Строим ускоритель. Зачем оно надо?⁠⁠

Этот текст - небольшое введение к серии статей об ускорителях частиц. Тут я кратко опишу все "зачем, для чего и почему". Постараюсь вообще без формул.

На фото - рентгеновский лазер на свободных электронах E-XFEL. Здесь и далее во всех статьях все фото и картинки, кроме отдельно обозначенных - мои.

Технически, к ускорителям можно отнести и электронно-лучевые трубки, и рентгеновские трубки и т.п. Но поговорим мы о полноценных ускорителях.

С помощью электромагнитного поля ускорить можно все, что имеет электрический заряд: электроны и протоны (и их античастицы - позитроны и антипротоны), их комбанацию - ионы или голые ядра, а еще мюоны и т.д., но это уже экзотика. 

Базовые принципы для их ускорения совершенно одинаковые, но, при одинаковом электрическом заряде, протон в 1840 раз тяжелее электрона. Так как ускорение происходит только благодаря заряду, то электрон разгоняется намного легче. И поворачивает в магнитном поле тоже "резче". Именно из-за этого дизайн лептонных (электроны или позитроны) ускорителей значительно отличается от адронных (протононы/антипротоны/ионы/ядра).

Зачем их вообще ускорять? Ну, во-первых, их можно столкнуть друг с другом или с чем-нибудь еще и посмотреть, что получится. Такое делают в коллайдерах. Сумеречные гении исполюзуют их для подтверждения своих теорий о строении вселенной. И, хотя коллайдеры у всех на слуху, они занимают лишь малую долю среди ускорителей.

В тоннеле коллайдера HERA-B на глубине 30 метров.

Еще ускорители используют в медицине: разгоняют протоны и направляют в человека. Протоны залетают вглубь тканей и там тормозятся. Причем, тормозятся на определенной глубине (зависит от начальной энергии протонов) почти не повреждая ткани, через которые они прошли. При торможении выделяется тепло и ионизирующее излучение и убивает клетки вокруг. Таким способом можно убить опухоль в глубине тканей ничего не разрезая.

По горизонтали - глубина от поверхности кожи, по вертикали - количество поглощенной энергии. Протоны (красная линия) дают максимальную дозу в глубине тканей. Электроны (фиолетовые точки) почти не проникают в ткани. Рентген (синяя линия для энергии 4МэВ (мега-электрон-вольт) и зеленая для 20МэВ) дает большую дозу в большом объеме тканей, а не только в опухоли. Взято в Википедии

БОльшая же часть ускорителей используются в качестве источников излучения, как в науке так и в индустрии. Индустрии, как правило, интересно рентгеновское излучение для просвечивания всего на свете. Получается оно от торможения ускоренных электронов о препятствие-мишень, а затем направляется на исследуемый объект.

Для просвечивания чего-нибудь более плотного, чем человек (например, этого Porsche), рентгеновской трубки недостаточно, нужен ускоритель. Но просвечивали мы там вовсе не Porsche.

В научных исследованиях ускорители используются для получения излучения разных длин волн для огромного количества методов спектроскопии, микроскопии и структурного анализа. Ими пользуются физики, химики, биологи и еще большое число специалистов в своих исследованиях. И требования к излучению у ученых намного выше, чем в индустрии. Нужно поярче, получше сфокусировать, нужна произвольная длина волны от глубокого инфракрасного излучения до жесткого рентгена, с нужной поляризацией (или без нее). А еще лучше, если излучение будет лазерным, а не просто светом (на первой фотографии - рентгеновский лазер длиной в 3,5 км в строительсте которого я участвовал, про него я еще напишу). А еще иногда нужны сами электроны, а не излучение.

Для таких исследований во многих странах построены центры синхротронного излучения. Сердцем такого центра является синхротрон: кольцо-накопитель, в котором по кругу (на самом деле там не совсем круг) летают ускоренные до скорости света электроны. Ладно, почти до скорости света - 99% и выше. На практике их скорость принимают равной скорости света и говорят не о скорости, а о энергии. В синхротронах энергия электронов обычно от 0,5 ГэВ до десятка ГэВ (гига-электрон-вольт).

Схема здания с синхротроном BESSY II. Маленькое желтое кольцо - бустерный ускоритель, большое цветное - кольцо-накопитель. Взято в сети.

Внутри тоннеля BESSY II. Подробно будет в отдельной статье

Вокруг кольца построены измерительные станции - к ним от кольца подается луч света. А на станции сидят лохматые ученые с кучей оборудования и используют этот луч для своих измерений. На одном синхротроне может быть до нескольких десятков станций (или линий, по английски beam-line).

Тот же синхротрон с отмеченными измерительными станциями, объединенными в 16 измерительных линий. Картинка из сети.

Обычно ученые с этим ускорителем никак не связаны: они приезжают из своих институтов, меряют несколько дней и уезжают. На их место приезжают другие и т.д. Время измерений на каждой линии расписано на пол-года - год вперед. Для ускорителя ученые - пользователи. А ускоритель для пользователей - просто инструмент.

Три измерительных станции на линейном рентгеновском лазере FLASH-II. Излучение приходит внутри вакуумных труб слева снизу.

Наука развивается и пользователи хотят более высокие разрешение (не только пространственное, но и временное, частотное, по энергии) и интенсивность. Иногда этого можно добиться модернизацией ускорителя, а зачастую надо проектировать и строить новый. Поскольку ускоритель круглосуточно работает на пользователей, то экспериментировать с его настройками/апгрейдами очень непросто (позже я напишу пару статей о таких экспериментах. с фотками, конечно). Для отработки некоторых решений приходится строить отдельные ускорители.

Про один из таких проектов и будут следующие статьи.