goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Магнитное поле в камере создается магнитами, которые располагаются вдоль всего периметра. Цепочка магнитов периодически прерывается фокусирующими линзами, речь о которых пойдет впереди. Вакуумная камера, в которой движутся частицы, конечно, откачивается до высокого вакуума.
Сипхротроны намого экономичнее циклотропов, потому что магнитное поле в них 1и лжелезо магнитов» ) занимает не всю площадь круга, по периметру которого движутся ускоряемые частицы, а только небольшую ее часть. Процесс ускорения частиц разбивается на циклы. В процессе цикла магнитное поле возрастает в соответствии с возрастающей энергией партии ускоряемых частиц. Соответственно, меняется и частота уско- Гллвл 18 ряющего напряжения. Когда ускорение рассматриваемой партии заканчивается, они выводятся из ускорителя, величина магнитного поля и частота ускоряющего напряжения возвращаются к начальным значениям, в камеру вводятся (инжектируются) новые частицы, и начинается очередной цикл ускорения.
Вернемся к проблеме устойчивости движения. В узкой вакуумной камере синхротрона устойчивость бетатронных колебаний должна быть обеспечена как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Как уже известно, эти задачи противоречат одна другой. Довольно долго из этого противоречия не было видно выхода.
Потом было обнаружено, что задача может быть решена при последовательном расположении линз, попеременно фокусирующих частицы то в одном, то в другом направлении. Каждая из линз, фокусируя в одном, дефокусирует частицы в другом направлении. Как показывает расчет, общее действие такой последовательности оказывается не очень сильным, но приводит к фокусировке в обоих направлениях. Этот способ обеспечения устойчивости движения получил название принципа ж е с т к о й ф о к у с и р о в к и. 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 5' и Х написаны на них. В соседних линзах полюса должны иметь обратную полярность (для них знаки ~Ч и 5 взяты в скобки). Стрелки, 471 9 88 Ускогитвли злгяжпнпых частиц отходящие от силовых линий, указывают направление магнитных сил, действующих на частицы.
В первой линзе частицы, отклонившиеся от оси У, заворачиваются к ней, но отклоняются от оси Х. В следуюшей линзе направления отклонения меняются, и т.д. Как уже упоминалось выше, суммарное действие такой системы линз оказывается фокусируюшим, 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 с и н х р о т р о ни ы м из луче н и ем. 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 вообше отказаться. лпнаки д, ионы е Рпс 189. Схема ускорительно-накопительного комплекса протонного синхротрона 8Р5. В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) работает уникальный ускорительный комплекс.
Схема его устройства приведена на рис. 189. Его центр составляют три гигантских коллайдера ЕЕР, ЯРК и РБ. К пуску готовится четвертый, самый большой коллайдер ЕНС. Эти коллайдеры пригодны для ускорения самых разных частиц: элск- 472 Глхвл 16 тронов и позитронов, протонов и антипротонов и тяжелых ионов вплоть до свинца. Но по порядку.
Начнем с ускорителя Р5. Этот ускоритель был построен для ускорения — и аннигиляции — протонов и антипротонов. Отсюда происходит его название: протонный синхротрон, Р5. 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 ннжектируемых в Р5 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.) Г1ротоны ускоряются в Р5 до 28 ГэВ.
Затем следует 5Р5 — лсупер 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. 5Р5 получает частицы от Р5. ВР5 расположен под землей. При ускорении протонов н антипротонов их энергия поднимается до 450 ГэВ.
5Р5 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 5Р5 были открыты переносчики слабого взаимодействия — И'+, И' и Яо бозоны. Скажем несколько слов об аннигиляции протонов н антипротонов. Среди продуктов аннигиляции большую часть составляют и-мезоны ( 95%), затем следуют 7г-мезоны (-5Ж) и только менее 1;4 приходится на долю всех остальных частиц. Последний из ускорителей — это ЕЕР, получающий частицы от 5Р5.
