Как и для чего был изобретён ускоритель рентгеновский частиц?
Термин «акселератор» в науке обычно означает устройство для разгона частиц до высоких скоростей — то, что мы сейчас называем ускорителем частиц.
Когда Рентген открыл и начал изучать рентгеновское излучение, развитие технологий привело к появлению мощных источников такого излучения, которые уже не обходились без сложных устройств для генерации.
Сами по себе рентгеновские лучи — это форма электромагнитного излучения (поток фотонов). Ускорять их не нужно: они уже движутся со скоростью света. Ускорителями становятся другие устройства — например, синхротроны, магнетроны или лазеры на свободных электронах. В них электроны разгоняются до скоростей, близких к скорости света в электромагнитных структурах, а затем испускают мощное рентгеновское излучение. Именно такие установки и позволили в середине XX века сделать прорыв в физике: изучить структуру материи, создать источники синхротронного излучения, которые сейчас используются в химии, биологии, материаловедении.
Существует два основных класса ускорителей: электростатические и электродинамические (или электромагнитные) ускорители. В электростатических ускорителях частиц для ускорения частиц используются статические электрические поля. Достижимая кинетическая энергия частиц в этих устройствах определяется ускоряющим напряжением, которое ограничено электрическим пробоем.
Электродинамические или электромагнитные ускорители, в свою очередь, используют для ускорения частиц изменяющиеся электромагнитные поля (либо магнитную индукцию, либо колебательные радиочастотные поля). Поскольку в таких ускорителях частицы могут многократно проходить через одно и то же ускоряющее поле, выходная энергия не ограничивается напряжённостью ускоряющего поля. Этот класс ускорителей, впервые разработанный в 1920-х годах, является основой для большинства современных крупномасштабных ускорителей. Рольф Видерё, Густав Айзинг, Лео Силарду, Макс Стинбек и Эрнест Лоуренс считаются пионерами в этой области. Они разработали и построили первый работающий линейный ускоритель частиц, бетатрон, а также циклотрон. Поскольку мишенью пучков частиц в первых ускорителях обычно были атомы какого-либо вещества, а целью — столкновение с их ядрами для изучения структуры ядра, в XX веке ускорители часто называли «дробильщиками атомов». Этот термин сохранился, несмотря на то, что многие современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами, а не между частицей и атомным ядром.
Посредством все более высоких запросов и усложнений передовых методов исследований растут требования к научным установкам в самых разных областях: от медицины до физики элементарных частиц. Один из широко распространенных подходов — строительство больших дорогостоящих научно-исследовательских комплексов, научных установок, рассчитанных на совместную работу больших коллективов исследователей, с широким международным участием. Такие установки являются общенациональными или даже международными проектами. Среди наиболее известных уже действующих установок — ускорительные комплексы в ЦЕРН (Швейцария) и ОИЯИ (Дубна, Россия). ЦЕРН это самый большой ускоритель — Большой адронный коллайдер, построенный недалеко от Женевы, который может ускорять два пучка протонов до энергии 6,5 ТэВ и сталкивать их лоб в лоб, создавая энергию центра масс 13 ТэВ.
В СССР в 1980-х гг. было начато строительство ускорительного комплекса УНК периметром 21 км, но из-за развала страны в 1990-х проект был закрыт. В последующие двадцать лет РФ стала принимать все большее участие в зарубежных мегасайенс-проектах, и «первой ласточкой» стал международный коллайдер ионов NICA, строительство которого началось в 2016 г. в Дубне. В 2019 г. вышел Указ Президента РФ от 25.07.2019 № 356 по созданию еще пяти таких установок в России. Большинство этих установок базируется на уникальных ускорителях заряженных частиц высоких энергий. Строящийся в Кольцово источник синхротронного излучения СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов) — первый в России источник четвертого поколения. Синхротронное излучение электронов в рентгеновском диапазоне позволит заглянуть в структуру вещества: от биологических объектов до горных пород и полупроводников. Благодаря сложной магнитной системе СКИФ будет давать пучок синхротронного излучения с уникальной яркостью, в несколько раз превышающей уже работающие источники подобного класса.
Где используются пучки высокоэнергетических частиц:
Физика элементарных частиц
Для базовых исследований динамики и структуры материи, пространства и времени физики ищут простейшие виды взаимодействий при максимально возможных энергиях. Как правило, это предполагает энергию частиц во много ГэВ и взаимодействие простейших видов частиц: лептонов (электронов и позитронов) и кварков для материи или фотонов и глюонов для квантов поля.
Ядерная физика и производство изотопов
Физики-ядерщики и космологи могут использовать пучки «голых» атомных ядер, лишенных электронов, для изучения структуры, взаимодействий и свойств самих ядер, а также конденсированной материи при чрезвычайно высоких температурах и плотностях, которые могли существовать в первые мгновения Большого взрыва. В таких исследованиях часто используются столкновения тяжелых ядер – таких атомов, как железо или золото – при энергиях в несколько ГэВ на нуклон. Самый крупный из таких ускорителей частиц — Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Ускорители элементарных частиц также могут генерировать пучки протонов, с помощью которых можно получать медицинские или исследовательские изотопы с высоким содержанием протонов, в отличие от изотопов с высоким содержанием нейтронов, получаемых в реакторах деления.
Синхротронное излучение
Электроны, движущиеся в магнитном поле, испускают очень яркие и когерентные фотонные пучки посредством синхротронного излучения. Оно находит широкое применение в изучении атомной структуры, химии, физики конденсированного состояния, биологии и технологий. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) — это особый класс источников света, основанных на синхротронном излучении, которые генерируют более короткие импульсы с более высокой временной когерентностью. Специально разработанный ЛСЭ является самым мощным источником рентгеновских лучей в наблюдаемой Вселенной. Таким образом, существует большой спрос на ускорители электронов с умеренной (ГэВ) энергией, высокой интенсивностью и высоким качеством пучка для питания источников света.
Низкоэнергетические аппараты и терапия частицами
В повседневной жизни ускорителями частиц являются электронно-лучевые трубки, которые используются в телевизорах, и рентгеновские генераторы. В этих низкоэнергетических ускорителях используется одна пара электродов с напряжением постоянного тока между ними в несколько тысяч вольт. При более низких энергиях пучки ускоренных ядер также используются в медицине в качестве лучевой терапии для лечения рака.
Подводя итоги о применяемости пучков высокоэнергетических частиц, скажем, что они полезны для фундаментальных и прикладных научных исследований, а также для технических и промышленных областей, не связанных с фундаментальными исследованиями. В мире насчитывается около 30 000 ускорителей, из которых лишь около 1 % — исследовательские установки с энергией выше 1 ГэВ, около 44 % используются для радиотерапии, 41 % — для ионной имплантации, 9 % — для промышленной обработки и исследований, а 4 % — для биомедицинских и других низкоэнергетических исследований.
