Мікроскоп, що з’явився на початку 17-го століття, збільшував всього в декілька разів. За три століття збільшення довели до 3000 разів, але на цьому довелось зупинитись, так як корисне збільшення обмежене довжиною світлової хвилі. Вихід з глухого кута було знайдено в 1931-1932 роках, коли був створений електронний мікроскоп, що використовує замість світлових променів пучок швидких електронів. Як показав французький вчений Луї де Бройль, електрон має хвильову природу, а так як довжина хвилі, властивої електрону, багато менше, ніж світлової, то й корисне збільшення може бути більше.

У найпотужніших електронних мікроскопах воно доведене до 100 000 разів. Електронна оптика зробила величезний вплив на розвиток науки і техніки, однак і її можливості виявилися вичерпані.

Зараз у Французькій національній науково-дослідній раді сконструйований мікроскоп абсолютно нового типу. У ньому електрони в свою чергу замінені пучком протонів. Так як відповідна протонам довжина хвилі ще менше, то застосування їх дозволило зробити новий стрибок збільшення, бути може такий же значний, як перехід від оптичних до електронних мікроскопів. Якщо роздільна здатність електронних мікроскопів не перевищує 6 ангстремів, то протонний розрізняє розміри в 1 ангстрем, тобто в одну десятитисячну мікрона.

Новий інструмент використовується для вивчення будови кристалів, але надалі його можна буде застосувати для дослідження будь-яких мікроскопічних об’єктів. Французькі вчені вважають, що протонна оптика дасть можливість проникнути в невідомі нетрі мікросвіту набагато глибше, ніж можна було сподіватися досі.

Ще про один , абсолютно новому методі - протонної мікроскопії , або протонної радіографії . Цей термін , правда , відповідає методу в такій же мірі , що і назва « мікроскопія » рентгеноструктурному аналізу . В основі лежить так званий ефект тіней. В одному з варіантів кристалічний зразок « висвітлюють » паралельним пучком протонів , висока енергія яких ( сотні або навіть тисячі кеВ ) дозволяє їм проникнути надзвичайно близько до ядер атомів , складових кристалічну решітку зразка. Розсіюючись на ядрах в різних напрямках , протони « продираються » скавозь кристал , частково виходять з нього і засвічують розташовану з « освітлюваної » боку зразка фотопластинку , де виходить специфічна сітка яскравих ліній з плямами різних розмірів. Ця картина нагадує картини дифракції електронів або рентгенівських променів на кристалах . Однак подібність це чисто зовнішнє , тому що принципово різні механізми їх отримання. У перших двох випадках відбувається хвилеве взаємодія , тоді як при протонографіі - корпускулярне взаємодія протонів і ядер. Ця відмінність дає певну перевагу : підвищуючи енергію протонів , ми збільшуємо глибину їх проникнення в зразок , не погіршуючи при цьому ( що найбільш важливо ) здатність «бачити» атоми .

Фізика взаємодії протонів з ядрами дуже складна, і ми зупинятися на ній не будемо. Відзначимо лише можливості протонографіі . За протонограмме можна визначити тип структури кристала , кристалографічну орієнтацію , кути між кристалографічними осями . Її вигляд надзвичайно чутливий до найменших спотворень ( деформацій ) кристалічної решітки . Протонограмма також реєструє точкові дефекти . Важливою перевагою протонографіі є можливість пошарового аналізу мікроструктури кристалічних зразків без їх руйнування: підвищуючи енергію протонів , можна проникати все глибше і глибше.

Пошарове дослідження можна проводити, і не змінюючи енергії. Для цього перед фотопластинкою поміщають металеву фольгу певної товщини . Протони , що вийшли з глибини зразка і втратили , таким чином , значну частину енергії , будуть поглинатися фольгою , тоді як протони , розсіяні поблизу поверхні , пройдуть крізь фольгу і потраплять на платівку . Послідовно змінюючи товщину фольги , можна отримати серію протонограмм з різної глибини зразка і встановити , наприклад, розподіл по глибині яких-небудь дефектів . При цьому , відзначимо ще раз , зразок не руйнується.

