Ускорение частиц

Автофазировка в циклических резонансных ускорителях

Резко повысить энергию и количество ускоренных частиц позволила работа советского ученого, академика В. И. Векслера (Объединенный институт ядерных исследований в Дубне). Он открыл неизвестную ранее закономерность движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях с постоянными или медленно меняющимися параметрами, состоящую в автоматическом установлении синхронизма между частотой обращения частиц и частотой колебания ускоряющего электрического поля. Открытие В. И. Векслера дало возможность проектировать и сооружать микротроны, синхротроны, фазотроны и все крупнейшие ускорители заряженных частиц. Благодаря этому открытию были созданы синхрофазотрон Объединенного института ядерных энергий в Дубне на 10 млрд. эВ, ускорители в Церне (Швейцария) на 28 млрд., в Брукхейвене (США) на 33 млрд. и в Серпухове (СССР) на 70 млрд. эВ.

В настоящее время с помощью ускорителей может осуществляться планомерный синтез материалов или модификация их свойств. "С их участием, - рассказывает член-корреспондент АН СССР В. И. Гольданский, - успешно решается, например, одна из важнейших проблем современной химии - установление механизма первичных сверхбыстрых химических процессов. Такие исследования имеют большое значение для создания эффективной защиты от химического и биологического действия излучения, разработки научных путей радиационно-химического синтеза материалов".

Не менее важные исследования проводятся на синхротронах. Вращаясь в магнитном поле этих ускорителей, электроны непрерывно теряют энергию на излучение, которое называют синхротронным. Длина его волны составляет от миллионной до стомиллионной доли сантиметра, энергия квантов - от 10 до 1000 эВ. Таким образом, заполняется наименее изученный диапазон спектра электромагнитных волн. Энергия такого рода излучения может быть эффективно использована в биологии, астрофизике, физике твердого тела и в других науках.

Открытие В. И. Векслера внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 10 с приоритетом от 8 июня 1944 г. Формула открытия такова:

"Установлена ранее неизвестная закономерность движения заряженных частиц в совокупности магнитного и быстропеременного электрического поля с постоянными или медленно меняющимися параметрами, состоящая в автоматическом возникновении и поддержании синхронизма между частотой обращения частиц и частотой колебаний ускоряющего электрического поля".

Образование релятивистского стабилизированного электронного пучка

Академик Г. И. Будкер открыл явление образования релятивистского стабилизированного электронного пучка. Он установил, что под действием электромагнитного излучения, возникающего в результате колебания электронов, пучок сжимается в поперечном направлении в тонкий устойчивый шнур с большими собственными полями.

Открытие Г. И. Будкера позволяет получать устойчивую релятивистскую плазму типа интенсивного электронного пучка с ионами и объясняет условия ее образования. При этом оказывается, что заряженные частицы удерживаются в пучке почти исключительно его собственным электромагнитным полем, масса которого сравнима с массой частиц пучка.

Значения собственных магнитного и электрического полей электронного кольца могут на несколько порядков превосходить значения полей, достижимые с помощью обычных электротехнических средств, в то время как масса кольца исчезающе мала по сравнению с массой обычных проводников. Поэтому электронные кольца могут быть использованы для ускорения, удержания и фокусировки заряженных частиц в ускорителях.

Описанное открытие зарегистрировано под № 82 с приоритетом от мая 1952 г. Формула открытия опубликована в следующей редакции:

"Теоретически установлено неизвестное, ранее явление образования устойчивого кольца релятивистских электронов с собственным электромагнитным полем, превосходящим внешнее во много раз, обусловленное электромагнитным излучением электронов в поле ионов, частично компенсирующих заряд электронов".

На основе этого открытия был сделан ряд важных изобретений, связанных с созданием генераторов мощных электронных пучков. В Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР под руководством академика Г. И. Будкера сумели организовать "артиллерийскую дуэль" двух ускорителей - столкновение встречных пучков частиц, при котором два сравнительно малых ускорителя дают столь же сильные по энергии, переходящей во внутренние превращения, столкновения, как один гигантский ускоритель.

Скопленные в накопителе электронные сгустки "впрыскивают" в установку маленьким синхротроном. Два кольца электронов стремительно вращаются навстречу друг другу - встречные пучки сталкиваются с энергией, равнозначной 70 млрд. эВ. Результаты опыта регистрируются искровой камерой, позволяющей наблюдать следы частиц.

В другой, еще более удивительной установке одно из колец формируется из античастиц. Электронный пучок из синхротрона направляют в конвертер, производящий антиэлектроны - позитроны. Процесс пока не очень рентабелен: на один позитрон приходится расходовать 10 тыс. электронов высокой энергии, но даже при этом в накопителе образуется позитронное кольцо приемлемой плотности.

После преодоления ряда трудностей удалось совместить позитронное кольцо с кольцом встречных электронов. Так возникла более мощная установка со встречными электронно-позитронными пучками, где происходят столкновения, для которых понадобился бы обычный ускоритель с энергией в 2 тыс. млрд. эВ. Установка позволит ученым продолжать углубляться в микромир, получать такие частицы, как мю-, пи- и ка-мезоны, и исследовать их взаимодействия.

Эффект самополяризации электронов или позитронов в магнитном поле

Профессора МГУ, доктора физико-математических наук А. А. Соколов и И. М. Тернов в результате многолетних исследований движения электронов в магнитном поле с ультрарелятивистскими скоростями открыли эффект их радиационной самополяризации в нем.

"Природа этого явления, - рассказывает И. М. Тернов, - тесно связана с особыми свойствами синхротронного излучения - с испусканием электронами и позитронами электромагнитных волн во время движения в магнитном поле по круговой траектории. Такое излучение впервые наблюдалось в ускорительных установках (синхротронах) в 40-х гг., чем и объясняется его название. С тех пор исследование синхротронного излучения постоянно привлекало внимание советских и зарубежных ученых и сопровождалось теоретическими предсказаниями существования ряда его неожиданных свойств. Нам удалось разработать законченную физико-математическую квантовую теорию синхротронного излучения, сущность которой состоит в особом квантовом характере движения электронов и позитронов с большой энергией о магнитном поле.

Дело в том, что при высокой энергии заряженных частиц синхротронное излучение обнаруживает характерную для квантовых явлений дискретность: электромагнитное излучение происходит в виде испускания отдельных мощных фотонов, число которых за период обращения электрона в магнитном поле измеряется единицами. При энергиях электронов около 500 млн. эВ и выше частицы начинают испытывать особую отдачу вследствие испускания ими квантов электромагнитного поля - фотонов. При этом электроны и позитроны движутся подобно броуновским частицам, испытывая флюктуационное воздействие со стороны испускаемых фотонов: траектория таких электронов и позитронов начинает подчиняться квантовым законам. Можно сказать, что электроны и позитроны подвергаются усиленной "встряске", которая может породить особые явления, не свойственные обычным представлениям".

В 1963 г. А. А. Соколову и И. М. Тернову на основе разработанной ими общей теории синхронного излучения удалось предсказать и рассчитать явление самополяризации электронов и позитронов при их движении в магнитном поле. Как известно, одно из важных свойств микрочастиц состоит в том, что они обладают так называемым собственным моментом вращения (спином), не связанным с их перемещением в пространстве.

В обычном, неполяризованном пучке электронов или позитронов спины частиц направлены хаотически. Авторами открытия было установлено, что в условиях сильного воздействия квантовых флюктуации, т. е. в процессе сильной "встряски", спины частиц приобретают преимущественную ориентацию: спины электронов ориентируются противоположно направлению магнитного поля, а спины позитронов - вдоль магнитного поля. Таким образом, по прошествии некоторого времени (времени релаксации) обычный пучок электронов или позитронов становится поляризованным - спины частиц принимают упорядоченную ориентацию. Процент такой поляризации высок - более 90.

Время, в течение которого происходит упорядочение ориентации спинов, зависит от энергии частиц и величины напряженности магнитного поля. В частности, при энергиях электронов около 1 млрд. эВ оно составляет примерно час. При повышении энергии частиц и напряженности магнитного поля оно сокращается.

Чтобы наблюдать самополяризацию электронов и позитронов, нужны определенные условия не только для движения частиц в магнитном поле, но и для их длительной циркуляции. Такие условия реализуются в накопительных кольцах - особых установках с длительной циркуляцией электронов и позитронов. Эксперименты 1971-1972 гг., проведенные в Сибирском отделении АН СССР и во Франции, в лаборатории линейного ускорителя в Орсе, еще раз подтвердили открытие советских ученых.

Синхронное излучение наблюдается не только в лабораторных условиях. Оно составляет важный объект исследований движения быстрых частиц в межзвездных магнитных полях, объясняя природу радиоизлучения (например, пульсаров), приходящего к нам из других галактик.

Эффект самополяризации электронов и позитронов имеет и существенное прикладное значение. Изучение структуры элементарных частиц и их взаимодействий требует создания пучков частиц с ориентированным спином. Такие поляризованные пучки способны дать наиболее полную информацию при использовании их в современном эксперименте. С помощью известных до настоящего времени методов поляризации частиц можно было создать пучки с ориентированным спином лишь для области малых энергий. Эффект радиационной самополяризации электронов и позитронов открывает перед исследователями совершенно новые возможности, поскольку при движении быстрых частиц в накопительных кольцах ориентация их спинов происходит автоматически и достигает высокой степени.

Высоко оценивая исследования авторов открытия, академик А. А. Логунов пишет:

"А. А. Соколов и И. М. Тернов впервые разработали квантовую теорию движения ультрарелятивистских электронов или позитронов по траекториям с макроскопическим радиусом кривизны. Эта теория нашла применение при исследовании авторами свойств синхротронного излучения. Особенно подробно ими был исследован случай ультрарелятивистского движения в постоянном и однородном магнитном поле.

В работах А. А. Соколова и И. М. Тернова содержится открытие очень важного эффекта. Еще более подчеркивает важность результата то, что он, как и всякий основополагающий результат, вызвал целый поток теоретических и экспериментальных исследований. Результаты теоретических исследований авторов открытия по радиационной самополяризации электронов, получившие экспериментальное подтверждение, имеют важное значение для получения поляризованных электронов в накопительных кольцах".

За свое открытие А. А. Соколов и И. М. Тернов удостоены Государственной премии СССР 1976 г.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 131 с приоритетом от 26 июля 1963 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление поляризации релятивистских электронов и позитронов при их движении в магнитном поле (например, в накопительных кольцах), обусловленное квантовыми флюктуациями синхротронного излучения".