Fizika_tyazhelykh_ionov

1.4. Синхротроны

Развитие циклотронов или синхроциклотронов для более высоких энергий (более 1 ГэВ) приводит к необходимости создания подобных машин большого радиуса. Однако стоимость таких ускорителей возрастает в кубической степени от их энергии (стоимость создания циклотрона с энергией 560 МэВ составляет 108 долларов США). Решают эту проблему ускорители типа синхротронов, в которых магнитное поле и резонансная частота варьируются. Магнитное поле в таких машинах расположено по кольцу, в котором ускоряются частицы (см. рис. 1.2.). Ускорение частиц происходит резонансным электрическим полем, создаваемым в ускоряющих зазорах синхротрона. С увеличением энергии резонансная частота также увеличивается. Одновременно с частотой, увеличивается магнитное поле при постоянном радиусе ускорения. (Здесь магнитное поле меняется во времени в отличие от АВП циклотронов, где оно меняется по радиусу). Частица с зарядом е движется по окружности радиусом r в магнитном поле В и имеет импульс p = erB .

Полная релятивистская энергия частицы:

Исходя из основного условия для циклотронов, определяемого выражением (1.4), получим:

20

Для данного r выражение (1.10) дает соотношение между В и ν, необходимое для синхронизации.

Поскольку в синхротронах варьируется частота и магнитное поле, то эти ускорители работают в основном в импульсном режиме, что приводит к проблеме стабильности пучка, пульсирующего во времени и пространстве. Решение проблемы фокусировки пучка в синхротронах происходит в основном сильной фокусировкой или переменным фокусирующим градиентом (ПГ), осуществляемой квадрупольными магнитными линзами. Магниты помещаются в ускоряющих секторах и имеют форму, создающую увеличивающийся или уменьшающийся радиальный градиент поля. Эти элементы чередуются, и в результате в центре кольца создается поле с тем же значением, что и в секторе, но в одном уменьшающееся с радиусом, а в другом наоборот — увеличивающееся. Изменение

поля с r довольно сильно: B ≈ r+n или B ≈ r−n — в альтернативном секторе (n 300). Первые синхротроны для ускорения электронов, когда cp >> mc2 , имели в соответствии с выражением (1.10) посто-

янную орбитальную частоту. Эти машины, построенные в 1950-х годах, имели энергию до нескольких сотен мегаэлектронвольт. Использование ПГ-фокусировки, осуществленное впервые в кэмбриджском электронном ускорителе, позволило получить в конце 60-х годов энергию 6 ГэВ при радиусе орбит 36 м. Другая аналогичная машина DESY в Гамбурге (Германия), построенная в 1965 году, дала пучок электронов с энергией 7 ГэВ. Ее дальнейшее развитие с использованием накопительного кольца (см. следующий раздел) позволило в настоящее время ускорять электроны до 35 ГэВ. Первый протонный синхротрон («Космотрон») был создан в Брукхэвене (США) в 1952 году и ускорял протоны до энергии 2 ГэВ и имел радиус орбиты 10 метров. Почти в то же время в Беркли (США) был запущен 18-метровый протонный синхротрон (Бэватрон) с энергией протонов 6,4 ГэВ. Эта энергия была выше порога образования антипротона в реакции: p + p → p + p + p + p .

Антипротон был открыт в 1956 году на Бэватроне, за что в 1959 году О. Чемберлен и Е. Сегрэ получили Нобелевскую премию. В

21

1960 году был запущен в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) протонный синхротрон с энергией протонов 28 ГэВ. Почти в то же время в Серпухове (Россия) был запущен 70 ГэВ протонный ПГ-синхротрон. Дальнейшее развитие ускорительной техники, в частности, фокусирующих квадрупольных магнитов и высокочастотных систем, позволило создать самые мощные в настоящее время 500 ГэВ протонный синхротрон в Национальной лаборатории им. Ферми (Батавия, США) и 400 ГэВ суперпротонный синхротрон (SPS) в ЦЕРНе. В Батавии предускорение осуществляется в три этапа (рис. 1.4).

1000-м радиус

Рис. 1.4. Cхема протонного синхротрона Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Батавия, США)

На первом этапе осуществляется ускорение протонов до энергии 0,8 МэВ, которые инжектируются в 200 МэВ-ный линейный ускоритель, а затем 8 ГэВ-ный «бустер» — синхротрон. Радиус самого протонного синхротрона 1000 м. Ускоритель дает импульс протонов длительностью 1 с каждые 12 с. Магнит синхротрона потребляет мощность 36 МВ, мощность, достаточная для снабжения электроэнергией небольшого города. Дальнейшее развитие этого типа ускорителей путем замены магнитов на сверхпроводящие позволило получать энергию протонов до 1000 ГэВ (1 ТэВ). В настоящее время обсуждается проект развитие этого синхротрона на основе сверхпроводящих магнитов, который позволит получать энергию

22

протонов до 20 ТэВ. Диаметр кольца при этом будет составлять 30 км.