Его кольцо имеет в периметре 27 км. Тоннель ЕЕР 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 равноотстояших участках кольца.
1,ГР ускоряет электроны и позитроны до энергии 100 ГэВ. Ускорение электронов до более высоких энергий оказывается невозможным из-за синхротронного излучения. По- $88 усилители злгяжннпых чхстиц 473 терн на излучение тяжелых частиц при таких энергиях еще пренебрежимо малы. В режиме аннигиляции пучки частиц и античастиц в точках соударения сжимаются до размера меньше человеческого волоса. Частицы совершают в камере!0000 оборотов в секунду, но должны обращаться в камере ускорителя часами...
Количество полученных на СЕР Уо-частиц исчисляется сейчас миллионами, а число И'-бозонов — многими сотнями. Сейчас интенсивно ведется подготовка к сооружению !.НС вЂ” большого коллайдера тяжелых частиц. Он будет располагаться в тоннеле 1.ГР. Индукция магнитного поля в его сверхпроводящих магнитах составит 8,3 Тл. 1.НС будет получать протоны и антипротоны от 5РВ при энергии 450 ГэВ и ускорять их до 7 ТэВ. Ток ускоренных частиц составит 0,56 А, а энергия, содержащаяся в каждом из пучков, будет равна 850 МДж! В заключение скажем несколько слов об экспериментальных установках, работающих на ускорителях. Это многофункциональные измерительные комплексы, включающие в свой состав магнитные трековые спектрометры, детекторы П-квантов и нейтральных адронов (п,то,Ко....), огромные дрейфовые камеры, черенковскне и сцинтилляционные счетчики н многое другое.
В последнее время начали интенсивно изучаться процессы взаимодействия нейтрино с веществом. В одной нз таких установок на пути нейтринного пучка установлена 700- тонная стальная мишень, прослоенная детекторами. Результаты, полученные на экспериментальных установках, сразу попадают на ЭВМ, что позволяет непосредственно следить за ходом опытов и открывает доступ к результатам для широкого круга ученых. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На этом мы заканчиваем изложение основ нерелятивистской квантовой физики. Вне рамок книги остались многие важные ее разделы, в том числе исследование свойств зависящего от времени уравнения Шредингера (2 32) и вопросов, которые им описываются.
Мы имеем в виду расчет вероятности различных процессов: электромагнитных переходов в электронных оболочках атомов, отклонения заряженных частиц в кулоновском поле, рассеяния в поле ядерных сил и т.д, Не обсуждались также экспериментальные и теоретические исследования времен жизни возбужденных состояний частиц и эффективных сечений при различного типа взаимодействиях, которые представляют огромную важность и служат одним из основных источников наших сведений о строении молекул, атомов и ядер. Мы почти не обсуждали результатов релятивистской квантовой физики.
Скажем о ней несколько слов. Создание этой науки относится к 1928 году, когда Поль Дирак предложил свое знаменитое релятивистки-инаариантное уравнение. В это уравнение симметрично входят ф-функции частиц н античастиц в обеих возможных спиновых состояниях — всего четыре величины. Волновая фушсция Дирака представляет поэтому 4-компонентный вектор, а само уравнение носит матричный характер. При создании теории о существовании позитронов ничего не было известно, и их последующее экспериментальное обнаружение явилось подлинным триумфом теории. (На самом деле события развивались менее гладко. Дирак вначале думал, что его уравнение описывает одновременно не электрон и позитрон, а электрон и протон.
В то же время К. Андерсон, открывший позитрон, по-видимому, ничего не знал о теории Дирака). Сравнение теоретических и экспериментальных результатов надежно подтверждает справедливость теории. Следующий шаг в понимании электромагнитных явлений был сделан при создании квантовой электродинамики — последовательной квантовой теории электромагнитного поля. Наибольший вклад в создание этой пауки внесли П.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
