magnetycznym i stałej częstotliwości.

W 1955 roku, kiedy Wexler pisał swoją broszurę na temat akceleratorów, zasada ta, jak zauważył autor, stanowiła podstawę akceleratora – mikrotronu – akceleratora wymagającego potężnych źródeł mikrofal. Według Wexlera mikrotron „nie rozpowszechnił się jeszcze (1955), jednak od wielu lat działa kilka akceleratorów elektronów o energiach do 4 MeV”.

Wexler był znakomitym popularyzatorem fizyki, niestety ze względu na napięty grafik rzadko publikował artykuły popularnonaukowe.

Zasada autofazowania pokazała, że ​​możliwe jest posiadanie stabilnego obszaru fazowego, a zatem możliwa jest zmiana częstotliwości pola przyspieszającego bez obawy o opuszczenie rezonansowego obszaru przyspieszenia. Trzeba tylko wybrać odpowiednią fazę przyspieszania. Zmieniając częstotliwość pola, możliwa stała się łatwa kompensacja zmiany masy cząstek. Co więcej, zmiana częstotliwości umożliwiła zbliżenie szybko wirującej spirali cyklotronu do koła i przyspieszenie cząstek do momentu, w którym siła pola magnetycznego była wystarczająca do utrzymania cząstek na danej orbicie.

Opisany akcelerator z autofazowaniem, w którym zmienia się częstotliwość pola elektromagnetycznego, nazywany jest synchrocyklotronem lub fasotronem.

Synchrofasotron wykorzystuje kombinację dwóch zasad autofazowania. Pierwszy z nich leży w sercu fasotronu, o czym już wspomniano – jest to zmiana częstotliwości pola elektromagnetycznego. W synchrotronach stosowana jest druga zasada - tutaj zmienia się natężenie pola magnetycznego.

Od czasu odkrycia autofazowania naukowcy i inżynierowie zaczęli projektować akceleratory zdolne do wytwarzania miliardów elektronowoltów. Pierwszym z nich w naszym kraju był akcelerator protonów – synchrofasotron o mocy 10 miliardów elektronowoltów w Dubnej.

Projektowanie tego dużego akceleratora rozpoczęło się w 1949 roku z inicjatywy V. I. Vekslera i S. I. Vavilova, a oddane do użytku w 1957 roku. Drugi duży akcelerator został zbudowany w Protvino koło Serpukhova o energii 70 GeV. Obecnie pracują nad tym nie tylko radzieccy badacze, ale także fizycy z innych krajów.

Jednak na długo przed wystrzeleniem dwóch gigantycznych akceleratorów wartych miliardy dolarów w Instytucie Fizycznym Akademii Nauk (FIAN) pod kierownictwem Wexlera zbudowano relatywistyczne akceleratory cząstek. W 1947 roku uruchomiono akcelerator elektronów do energii 30 MeV, który posłużył za model większego akceleratora elektronów – synchrotronu o energii 250 MeV. Synchrotron został wystrzelony w 1949 roku. Korzystając z tych akceleratorów, naukowcy z Instytutu Fizyki Akademii Nauk ZSRR przeprowadzili najwyższej klasy prace nad fizyką mezonów i jądrem atomowym.

Po wystrzeleniu synchrofasotronu Dubna rozpoczął się okres szybkiego postępu w budowie akceleratorów wysokoenergetycznych. Wiele akceleratorów zostało zbudowanych i uruchomionych w ZSRR i innych krajach. Należą do nich wspomniany już akcelerator 70 GeV w Serpukhovie, 50 GeV w Batavii (USA), 35 GeV w Genewie (Szwajcaria), 35 GeV w Kalifornii (USA). Obecnie fizycy stawiają sobie za zadanie stworzenie akceleratorów o mocy kilku teraelektronowoltów (teraelektronowoltów – 1012 eV).

W 1944 roku narodził się termin „autofazowanie”. Wexler miał 37 lat. Wexler okazał się utalentowanym organizatorem pracy naukowej i kierownikiem szkoły naukowej.

