нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Прискорювачі на зустрічних пучках

   
 

Прискорювачі на зустрічних пучках, прискорювачі із зустрічними пучками, установки, в яких здійснюється зіткнення зустрічних пучків заряджених частинок (елементарних частинок та іонів), прискорені електричним полем до високих енергій (див. Прискорювачі заряджених часток ). На таких установках досліджуються взаємодії часток і народження нових частинок при максимально доступних в лабораторних умовах ефективних енергіях зіткнення. Найбільшого поширення набули прискорювачі із зустрічними електрон-електронними (е -е-), електрон-позитронними (е -е +) і протон-протонними (рр) пучками.

У звичайних прискорювачах взаємодія часток вивчається в лабораторній системі відліку при зіткненнях пучка прискорених до високої енергії часток з частками нерухомій мішені. При цьому внаслідок закону збереження повного імпульсу соударяющихся частинок велика частина енергії налітаючої частки витрачається на збереження руху центру мас системи частинок, тобто на повідомлення кінетичної енергії часткам = продуктам реакції, і лише невелика її частина визначає "корисну", або ефективну, енергію зіткнення, тобто енергію взаємодії частинок в системі їх центру інерції, яка може йти, наприклад, на народження нових частинок. З розрахунку випливає, що при зіткненні двох частинок однакової маси (m0), одна з яких покоїться в лабораторній системі відліку, а інша рухається з релятивістської (близькою до швидкості світла с) швидкістю, енергія в системі центру інерції , де E0 = m0c2 = енергія спокою частинки, а Е = енергія налітаючої частки в лабораторній системі відліку. Т. о., чим більше Е, тим менша її частка визначає енергію взаємодії частинок. Якщо ж стикаються частинки з рівними за величиною і протилежно спрямованими імпульсами, тобто їх сумарний імпульс дорівнює нулю, то лабораторна система відліку збігається з системою центру інерції часток і ефективна енергія зіткнення дорівнює сумі енергій частинок, що стикаються; для частинок з однаковими масами (і енергією Е) Е ци = 2 E, т. е. кінетична енергія може бути повністю використана на взаємодію.

Особливо велике перевага вивчення процесів взаємодії на зустрічних пучках для легких часток = електронів і позитронів, для яких E0 = 0, 5 МеВ. Наприклад, для соударяющихся у зустрічних пучках електронів з енергією в 1 Гев Е ци = 2 Гев; така ж ефективна енергія зіткнення при одному нерухомому електроні зажадала б енергії налітав електрона Е = Е2 ци / 2 Е0 (4000 Гев. Для зустрічних пучків протонів (E0 "1 Гев ), наприклад з енергією Е = 70 Гев (енергія протонів Серпуховського прискорювача 7 6 Гев ), ? Е ци = 140 Гев, тоді як при зіткненні з спочиваючим протоном ефективна енергія зіткнення 140 Гев була б досягнута лише при енергії налітав протона Е = 10 000 Гев !

У. на в. п. мають найважливіше значення для вивчення пружних і непружних процесів взаємодії стабільних часток = протонів і електронів (і їх античастинок); в області надвисоких енергій з ними не можуть конкурувати звичайні прискорювачі з нерухомою мішенню.

Недолік У. на в. п. = мала щільність пучків часток в порівнянні з щільністю нерухомій мішені. Для збільшення щільності часток до процесу зіткнення виробляється накопичення заряджених частинок у спеціальних накопичувальних кільцях (див. Накопичувачі заряджених часток ), так щоб струми циркулюючих часток складали не менше десятків а. Однак і за таких токах інтенсивність пучків вторинних часток високих енергій (p - і К-мезонів, нейтрино і ін), що утворюються при зіткненнях, на кілька порядків менше, ніж інтенсивність пучків тих же часток, одержуваних на звичайних прискорювачах. Крім того (тому енергія вторинної частки не може перевищувати енергію зіштовхуються в У. на в. п. первинних частинок), виходить програш в енергії вторинних часток в порівнянні з традиційними прискорювачами. Тому У. на в. п. не можуть замінити, а лише доповнюють традиційні прискорювачі, і розвиток тих і інших повинно йти паралельно.