Розбиття на згустки

     Протонний пучок в прискорювачі зовсім не виглядає як однорідний безперервний "протонний промінь". Він розбитий на окремі згустки протонів, які летять один за одним на строго певній відстані. Кожен згусток - це якнайтонша "протонна голка" завдовжки декілька десятків сантиметрів і завтовшки в долі міліметра.

У максимумі продуктивності кожен з двох зустрічних пучків на LHC складатиметься з 2808 згустків, що йдуть один за одним на відстані в декілька метрів, а в кожному згустку буде приблизно по 100 мільярдів протонів. Проте на цей режим прискорювач вийде не скоро. У перші місяці роботи в кожному пучку буде всього по 2 згустки, потім по 43 згустки і так далі. Саме тому світимість LHC в перших пару років роботи буде досить низькою.

Розбиття пучка на згустки корисно з кількох причин. Головна з них - саме так зручно прискорювати протони в резонаторах. Більш того, завдяки явищу автофазування прискорювальна секція сама підтримує згустки "у формі", не даючи їм розпливатися в подовжньому напрямі. Крім того, згустки стикаються в центрі детектора в чітко певні моменти часу. Це робить детектування результатів зіткнень ефективнішим, оскільки протягом "мертвого часу" детекторів (того часу, за який електроніка детектора прочитує сліди частинок і готує детектор до наступного зіткнення) ніяких інших зіткнень, що можуть перешкодити прочитуванню даних, не відбувається.

Поперечні коливання

      Поворотні магніти прагнуть направити протонний пучок уподовж строго певній круговій траєкторії усередині вакуумної труби - ідеальної орбіти. Проте через низку обставин протони не слідують строго уздовж цієї орбіти, а злегка коливаються відносно її в поперечному напрямі. Ці коливання називаються бетатронними коливаннями.

Передбачити динаміку бетатронних коливань кільцевого прискорювача дуже складно. Із-за того що пучки багато раз проходять одне і те ж кільце з незмінним набором магнітів, навіть найдрібніше зрушення якогось одного магніта може почати "розгойдувати" бетатронні коливання на кожному обороті. Щоб цього уникнути, потрібно усувати всі резонанси між циклічним рухом пучка по кільцю і бетатронними коливанням. З цієї ж причини перший пучок, запущений в коллайдер, не буде відразу безперервний циркулюючим, а швидше за все "вилетить" після декількох оборотів. Для отримання циркулюючого пучка треба запускати згусток за згустком і підстроювати магнітну систему так, щоб робити їх траєкторію стійкішої.

     Дуже великі бетатронні коливання можуть стати небезпечними для апаратури. Якщо пучок почне відхилятися від ідеальної траєкторії більше, ніж на пару сантиметрів, то він може зачепити стінки вакуумної труби. Для того, щоб цього не трапилося, є датчики, які контролюють положення пучка усередині труби і у разі потреби дають сигнал для скидання пучка.

Поперечні розміри

    Оскільки в кожному згустку є багато однойменно заряджених частинок, вони розштовхуються із-за електричних сил, і тому пучок має тенденцію розпливатися в поперечних розмірах. Магнітна система управління пучками утримує їх від розпливання. При русі через прискорювач поперечні розміри пучків підтримуються досить великими - близько міліметрів, але в точці перетину пучків вони сильно фокусуються, аж до декількох сотих доль міліметра.

Мал. 7. Зміна поперечних розмірів пучків при їх русі в прискорювальному кільці поблизу точки зіткнень. На цьому малюнку подовжній масштаб сильно стислий; для реальної картини треба в тисячі разів розтягнути цей малюнок в подовжньому напрямі.

   На мал. 7 показані розрахункові траєкторії двох зустрічних пучків поблизу точки перетину усередині детектора ATLAS. Масштаб малюнка сильно стислий: якщо поперечні розміри показаного паралелепіпеда дорівнюють декільком сантиметрам, то його довжина складає насправді декілька сотів метрів. Для справжнього масштабу цей малюнок треба розтягнути уподовж приблизно в 10 тисяч разів. Злами на траєкторії пучків відповідають положенню різних магнітів, які відхиляють або фокусують пучки. Відмітьте, наскільки сильно сфокусовані пучки в місці перетину в порівнянні з їх