1.5. Линейные ускорители

Линейные ускорители частиц или как их еще называют «линаки», относятся к отдельному классу ускорителей с прямолинейной траекторией частиц. Особенностью этих ускорителей является их относительно низкая стоимость по сравнению с магнитами циклотронов, а также отсутствие дефокусирующих эффектов, присущих магнитным системам. Пучок проходит через ряд полых цилиндрических электродов, находящихся под высоковольтным потенциалом с меняющейся полярностью. Частицы ускоряются между электродами. Внутри электродов они находятся вне действия поля и свободно дрейфуют (поэтому электроды получили название «дрейфовых трубок») в течение времени, равного половине периода частоты высокого напряжения. Во время дрейфа частицы в электроде полярность меняется на противоположную и частица ускоряется в последующем промежутке. Если t2 — полупериод измене-

ния напряжения, то длина n-й дрейфовой трубки для частицы со скоростью vn будет:

Для нерелятивистского случая частицы с зарядом е после прохождения n ускоряющих промежутков с разницей потенциалов V0 будут иметь кинетическую энергию:

Тогда длина дрейфовой трубки:

1 2

Ln = neV0 . (1.13)

2m

Длина дрейфовых трубок увеличивается как n12 . Для релятивистского случая, когда v ≈ c , длина дрейфовых трубок постоянна.

Приведем параметры трех наиболее мощных в настоящее время линейных ускорителей. Первый из них, запущенный в 1972 году в Лос-Аламосе, является частью Лос-Аламосской мезонной фабрики

23

(LAMF) (в настоящее время Лос-Аламосский нейтронный источник — LANC). Специальный инжектор производит протоны с энергией 0,75 МэВ и впрыскивает их в линейный ускоритель, имеющий 165 дрейфовых трубок, на которые подается высокое напряжение с частотой 200 МГц, где происходит ускорение протонов до 100 МэВ. Третья ступень ускорителя состоит из ускоряющих электродов, на которые подается частота 800 МГц, что позволяет ускорять окончательно протоны до энергии 800 МэВ. Этот ускорительный комплекс обладает рекордной интенсивностью пучка протонов (1 мА). Ускоритель был построен для исследования нуклоннуклонных взаимодействий при промежуточных энергиях (200 – 800 МэВ), а также для получения высокоинтенсивных пучков мезонов с целью изучения мезон-нуклонных взаимодействий. В настоящее время этот ускоритель используется как источник высокоэнергетичных нейтронов в (p, n)-реакциях.

Другой линейный ускоритель (SLAC) работает в Стэнфорде (США) с 1967 года. На нем ускоряются электроны до энергии 30 ГэВ. Частота ускоряющего напряжения на трубках составляет 2856 МГц и интенсивность пучка электронов 30 мкА. На SLAC были открыты J/ψ-мезоны и τ-лептоны. На электронных пучках SLAC с помощью вторичного электромагнитного излучения, создаваемого электронами, исследуются свойства твердых тел. Добавление к линейному ускорителю накопительного кольца (см. следующий раздел) позволило существенно расширить возможности SLAC. Третий тип линака — линейный ускоритель тяжелых ионов в Беркли (США) (SuperHILAC). В этом ускорителе используется инжектор, на котором получают пучки тяжелых ионов с энергией около 9 МэВ/нуклон вплоть до урана, которые затем инжектируются в линейный ускоритель и из него в синхротрон, где тяжелые ионы ускоряются до энергий 2,5 ГэВ/нуклон. Подобный ускоритель тяжелых ионов функционирует в Дармштадте (ФРГ).

24

1.6. Ускорители со встречными пучками

Для получения новых экзотических частиц нужны ускорители о- чень высоких энергий. Пусть в результате реакции p + p → p + p + x рождается частица х. Энергетический порог для

образования этой частицы в лабораторной системе координат можно записать в следующем виде

В частности, если частицей х является π0 -мезон ( mc2 =135 МэВ), то Tпор = 280 МэВ. В случае p + p на рождение антипротона необ-

ходима энергия Tпор = 5.63 ГэВ. Из уравнения (1.14) следует, что для получения частицы тяжелее, чем взаимодействующие частицы, Tпор увеличивается как (mxc2 )2 . Таким образом, увеличение в 10