В накопичувальні кільця, що представляють собою кільцеві вакуумні камери, поміщені в магнітне поле, прискорені заряджені частки надходять із звичайного прискорювача. Магнітне поле створюється, як правило, секторними магнітами, розділеними прямолінійними проміжками (без магнітного поля) для областей перетину пучків (і для розміщення прискорювального пристрою). Установка із зустрічними пучками містить один або два накопичувальних кільця залежно від того, різні (як у е - е +, р , де ? = Антипротон) або відповідно однакові (як у е - е-, рр) знаки електричних зарядів часток, що стикаються. Попереднє прискорення пучків (до інжекції в накопичувальні кільця) виробляється в синхрофазотронах або синхротронах (з сильною або слабкою фокусуванням), а також в лінійних прискорювачах. Можливо і додаткове прискорення частинок в накопичувальних кільцях після інжекції. Однак незалежно від того, чи виробляється додаткове прискорення, кожен накопичувальний комплекс на зустрічних пучках обов'язково включає прискорює систему для компенсації втрат енергії заряджених частинок на синхротронне випромінювання ( для електрон-позитронного пучків) і іонізацію залишкового газу в камері. Друге призначення системи прискорення = фіксація азимутальних розмірів пучка (число згустків частинок одно кратності частоти прискорюючої системи по відношенню до частоти звернення часток). Типові схеми електрон-позитронного і протон-протонного накопичувального комплексу приведені на рис. 1 и 2.

Основна характеристика системи із зустрічними пучками = величина, яка визначає число (N) подій досліджуваного типу в одиницю часу і називається світністю (1.) установки. Якщо вивчається взаємодія з перетином d , то N = L (. У найбільш простому випадку, коли кут зустрічі пучків дорівнює нулю, L = R (N1N2 /S) w/2p, де N1, N2 = повні числа частинок в кожному пучку, що заповнює кільця, S = площа поперечного перерізу, загальна для обох пучків, w = кругова частота звернення частинок по замкнутій орбіті, R = коефіцієнт використання установки, рівний відношенню довжини проміжків зустрічі пучків до периметра орбіти. У більш загальному випадку R залежить від області перекриття пучків, тобто від кутів перетину і відносних розмірів пучків. Для ефективного вивчення процесів взаємодії з перетином d = 10 -26 = 10 -32 см 2, величина світимості повинна складати 10 28 = 10 32 см -2 сек -1 . Це досягається накопиченням циркулюючого струму пучків заряджених частинок і зменшенням поперечного перерізу пучків за допомогою спеціальної магнітної фокусування в прямолінійних проміжках, а також використанням методів електронного або стохастичного охолодження з метою зменшення поперечної компоненти імпульсу зіштовхуються пучків. Метод електронного охолоджування був запропонований в 1966 сов. фізиком Г. І. Будкером для важких частинок (протонів і антипротонів), у яких через практичну відсутність синхротронного випромінювання не відбувається автоматичного загасання поперечних коливань частинок в пучку. Метод заснований на ефекті передачі теплової енергії пучка важких часток супутньому (пущеному паралельно) електронному пучку з більш низькою температурою. Експериментальне підтвердження цього ефекту було вперше отримано в інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН СРСР (1974).

Для того щоб забезпечити безперервний фізичний експеримент з мало мінливої ??світимістю установки, необхідно великий час життя накопичених пучків частинок. Час життя пучка (час, протягом якого інтенсивність пучка зменшується в е ( 2,7 разів) залежить від ряду ефектів. Головні з них = одноразове і багаторазове розсіювання прискорених частинок на атомах залишкового газу в камері накопичувача, а для електронів і позитронів = синхротронне випромінювання і квантові флуктуації; істотну роль може також грати ефект взаємного розсіяння електронів ( позитронів) пучка. Експериментальний критерій часу життя пучка = відносна величина втрати інтенсивності пучків в% за 1 год; для кращих діючих установок вона становить десяті частки% у годину [для протонної установки в Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРНі) = 0,1% / год при струмі 22 а]. Така велика величина часу життя пучків досягається за допомогою високого вакууму в камерах накопичувачів пучків: 10 -11 мм рт. ст. в об'ємі камери і 10 -12 мм рт. ст. в зонах зустрічі пучків.

Необхідним елементом прискорювача із зустрічними е - е + пучками є електрон-позитронний конвертер = металева мішень (з товщиною близько 1 радіаційної довжини; на рис. 1 на прямому пучку), в якій електрони народжують гальмівні гамма-кванти, а ті, в свою чергу, = пари електрон-позитрон. Коефіцієнт конверсії = відношення числа позитронів, захоплених в накопичувач, до числа електронів, виведених з синхротрона = при енергії електронного пучка в сотні МеВ може досягати величини 10 -4 для позитронного пучка з енергією, приблизно вдвічі меншою енергії електронів.

