2.Прискорювачі протонів. Зустрічні пучки

Прискорювачі на зустрічних пучках, прискорювачі із зустрічними пучками, установки, в яких здійснюється зіткнення зустрічних пучків заряджених часток (елементарних часток і іонів), прискорені електричним полем до високих енергій (див. Прискорювачі заряджених часток ) . На таких установках досліджуються взаємодії часток і народження нових часток при максимально доступних в лабораторних умовах ефективних енергіях зіткнення. Найбільшого поширення набули прискорювачі із зустрічними електронними (е ^- е ^- ) для електрона, позитронними (е ^- е ⁺ ) для електрона і протонними (рр) для протона пучками.

  В звичайних прискорювачах взаємодія часток вивчається в лабораторній системі відліку при зіткненнях пучка прискорених до високої енергії часток з частками нерухомій мішені. При цьому унаслідок закону збереження повного імпульсу соударяющихся часток велика частина енергії налітаючої частки витрачається на збереження руху центру мас системи часток, тобто на повідомлення кінетичної енергії часткам – продуктам реакції, і лише невелика її частина визначає «корисну», або ефективну, енергію зіткнення, тобто енергію взаємодії часток в системі їх центру інерції, яка може йти, наприклад, на народження нових часток. З розрахунку виходить, що при зіткненні двох часток однакової маси ( m ₀ ), одна з яких покоїться в лабораторній системі відліку, а інша рухається з релятивістською (близькою до швидкості світла з) швидкістю, енергія в системі центру інерції, де E ₀ = m ₀ з ² – енергія спокою частки, а Е – енергія налітаючої частки в лабораторній системі відліку. Т. о., чим більше Е, тим менша її доля визначає енергію взаємодії часток. Якщо ж стикаються частки з рівними по величині і протилежно направленими імпульсами, тобто їх сумарний імпульс дорівнює нулю, то лабораторна система відліку збігається з системою центру інерції часток і ефективна енергія зіткнення дорівнює сумі енергій часток, що стикаються; для часток з однаковими масами (і енергією Е ) Е _ци = 2 E, тобто кінетична енергія може бути повністю використана на взаємодію.

  В нагромаджувальні кільця, що є кільцевими вакуумними камерами, поміщеними в магнітне поле, прискорені заряджені частки поступають із звичайного прискорювача. Магнітне поле створюється, як правило, секторними магнітами, розділеними прямолінійними проміжками (без магнітного поля) для областей пересічення пучків (і для розміщення прискорювального пристрою). Установка із зустрічними пучками містить один або два нагромаджувальні кільця залежно від того, різні (як в е ^- е ⁺ , р, де  – антипротон) або відповідно однакові (як в е ^- е ^- , рр) знаки електричних зарядів часток, що стикаються. Попереднє прискорення пучків (до інжекції в нагромаджувальні кільця) виробляється в синхрофазотронах або синхротронах (з сильною або слабкою фокусуванням), а також в лінійних прискорювачах. Можливо і додаткове прискорення часток в нагромаджувальних кільцях після інжекції. Проте незалежно від того, чи виробляється додаткове прискорення, кожен накопичувальний комплекс на зустрічних пучках обов'язково включає прискорюючу систему для компенсації втрат енергії заряджених часток на синхротронне випромінювання (для позитронних для електрона пучків) і іонізацію залишкового газу в камері. Друге призначення системи прискорення – фіксація азимутних розмірів пучка (число згустків часток дорівнює кратності частоти прискорюючої системи по відношенню до частоти звернення часток). Типові схеми позитронного для електрона і протонного для протона накопичувального комплексу приведені на мал. 1 і 2 .

  Основна характеристика системи із зустрічними пучками – величина, яка визначає число ( N ) подій досліджуваного типа в одиницю часу і називається світимістю (1.) установки. Якщо вивчається взаємодія з перетином d, те N = L ( . В найбільш простому випадку, коли кут зустрічі пучків дорівнює нулю, L = R ( N ₁ N ₂ / S ) w/2p, де N ₁ , N ₂ – повні числа часток в кожному пучку, що заповнює кільця, S – площа поперечного перетину, загальна для обох пучків, w – кругова частота звернення часток по замкнутій орбіті, R – коефіцієнт використання установки, рівний відношенню довжини проміжків зустрічі пучків до периметра орбіти. У загальнішому випадку R залежить від області перекриття пучків, тобто від кутів пересічення і відносних розмірів пучків. Для ефективного вивчення процесів взаємодії з перетином d = 10 ^-26 –10 ^-32 см ² , величина світимості повинна складати 10 ²⁸ –10 ³² см ^-2 сік ^-1 . Це досягається накопиченням циркулюючого струму пучків заряджених часток і зменшенням поперечного перетину пучків за допомогою спеціального магнітного фокусування в прямолінійних проміжках, а також використанням методів електронного або стохастичного охолоджування з метою зменшення поперечної компоненти імпульсу пучків, що стикаються. Метод електронного охолоджування був запропонований в 1966 сов.(радянський) фізиком Р. І. Будкером для важких часток (протонів і антипротонів), в яких через практичну відсутність синхротронного випромінювання не відбувається автоматичного загасання поперечних коливань часток в пучку. Метод заснований на ефекті передачі теплової енергії пучка важких часток супутньому (пущеному паралельно) електронному пучку з нижчою температурою. Експериментальне підтвердження цього ефекту було вперше отримане в інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН(Академія наук) СРСР (1974).

Білет №13