Metoda autofazowania niczym dojrzały owoc czekała na naukowca-widza, który ją usunie i przejmie w posiadanie. Rok później, niezależnie od Wexlera, zasadę autofazowania odkrył słynny amerykański naukowiec McMilan. Uznał priorytet radzieckiego naukowca. McMillan spotkał się z Wexlerem więcej niż raz. Byli bardzo przyjacielscy, a przyjaźń dwóch niezwykłych naukowców nie została przyćmiona niczym aż do śmierci Wexlera.

Wbudowane akceleratory ostatnie lata, choć oparte na zasadzie autofazowania Wechslera, są oczywiście znacznie ulepszone w porównaniu do maszyn pierwszej generacji.

Oprócz autofazowania Wexler wpadł na inne pomysły na przyspieszanie cząstek, które okazały się bardzo owocne. Te idee Wexlera są szeroko rozwinięte w ZSRR i innych krajach.

W marcu 1958 r. w Domu Naukowców przy ulicy Kropotkińskiej odbyło się tradycyjne doroczne zebranie Akademii Nauk ZSRR. Wexler nakreślił ideę nowej zasady przyspieszenia, którą nazwał „spójną”. Pozwala na przyspieszenie nie tylko pojedynczych cząstek, ale także skrzepów plazmy składających się z dużej liczby cząstek. „Koherentna” metoda przyspieszania, jak ostrożnie stwierdził Wechsler w 1958 roku, pozwala myśleć o możliwości przyspieszania cząstek do energii rzędu tysiąca miliardów elektronowoltów i nawet wyższych.

W 1962 roku Wexler na czele delegacji naukowców poleciał do Genewy, aby wziąć udział w Międzynarodowej Konferencji na temat Fizyki Wysokich Energii. Wśród czterdziestu członków delegacji sowieckiej byli tacy wybitni fizycy, jak A. I. Alikhanov, N. N. Bogolyubov, D. I. Blokhintsev, I. Ya Pomeranchuk, M. A. Markov. Wielu naukowców w delegacji było specjalistami od akceleratorów i studentami Wexlera.

Władimir Iosifowicz Veksler był przez wiele lat przewodniczącym Komisji Fizyki Wysokich Energii Międzynarodowej Unii Fizyki Teoretycznej i Stosowanej.

25 października 1963 roku Wexler i jego amerykański kolega Edwin McMillan, dyrektor laboratorium promieniowania na Uniwersytecie Lawrence w Kalifornii, otrzymali nagrodę American Atoms for Peace.

Wexler był stałym dyrektorem Laboratorium Wysokich Energii Wspólnego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. Teraz nazwana jego imieniem ulica przypomina nam o pobycie Wexlera w tym mieście.

Działalność naukowa Wexlera przez wiele lat koncentrowała się w Dubnej. Pracę we Wspólnym Instytucie Badań Jądrowych łączył z pracą w Instytucie Fizycznym P. N. Lebiediewa, gdzie w odległej młodości rozpoczął karierę naukową i był profesorem na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym, gdzie kierował katedrą.

W 1963 roku Veksler został wybrany na stanowisko akademika-sekretarza Wydziału Fizyki Jądrowej Akademii Nauk ZSRR i na stałe piastował to ważne stanowisko.

Dorobek naukowy V. I. Vekslera został wysoko doceniony przyznając mu Nagrodę Państwową I stopnia i Nagrodę Lenina (1959). Wybitna działalność naukowa, pedagogiczna, organizacyjna i społeczna naukowca została nagrodzona trzema Orderami Lenina, Orderem Czerwonego Sztandaru Pracy i medalami ZSRR.

Władimir Iosifowicz Veksler zmarł nagle 20 września 1966 roku na drugi zawał serca. Miał zaledwie 59 lat. W życiu zawsze wydawał się młodszy niż na swoje lata, był energiczny, aktywny i niestrudzony.

+ faza + tron elektryczny) - rezonansowy cykliczny akcelerator przy niezmienionej długości orbity równowagi podczas procesu przyspieszania. Aby cząstki pozostały w tym samym miejscu podczas przyspieszania orbita, zmienia się na wiodących pole magnetyczne, Więc częstotliwość przyspieszające pole elektryczne. To ostatnie jest konieczne, aby wiązka zawsze docierała do sekcji przyspieszającej w fazie z polem elektrycznym o wysokiej częstotliwości. W przypadku, gdy cząstki są ultrarelatywistyczne, częstotliwość rotacji dla ustalonej długości orbity nie zmienia się wraz ze wzrostem energii, a częstotliwość generatora RF również musi pozostać stała. Taki akcelerator jest już nazywany synchrotron.

W kulturze

To właśnie to urządzenie pierwszoklasistka „robiła w pracy” w słynnej piosence Alla Pugaczowa„Pieśń pierwszoklasisty”. O synchrofasotronie wspomina się także w komedii Gaidai „Operacja Y i inne przygody Shurika”. Urządzenie to zostało także pokazane jako przykład zastosowania teorii względności Einsteina w krótkim filmie edukacyjnym „Jaka jest teoria względności?” W prostych komediach kierowanych do szerokiej publiczności często jawi się jako „niezrozumiały” wyrób naukowy lub przykład wysokiej technologii.

Technologia w ZSRR rozwijała się szybko. Wystarczy spojrzeć na wystrzelenie pierwszego sztucznego satelity Ziemi, które obserwował cały świat. Niewiele osób wie, że w tym samym roku 1957 synchrofasotron rozpoczął pracę w ZSRR (to znaczy nie tylko został ukończony i oddany do użytku, ale także uruchomiony). Słowo to oznacza instalację do przyspieszania cząstek elementarnych. Prawie każdy dzisiaj słyszał o Wielkim Zderzaczu Hadronów – jest to nowsza i ulepszona wersja urządzenia opisanego w tym artykule.

Co to jest - synchrofasotron? Po co to jest?

Instalacja ta jest dużym akceleratorem cząstek elementarnych (protonów), co pozwala na głębsze badanie mikrokosmosu, a także interakcji tych samych cząstek ze sobą. Sposób nauki jest bardzo prosty: rozbij protony na małe części i zobacz, co jest w środku. Wszystko brzmi prosto, ale rozbicie protonu to niezwykle trudne zadanie, które wymagało zbudowania tak ogromnej konstrukcji. Tutaj, poprzez specjalny tunel, cząstki rozpędzane są do ogromnych prędkości, a następnie wysyłane do celu. Kiedy w niego uderzą, rozsypują się na małe fragmenty. Najbliższy „współpracownik” synchrofasotronu, Wielki Zderzacz Hadronów, działa w przybliżeniu na tej samej zasadzie, z tą różnicą, że tam cząstki przyspieszają w przeciwnych kierunkach i nie uderzają w stały cel, ale zderzają się ze sobą.

Teraz już trochę rozumiesz, że jest to synchrofasotron. Wierzono, że instalacja umożliwi dokonanie przełomu naukowego w dziedzinie badań mikroświata. To z kolei umożliwi odkrycie nowych pierwiastków i sposobów pozyskiwania tanich źródeł energii. W idealnym przypadku chcieli odkryć elementy, które byłyby lepsze pod względem wydajności, a jednocześnie mniej szkodliwe i łatwiejsze do recyklingu.

Zastosowanie wojskowe

Warto zaznaczyć, że instalacja ta powstała w celu dokonania przełomu naukowo-technologicznego, jednak jej cele były nie tylko pokojowe. Przełom naukowy i technologiczny wiele zawdzięcza wojskowemu wyścigowi zbrojeń. Synchrofasotron powstał pod hasłem „Ściśle tajne”, a jego rozwój i budowa odbywały się w ramach tworzenia bomby atomowej. Zakładano, że urządzenie umożliwi stworzenie doskonałej teorii sił jądrowych, jednak wszystko okazało się nie takie proste. Nawet dzisiaj brakuje tej teorii, chociaż postęp technologiczny poczynił ogromne postępy.

w prostych słowach?