Для схеми протон-протонних зіткнень ( рис. 2 ), яка реалізується на базі двох магнітних структур з сильним фокусуванням, характерна наявність багатьох точок зустрічі пучків, що дозволяє одночасно проводити кілька фізичних експериментів.

Типові параметри найбільш великих В. на в. п. наведені в таблиці.

Найбільші прискорювачі на зустрічних пучках і їх параметри

Установка

Тип зустрічних пучків

Енергія, Мев

Середній радіус орбіти, м

Світність, см -2 ? сек -1

Рік запуску


ВЕПП-2 (СРСР, Новосибірськ)

е+е-


2 '700

1,9

~ 10 29

1966

ВЕПП-4 (СРСР, Новосибірськ)

е+е-

2 '3500

12,0

~ 10 30

закінчується спорудження

SPEAR (США, Станфорд)

е+е-

2 '4500

37,2

6 ? 10 30

1972

АСО (Франція, Орсе)

е+е-

2 '540

3,5

10 29

1966

ADONE (Італія, Фраскаті)

е+е-

2 '1500

16,4

6 ? 10 29

1969

ISR (ЦЕРН, Швейцарія, Женева)

рр

2 '31400

150

6,7 ? 10 30

1971

ISABELLE (США, Брук-Хейвен)

2 '200 ? 10 3

428

проектується

РЕР (США, Станфорд)

е+е-

2 '15 ? 10 3

350

10 32

проектується

SUPER ADONE (Італія, Фраскаті)

е+е-

2 '12 ? 10 3

136

10 32

проектується

? Коротка історія розвитку У. на в. п. Розробка й спорудження експериментальних установок для досліджень на зустрічних пучках частинок були розпочаті в 1956 в багатьох лабораторіях в СРСР і за кордоном після опублікованого пропозиції амер. фізика Д. У. Керстен. Протягом 1956 = 66 перевага в реалізації зустрічних пучків було віддано легким стабільним часткам = електронів і позитронів (пропозиція про реалізацію прискорювачів із зустрічними електрон-позитронними пучками належить Будкер), для яких ультрарелятивістських швидкості досягаються при енергіях в сотні МеВ. Перші установки на зустрічних е - е- та е - е + пучках були створені в інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН СРСР (Будкер, А. А. Наумов із співробітниками), в Станфордском центрі лінійних прискорювачів (амер. фізик В. К. Панофский та ін, США), в Лабораторії лінійних прискорювачів під Фраскаті (С. Тазаррі та ін, Італія), в Лабораторії прискорювачів в Орсе (П. Марін та ін, Франція).

У зв'язку з запуском в 1959 = 60 високоенергічних прискорювачів протонів в ЦЕРНі (Швейцарія) на 28 Гев і в США на 33 Гев відкрилися реальні можливості для створення накопичувальних кілець на зустрічних рр пучках. У 1971 в ЦЕРНі були запущені два накопичувальних кільця для зустрічних рр пучків з енергією 31,4 Гев (К. Йонсен із співробітниками). Успішна експлуатація цієї установки при циркулюючих токах протонів 22 = 25 а і світності 6,7-10 30 см -2 сек -1 стимулювала подальший розвиток проектних робіт по рр., р і pe - накопичувальним установкам високих енергій. Йде розробка ще 6 проектів (окрім зазначених у табл.) в СРСР, США і Великобританії, реалізація яких передбачається у 1980 = 90.

Літ.: Kerst DW, Properties of an intersectingbeam accelerating system, CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36; Будкер Г. І., Наумов А. А. та ін, Роботи з зустрічним електрон-електронним, позитрон-електронним і протон-протонним пучкам в Інституті ядерної фізики СО АН СРСР, в кн.: Праці Міжнародної конференції з прискорювачів. Дубна. 1963, М ., 1964, с. 274 = 87; Jonsen К. [а. о.], Some problems connected with the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312 = 25; Будкер Г. І., Прискорювачі і зустрічні пучки, в кн.: Праці VII Міжнародної конференції з прискорювачів заряджених часток високих енергій, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Праці IV Всесоюзної наради по прискорювачах заряджених частинок. Москва. 1974, М., 1975, т. 2, с. 300 = 318.

© В. П. Дмитрієвський.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка