Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
действие такой последовательности оказывается не очень сильным, но
приводит к фокусировке в обоих направлениях. Этот способ обеспечения
устойчивости движения получил название принципа жесткой фокусировки. С
его появлением появилась возможность строить ускорители на любые энергии.
Рис. 188. Геометрия магнитных полюсов квадрупольной линзы.
Для фокусировки в синхротронах применяются квадрупольные линзы. Схема их
устройства изображена на рис. 188. Обозначения полюсов S и N написаны на
них. В соседних линзах полюса должны иметь обратную полярность (для них
знаки N и S взяты в скобки). Стрелки,
§88. Ускорители заряженных частиц
471
отходящие от силовых линий, указывают направление магнитных сил,
действующих на частицы. В первой линзе частицы, отклонившиеся от оси Y,
заворачиваются к ней, но отклоняются от оси X. В следующей линзе
направления отклонения меняются, и т. д. Как уже упоминалось выше,
суммарное действие такой системы линз оказывается фокусирующим, и
поперечные сечения кольцевых вакуумных камер могут быть сделаны очень
небольшими, порядка нескольких квадратных дециметров.
Синхротроны применяются для ускорения любых стабильных частиц, протонов и
антипротонов, ионов, электронов и позитронов. При ускорении электронов и
позитронов процесс ускорения затрудняется, т. к. всякое искривление их
траектории - а в циклических ускорителях оно возникает по необходимости -
приводит к испусканию электромагнитного излучения. Это излучение так и
называется синхротрон-ным излучением. Оно не должно быть особенно
большим, иначе ускорение станет неэффективным (или даже невозможным).
Поэтому радиус электронных синхротронов - при той же энергии ускоренных
частиц - намного превышает радиус протонных. А от ускорения электронов до
рекордно больших энергий приходится вообще отказаться.
Рис. 189. Схема ускорительно-накопительного комплекса протонного
синхротрона SPS.
В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) работает уникальный
ускорительный комплекс. Схема его устройства приведена на рис. 189. Его
центр составляют три гигантских коллайдера LEP, SPS и PS. К пуску
готовится четвертый, самый большой коллайдер LHC. Эти коллайдеры пригодны
для ускорения самых разных частиц: элек-
472
Глава 16
тронов и позитронов, протонов и антипротонов и тяжелых ионов вплоть до
свинца. Но по порядку.
Начнем с ускорителя PS. Этот ускоритель был построен для ускорения - и
аннигиляции - протонов и антипротонов. Отсюда происходит его название:
протонный синхротрон, PS. Сейчас он может ускорять любые заряженные
частицы. Его кольцо имеет в диаметре 200 метров. Он получает частицы от
бустера, который в свою очередь получает их от системы линейных
ускорителей - для каждого типа частиц нужен свой линейный ускоритель.
Энергия инжектируемых в PS частиц меняется от 500 МэВ для электронов до
4,2 МэВ на нуклон для ионов свинца. (Электроны и позитроны накапливаются
перед инжекцией в кольце ЕРА, изображенном в нижней правой части
рисунка.) Протоны ускоряются в PS до 28 ГэВ.
Затем следует SPS - "супер протонный ускоритель", который получил свое
название от цели, для которой он вначале предназначался. Сейчас он может
ускорять любые заряженные частицы. Периметр его кольца составляет 6 км.
Магнитная система содержит 744 заворачивающих магнита и 216 квадрупольных
линз. SPS получает частицы от PS. SPS расположен под землей. При
ускорении протонов и антипротонов их энергия поднимается до 450 ГэВ. SPS
часто используется как коллайдер протонов и антипротонов. Подготовка к
работе в режиме коллайдера это сложный процесс. Сначала в течение многих
циклов накапливаются антипротоны, а только потом в камеру вводится пучок
протонов. При работе в режиме коллайдера на SPS были открыты переносчики
слабого взаимодействия - W~ и Z0 бозоны.
Скажем несколько слов об аннигиляции протонов и антипротонов. Среди
продуктов аннигиляции большую часть составляют 7г-мезоны (~95%), затем
следуют i^-мезоны (~5%) и только менее 1% приходится на долю всех
остальных частиц.
Последний из ускорителей - это LEP, получающий частицы от SPS. Его кольцо
имеет в периметре 27 км. Тоннель LEP расположен на глубине 100 м и
проходит под территорией Швейцарии и Франции. Рабочие станции
располагаются на территории обоих государств. Название ускорителя
происходит от его первоначального назначения - он строился для ускорения
и исследования процесса аннигиляции электронов и позитронов. Сейчас он
используется для ускорения и аннигиляции любых частиц. Его магнитная
система содержит 3368 магнитов и 808 квадрупольных линз.
Экспериментальные станции располагаются по периметру в четырех
равноотстоящих участках кольца. LEP ускоряет электроны и позитроны до
энергии 100 ГэВ. Ускорение электронов до более высоких энергий
оказывается невозможным из-за синхротронного излучения. По-
§88. Ускорители заряженных частиц
473
тери на излучение тяжелых частиц при таких энергиях еще пренебрежимо
малы.