Jeśli podsumujemy i porozmawiamy zrozumiałym językiem? Synchrofasotron to urządzenie, w którym protony można przyspieszyć do dużej prędkości. Składa się z zapętlonej rurki z próżnią wewnątrz i potężnych elektromagnesów, które zapobiegają przypadkowemu przemieszczaniu się protonów. Kiedy protony osiągną maksymalną prędkość, ich przepływ kierowany jest w stronę specjalnego celu. Uderzając w niego, protony rozpadają się na małe fragmenty. Naukowcy mogą zobaczyć ślady latających fragmentów w specjalnej komorze bąbelkowej i na podstawie tych śladów analizują naturę samych cząstek.

Komora pęcherzykowa jest nieco przestarzałym urządzeniem do wychwytywania śladów protonów. Dziś w takich instalacjach wykorzystuje się dokładniejsze radary, które dostarczają więcej informacji o ruchu fragmentów protonów.

Pomimo prostej zasady synchrofasotronu, sama instalacja jest zaawansowana technologicznie, a jej utworzenie jest możliwe tylko przy wystarczającym poziomie rozwoju technicznego i naukowego, który oczywiście posiadał ZSRR. Dla analogii zwykły mikroskop jest urządzeniem, którego przeznaczenie jest zbieżne z przeznaczeniem synchrofasotronu. Obydwa urządzenia pozwalają na eksplorację mikroświata, jedynie to drugie pozwala „kopać głębiej” i posiada nieco unikalną metodę badawczą.

Detale

Działanie urządzenia zostało opisane powyżej w prostych słowach. Oczywiście zasada działania synchrofasotronu jest bardziej złożona. Faktem jest, że aby przyspieszyć cząstki do dużych prędkości, konieczne jest zapewnienie różnicy potencjałów rzędu setek miliardów woltów. Nie jest to możliwe nawet na obecnym etapie rozwoju technologii, nie mówiąc już o poprzednim.

Dlatego postanowiono stopniowo przyspieszać cząstki i prowadzić je po okręgu przez długi czas. Na każdym okrążeniu protony były zasilane energią. W wyniku przejścia milionów obrotów udało się uzyskać wymaganą prędkość, po czym zostały wysłane do celu.

To jest dokładnie ta zasada, którą zastosowano w synchrofasotronie. Początkowo cząstki przemieszczały się przez tunel z małą prędkością. Na każdym okrążeniu wchodzili w tzw. interwały przyspieszania, gdzie otrzymywali dodatkowy ładunek energii i zyskiwali prędkość. Te sekcje przyspieszające to kondensatory, których częstotliwość napięcia przemiennego jest równa częstotliwości protonów przechodzących przez pierścień. Oznacza to, że cząstki uderzają w sekcję przyspieszania z ładunkiem ujemnym, w tym momencie napięcie gwałtownie wzrosło, co nadało im prędkość. Jeżeli cząstki uderzały w miejsce przyspieszenia z ładunkiem dodatnim, wówczas ich ruch ulegał spowolnieniu. Jest to cecha pozytywna, ponieważ dzięki temu cała wiązka protonów poruszała się z tą samą prędkością.

Powtarzano to miliony razy, a kiedy cząstki nabrały wymaganej prędkości, zostały wysłane do specjalnego celu, w którym się rozbiły. Następnie grupa naukowców badała skutki zderzenia cząstek. Tak działał synchrofasotron.

Rola magnesów

Wiadomo, że w tej ogromnej maszynie do przyspieszania cząstek zastosowano także potężne elektromagnesy. Ludzie błędnie wierzą, że używano ich do przyspieszania protonów, ale to nieprawda. Cząstki przyspieszano za pomocą specjalnych kondensatorów (sekcji akceleracyjnych), a magnesy jedynie utrzymywały protony na ściśle określonej trajektorii. Bez nich spójny ruch wiązki cząstek elementarnych byłby niemożliwy. A wysoką moc elektromagnesów tłumaczy się dużą masą protonów przy dużych prędkościach.

