Synchrophasotron: co to jest zasada działania i opis

W 1957 r. ZSRR dokonał przełomu naukowego i technicznego w kilku dziedzinach: z powodzeniem uruchomił sztucznego satelitę Ziemi, a kilka miesięcy przed tym wydarzeniem synchrophasotron zaczął działać w Dubna. Co to jest i dlaczego potrzebujemy takiej instalacji? To pytanie niepokoiło nie tylko obywateli ZSRR w tym czasie, ale cały świat. Oczywiście społeczność naukowa zrozumiała, co to było, ale zwykli obywatele byli zakłopotani, kiedy usłyszeli to słowo. Nawet dzisiaj większość ludzi nie rozumie istoty i zasady synchrophasotronu, chociaż słyszeli to słowo więcej niż raz. Zobaczmy, czym jest to urządzenie i do czego zostało użyte.

Do czego służy synchrophasotron?

Opracował tę instalację, aby zbadać mikroświat i wiedzę o strukturze cząstek elementarnych, prawach ich wzajemnego oddziaływania. Metoda wiedzy była niezwykle prosta: rozbić cząstkę i zobaczyć, co jest w środku. Jak jednak możesz złamać proton? W tym celu utworzono synchrophasotron, który przyspiesza cząsteczki i trafia w cel. Ten ostatni może być ustalony, a w nowoczesnym Wielkim Zderzaczu Hadronów (jest to ulepszona wersja starego dobrego synchrofasotronu) cel się porusza. Tam, wiązki protonów poruszają się z ogromną prędkością w stosunku do siebie i uderzają.

Wierzono, że obiekt ten dokona przełomu naukowego, odkryje nowe elementy i metody uzyskiwania energii atomowej z tanich źródeł, które byłyby wydajniejsze. wzbogacony uran i byłby bezpieczniejszy i mniej szkodliwy dla środowiska.

Cele wojskowe

Oczywiście realizowano również cele wojskowe. Wytwarzanie energii atomowej do celów pokojowych jest jedynie usprawiedliwieniem dla naiwnych. Nie bez powodu projekt synchrofasotronu został ostemplowany "Ściśle tajne", ponieważ konstrukcja tego akceleratora została przeprowadzona w ramach projektu stworzenia nowego bomba atomowa. Z jego pomocą chcieli uzyskać lepszą teorię. siły jądrowe który jest niezbędny do obliczenia i stworzenia bomby. To prawda, że ​​okazało się to o wiele bardziej skomplikowane, a nawet dzisiaj brakuje tej teorii.

Czym jest synchrofasotron w prostych słowach?

Podsumowując, ta konfiguracja jest akceleratorem cząstek elementarnych, w szczególności protonów. Synchrophasotron składa się z niemagnetycznej, zapętlonej rury z wewnętrzną próżnią, a także z potężnych elektromagnesów. Alternatywnie, magnesy są włączane, kierując naładowane cząstki wewnątrz rury próżniowej. Gdy osiągną maksymalną prędkość za pomocą akceleratorów, zostaną wysłane do specjalnego celu. Protons uderzył, rozbił cel i sam go rozbił. Fragmenty rozpadają się i pozostawiają ślady w komorze pęcherzykowej. Idąc za tymi śladami, grupa naukowców analizuje ich naturę.

Tak było jednak wcześniej w nowoczesnych instalacjach (takich jak Wielki Zderzacz Hadronów), zamiast nowoczesnych komór detekcyjnych zastosowano bardziej nowoczesne detektory, które dostarczają więcej informacji o fragmentach protonów.

Sama instalacja jest dość złożona i zaawansowana technologicznie. Można powiedzieć, że synchrophasotron jest "dalekim krewnym" współczesnego Wielkiego Zderzacza Hadronów. W rzeczywistości można go nazwać analogiem mikroskopu. Oba te urządzenia są zaprojektowane do badania mikroświata, to tylko zasada uczenia się jest inna.

Więcej o urządzeniu

Tak więc już wiemy, czym jest synchrophasotron, a także fakt, że tutaj cząstki przyspieszają do ogromnych prędkości. Jak się okazało, aby przyspieszyć protony do ogromnej prędkości, konieczne jest stworzenie potencjalnej różnicy setek miliardów woltów. Niestety, ludzkość nie jest w stanie zrobić czegoś takiego, więc cząsteczki stopniowo zaczęły przyspieszać.

W instalacji cząstki poruszają się po okręgu, a przy każdym obrocie są pod napięciem, otrzymując przyspieszenie. I chociaż taki pokarm jest niewielki, przez miliony obrotów można uzyskać niezbędną energię.

Zasada działania synchrophasotronu jest właśnie tą zasadą. Cząstki elementarne przyspieszane do małych wartości są uruchamiane w tunelu, w którym znajdują się magnesy. Tworzą pole magnetyczne prostopadłe do pierścienia. Wiele osób błędnie uważa, że ​​te magnesy przyspieszają cząsteczki, ale w rzeczywistości tak nie jest. Zmieniają tylko trajektorię, zmuszając ich do poruszania się w kółko, ale nie przyspieszają ich. Samo przyspieszenie występuje w pewnych lukach przyspieszenia.