раз массы частицы, которую хотят получить, приводит к необходимости увеличения энергии ускоряемой частицы в 100 раз. Решение этой чрезвычайно трудной задачи находят в создании ускорителей на встречных пучках, в которых два пучка с одинаковой энергией движутся в противоположном направлении. Пороговая

энергия для каждого пучка составляет mxc2 2 , поэтому если хотим

произвести 90 ГэВ-ную частицу, надо сталкивать два пучка с энергией только 45 ГэВ, тогда как в случае фиксированной мишени для рождения этих же самых частиц необходимо иметь энергию пучка 4500 ГэВ. Однако при использовании встречных пучков выход продуктов реакции существенно ниже, чем в случае фиксированной мишени. Это объясняется плотностью взаимодействующих частиц. В случае встречных пучков плотность частиц в импульсе составляет порядка 1011 частиц/см2 тогда, как при фиксированной, например, жидководородной мишени эта плотность может достигать 1025 атомов/см2. Поэтому в последнее время проблема увели-

25

чения выхода продуктов реакции решается с помощью накопительных колец. В этих кольцах пучок может удерживаться на циркулярных орбитах до 1 дня. За это время пучок фиксируется в небольшом пространстве и потом выводится из ускорителя. Выигрыш в выходе продуктов реакции при использовании накопительных колец может составлять 104 – 106 по сравнению с фиксированной мишенью. Одним из примеров таких ускорителей является протон-протонный коллайдер в ЦЕРНе (ISR). Пучок 28 ГэВ-ных протонов от синхротрона инжектируется в два накопительных кольца, где они движутся по орбитам в противоположных направлениях. Энергия пучков составляет 56 ГэВ в системе центра масс, что соответствует энергии 1700 ГэВ в системе фиксированной мишени. Большой интерес с точки зрения физики элементарных частиц представляет исследование взаимодействия частиц с античастицами. В связи с этим в ЦЕРНе, закрыв в 1989 году ISR, построили SppS -ускоритель, основанный также на двух кольцах, но уско-

ряющий протоны и антипротоны с энергией 320 ГэВ. Однако число антипротонов было чрезвычайно мало, и его фокусировка была затруднена из-за т. н. случайных столкновений, дефокусирующих пучок. Выход из этой ситуации был найден С. Ван дер Меером, который предложил способ стохастического охлаждения. Для этого в кольце непрерывно измеряются размеры антипротонного пучка и сигнал от детектора профиля со скоростью, близкой к скорости света, подается к специальному электромагниту, который в случае необходимости компенсирует эффект дефокусировки. Используя ускоритель SppS , экспериментаторы ЦЕРНа наблюдали W- и

Z-частицы, которые испытывали слабое взаимодействие. За это открытие Карло Рубио и Ван дер Меер в 1984 году получили Нобелевскую премию по физике.

1.7. Ускорение тяжелых ионов

Уже вскоре после первых работ по ускорению тяжелых ионов стало ясно, что для дальнейшего развития этого перспективного направления необходимо сооружение специальных ускорителей.

Первые попытки ускорения тяжелых ионов были предприняты Л. Альварецом (США) в 1940 году на циклотроне с диаметром по-

26

люсов 37 дюймов (93 см) в Калифорнийском университете (г. Беркли). Ему удалось получить пучки 6-зарядных ионов 12С очень малой интенсивности. Немного позднее (1941–1942 гг.) там же на циклотроне с большим диаметром полюсов (60 дюймов) были получены более интенсивные пучки ионов 12С (до 104 частиц/с).

Быстрый прогресс в ускорении тяжелых ионов начался в после-

военные годы. Уже в начале 50-х годов интенсивные пучки (до 1011 частиц/с) ионов 12С, 14N, 16О, 20Ne с энергиями до 10 МэВ/нуклон

были получены на циклотронах в Беркли и Ок Ридже (США), в Бирмингеме (Англия), в Стокгольме (Швеция).

ВРоссии исследования с тяжелыми ионами были начаты по инициативе И. В. Курчатова в Институте атомной энергии (Москва) группой физиков под руководством Г. Н. Флерова. На 1,5- метровом циклотроне были ускорены ионы углерода, азота и кислорода и проведены успешные эксперименты по исследованию ядерных реакций и синтезу трансурановых элементов. В Физико-

техническом институте им. А. Ф. Иоффе (Ленинград) были ускорены ионы 14N с энергиями до 3 МэВ/нуклон на циклотроне с диаметром полюсов 1 м. На пучке этих ионов был выполнен большой цикл работ по кулоновскому возбуждению ядер.