Z jakimi problemami borykali się naukowcy?

Jednym z głównych problemów przy tworzeniu tej instalacji było właśnie przyspieszanie cząstek. Oczywiście można było je przyspieszać na każdym okrążeniu, ale w miarę przyspieszania ich masa stawała się coraz większa. Przy prędkości bliskiej prędkości światła (jak wiemy, nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła) ich masa stała się ogromna, co utrudniało utrzymanie ich na orbicie kołowej. Z program nauczania Wiemy, że promień ruchu pierwiastków w polu magnetycznym jest odwrotnie proporcjonalny do ich masy, dlatego w miarę wzrostu masy protonów konieczne było zwiększanie promienia i stosowanie dużych, mocnych magnesów. Takie prawa fizyki znacznie ograniczają możliwości badań. Nawiasem mówiąc, potrafią też wyjaśnić, dlaczego synchrofasotron okazał się tak ogromny. Im większy tunel, tym większe magnesy można zainstalować, aby wytworzyć silne pole magnetyczne, które utrzyma protony w żądanym kierunku.

Drugim problemem jest utrata energii podczas ruchu. Cząsteczki krążąc po okręgu emitują energię (tracą ją). W rezultacie, gdy poruszamy się z dużą prędkością, część energii wyparowuje, a im większa prędkość, tym większe straty. Wcześniej czy później przychodzi moment, w którym porównuje się wartości energii wyemitowanej i odebranej, co uniemożliwia dalsze przyspieszanie cząstek. W związku z tym potrzebna jest większa pojemność.

Można powiedzieć, że teraz dokładniej rozumiemy, że jest to synchrofasotron. Ale co dokładnie naukowcy osiągnęli podczas testów?

Jakie badania przeprowadzono?

Oczywiście praca tej instalacji nie przeszła bez śladu. I chociaż spodziewano się, że przyniesie to poważniejsze wyniki, niektóre badania okazały się niezwykle przydatne. W szczególności naukowcy zbadali właściwości przyspieszonych deuteronów, interakcje ciężkich jonów z tarczami i opracowali skuteczniejszą technologię recyklingu zużytego uranu-238. I chociaż dla zwyczajna osoba Wszystkie te wyniki niewiele mówią; w dziedzinie nauki ich znaczenie jest trudne do przecenienia.

Zastosowanie wyników

Wyniki badań przeprowadzonych na synchrofasotronie wykorzystywane są do dziś. W szczególności znajdują zastosowanie w budowie elektrowni pracujących na rakietach kosmicznych, robotyce i skomplikowanym sprzęcie. Oczywiście wkład tego projektu w postęp naukowy i techniczny jest dość duży. Niektóre wyniki mają zastosowanie także w sferze wojskowej. I chociaż naukowcom nie udało się odkryć nowych pierwiastków, które można by wykorzystać do stworzenia nowych bomby atomowe, nikt tak naprawdę nie wie, czy to prawda, czy nie. Jest całkiem możliwe, że niektóre wyniki są ukrywane przed społeczeństwem, ponieważ warto wziąć pod uwagę, że projekt ten był realizowany pod hasłem „Ściśle tajne”.

Wniosek

Teraz rozumiesz, że jest to synchrofasotron i jaka jest jego rola w postępie naukowym i technologicznym ZSRR. Nawet dzisiaj takie instalacje są aktywnie wykorzystywane w wielu krajach, ale istnieją już bardziej zaawansowane opcje - nuklotrony. Wielki Zderzacz Hadronów jest prawdopodobnie najlepszą jak dotąd realizacją koncepcji synchrofasotronu. Zastosowanie tej instalacji pozwala naukowcom dokładniej zrozumieć mikroświat poprzez zderzenie dwóch wiązek protonów poruszających się z ogromnymi prędkościami.

Jeśli chodzi o obecny stan radzieckiego synchrofasotronu, został on przekształcony w akcelerator elektronów. Teraz pracuje w FIAN.