Akceleracja cząstek

Taka szczelina przyspieszenia jest kondensatorem, który jest zasilany z dużą częstotliwością. Przy okazji, jest to podstawą całej pracy tej instalacji. Promień protonowy leci do tego kondensatora w momencie, gdy napięcie w nim jest zerowe. Gdy cząsteczki przelatują przez kondensator, napięcie wzrasta w czasie, co napędza cząstki. W następnej rundzie jest to powtarzane, ponieważ częstotliwość naprzemiennego napięcia jest specjalnie dobrana tak, aby była równa częstotliwości cyrkulacji cząstek wokół pierścienia. W konsekwencji protony są przyspieszane jednocześnie i w fazie. Stąd nazwa - synchrophasotron.

Przy okazji, przy tej metodzie przyspieszania jest pewien użyteczny efekt. Jeśli nagle wiązka protonów leci szybciej niż wymagana prędkość, to leci w szczelinę przyspieszającą z ujemną wartością napięcia, co powoduje nieznaczne spowolnienie. Jeśli prędkość jest wolniejsza, efekt będzie odwrotny: cząstka przyśpieszy i dogoni główną wiązkę protonów. W rezultacie zwarta i zwarta wiązka cząstek porusza się z jedną prędkością.

Problemy

Idealnie, cząstki powinny zostać przyspieszone do maksymalnej możliwej prędkości. A jeśli protony w każdym kole poruszają się coraz szybciej, to dlaczego nie przyspieszyć ich do maksymalnej możliwej prędkości? Istnieje kilka powodów.

Po pierwsze, wzrost energii oznacza wzrost masy cząsteczek. Niestety, prawa relatywistyczne nie pozwalają na przyspieszenie dowolnego elementu powyżej prędkości światła. W synchrofasotronie prędkość protonu osiąga praktycznie prędkość światła, co znacznie zwiększa jego masę. W rezultacie trudno jest utrzymać je na okrągłej orbicie o promieniu. Wiadomo ze szkoły, że promień ruchu cząstek w polu magnetycznym jest odwrotnie proporcjonalny do masy i wprost proporcjonalny do wielkości pola. A gdy masa cząsteczek rośnie, promień musi zostać zwiększony, a pole magnetyczne musi zostać wzmocnione. Warunki te powodują ograniczenia we wdrażaniu warunków badań, ponieważ technologie są ograniczone nawet dzisiaj. Do tej pory nie udało się stworzyć pola z indukcją powyżej kilku tesli. Dlatego tworzą one tunele o dużej długości, ponieważ przy dużym promieniu ciężkie cząstki z dużą prędkością mogą być utrzymywane w polu magnetycznym.

Drugim problemem jest ruch z przyspieszeniem po obwodzie. Wiadomo, że ładunek poruszający się z pewną prędkością promieniuje energią, to znaczy ją traci. W związku z tym cząsteczki stale tracą energię podczas przyspieszania, a im wyższa jest ich prędkość, tym więcej energii wydadzą. W pewnym momencie zachodzi równowaga pomiędzy energią odbieraną w sekcji przyspieszania a utratą tej samej ilości energii w jednym obrocie.

Badania prowadzone w synchrophasotron

Teraz rozumiemy, jaka zasada leży u podstaw działania synchrophasotronu. Pozwolił przeprowadzić serię badań i dokonać odkryć. W szczególności naukowcy byli w stanie zbadać właściwości przyspieszonych deuteronów, zachowanie struktury kwantowej jąder, interakcję ciężkich jonów z celami, a także rozwinąć technologię wykorzystania uranu-238.

Zastosowanie wyników badań

Uzyskane w tych obszarach wyniki są stosowane obecnie w budowie statków kosmicznych, projektowaniu elektrowni jądrowych, a także w rozwoju specjalistycznego sprzętu i robotyki. Z tego wynika, że ​​synchrophasotron jest takim urządzeniem, którego wkład do nauki jest trudny do przecenienia.

Wniosek

Od 50 lat takie instalacje służą nauce i są aktywnie wykorzystywane przez naukowców na całym świecie. Utworzone wcześniej synchro- biasotrony i podobne urządzenia (zostały stworzone nie tylko w ZSRR) to tylko jedno ogniwo w łańcuchu ewolucji. Dziś są bardziej zaawansowane urządzenia - Nuclotrony, które mają ogromną energię.

Jednym z najbardziej zaawansowanych takich urządzeń jest Wielki Zderzacz Hadronów. W przeciwieństwie do działania synchrophasotronu, popycha dwie wiązki cząstek w przeciwnych kierunkach, w wyniku czego energia uwalniana z kolizji jest wielokrotnie większa niż energia w synchrofasotronie. Otwiera to możliwości dokładniejszego badania cząstek elementarnych.

Być może teraz musisz zrozumieć, czym jest synchrophasotron i dlaczego jest on w ogóle potrzebny. Ta instalacja dokonała wielu odkryć. Dzisiaj został zrobiony z niego akcelerator elektronów, a obecnie pracuje w FIAN.