Параметры пучков ионов (их энергия и интенсивность), которые могут быть достигнуты при их ускорении, в значительной степени определяются их начальным зарядом. Отсюда следуют требования

кионным источникам ускорителей — они должны обеспечивать высокую интенсивность ионов с максимальным зарядом. Большой успех в создании источников многозарядных ионов был достигнут в Институте атомной энергии группой специалистов под руководством академика Л. А. Арцимовича. Разработанный ей, мощный дуговой источник с подогревным катодом позволял получать почти полностью лишенные электронов ионы вплоть до неона с интенсивностями до сотен мкА.

В1960-е годы сформировались основные направления, по которым шло развитие ускорительной техники тяжелых ионов. Они были связаны с созданием тандем-генераторов, линейных ускорителей и циклотронов. Каждый из этих типов ускорителей имеет свои преимущества и недостатки и, следовательно, свою область применения.

27

Действие тандем-генераторов основано на прохождении ионом двух ускоряющих промежутков, к которым приложено высокое постоянное напряжение (до 15–30 MB), и на изменении знака заряда иона между промежутками. Основным преимуществом тандемгенераторов является высокая монохроматичность пучка ионов

( EE ~ 10−4 ). Однако интенсивность пучка ионов невелика (не

превышает 1-2 мкА), а высокая энергия (выше кулоновского барьера) достигается лишь для сравнительно легких ионов.

В линейных ускорителях ионы приобретают энергию при последовательном прохождении большого числа ускоряющих промежутков, к которым приложено переменное электрическое поле. Изменение его синхронизировано с движением ионов так, что в каждом промежутке ион попадает в ускоряющее поле (в резонанс). Обычно в источнике получают ионы с малым зарядом, которые после ускорения до определенной энергии проходят через обдирающую фольгу и увеличивают свой заряд. В результате этого происходит более эффективное ускорение ионов с большим зарядом. Линейные ускорители позволяют получать достаточно интенсивные пучки ионов практически всех элементов таблицы Менделеева с энергией до 10–20 МэВ/нуклон. В циклотронах ускорение ионов также носит резонансный характер, но в отличие от линейного ускорителя ионы движутся по спиральной траектории в магнитном поле и многократно проходят один и тот же ускоряющий промежуток. В источнике получают ионы с большим зарядом, который не меняется в процессе ускорения. Энергия ускоренных в циклотроне ионов определяется приведенными ранее выражениями

(1.6)–(1.8).

Из этих выражений видна важность получения в источнике ионов с большим зарядом.

Для получения ионов с энергиями в сотни мегаэлектронвольт на нуклон и больше используются ускорители высоких энергий (синхроциклотроны и синхрофазотроны). Примером может служить ускоритель нуклотрон в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, на котором получены пучки тяжелых ионов с энергией в несколько гигаэлектронвольт/нуклон.

28

1.8. Ускорение радиоактивных ядер

На рассмотренных выше установках проводится ускорение стабильных ядер, имеющихся в природе. Однако для дальнейшего углубления наших представлений о структуре ядра необходим более широкий набор ускоренных ионов. Например, использование ядер

сизбытком протонов или нейтронов позволит получить в реакциях

сними еще более нейтронноили протоноизбыточные ядра, лежащие на границе или даже за границей нуклонной стабильности. Исследования реакций с необычными ядрами является важным источником сведений о таких деталях их структуры, которые нельзя получить при изучении их распада.

Экспериментальные исследования с использованием пучков радиоактивных ядер являются новым, интенсивно развивающимся направлением физики тяжёлых ионов. Исследования в этом направлении расширяются, что объясняется появлением во многих странах мира новых мощных ускорителей тяжёлых ионов средних и промежуточных энергий — ускорительный комплекс UNILAC – SIS – ESR в Дармштадте (ФРГ), ускорительный комплекс GANIL в Кане (Франция), циклотронный комплекс тяжёлых ионов RIKEN (Япония), сверхпроводящий циклотрон в Мичигане (США), циклотронный комплекс тяжёлых ионов с накопительным кольцом в Ланчжоу (Китай), сверхпроводящий циклотрон в Катанье (Италия), циклотронный комплекс тяжёлых ионов в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ в Дубне (Россия). Новое поколе-

ние ускорителей, позволяющих получать высокоэффективные (до 1014 частиц/с) пучки заряженных частиц от протонов и ядер гелия до ионов урана, позволило в настоящее время начать новый этап исследования ядер с использованием пучков радиоактивных ядер.

Это новое направление ядерной физики уже позволило обнаружить ряд интересных явлений, связанных со свойствами ядер, уда-

лённых от области β-стабильности. Для этого использовались пучки радиоактивных ядер с интенсивностью 102–107 с−1. При такой интенсивности были проведены эксперименты по изучению взаи-

29