Ускорители заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц предназначен для разгона частиц до такого энергетического состояния, которое пригодно для проведения физико-химических, атомных, медицинских и других исследований. Данный метод используется в лабораторных анализах и внедряется в другие промышленные области благодаря возможности имитации в условиях отдельных предприятий физических процессов, происходящих в различных точках Земли и Вселенной.

Внутри ускорителя находятся следующие компоненты:

Вне ускорителя помещается сам объект исследования (мишень) и детекторы частиц. Система вывода пучка начальных частиц направляет их на мишень – обычно это узкий объект, содержащий ядра химических элементов. Мишень рассеивает начальные частицы, а вступая во взаимодействие с ними на уровне ядер, порождает новые соединения. Рассеянные частицы регистрируются детектором, состоящим из одного или нескольких считывающих приборов. Данное исследование позволяет узнать информацию о физической природе различных элементов и их моделях поведения при взаимодействии с другими элементами внешней среды.

Чаще всего пучки в ускорителях состоят из протонов и электронов, потому что такие зондирующие компоненты подготавливаются инженерами быстрее, чем другие. В новейших моделях ускорителей также применяются антипротоны, позитроны (частицы-двойники исследуемых элементарных частиц, имеющие с «оригинальным» элементом только одни и те же спин и массу). В широко известных коллайдерах такие пучки сталкиваются после завершения ускорения (поэтому их называют встречными) для максимального использования высвобождающейся энергии.

Ускорители различаются не только свойствами пучков, но и значениями энергии, интенсивностью движения частиц и траекторией движения частиц. По последнему пункту установки принято условно подразделять на прямолинейные и циклического типа. В первых частицы во время самой процедуры ускорения перемещаются по прямой траектории, во вторых – по замкнутому направлению, либо по направлению в форме спирали. Проходящие по замкнутому направлению частицы, или синхротроны, во время разгона многократно повторяют свой путь. Фазотроны, микротроны и циклотроны двигаются по раскручивающейся линии (визуально выглядит как трехмерная спираль).

Особенности работы с ускорителями заряженных частиц

Сегодня ускоритель является пока что единственным устройством, способным достоверно изучить материал на уровне элементарных частиц. Чтобы обеспечить взаимодействие атома и исследуемого объекта, необходимо использовать мощный зондирующий пучок с максимальной разрешающей способностью, генерирующий много энергии. Только такой зондирующий элемент может проникнуть в атомные слои, занимающие экстремально малые объемы в пространстве. Кроме того, законы квантовой физики гласят, что чем меньше объект, тем большую плотность и прочность он имеет, поэтому понадобится гигантское количество энергии чтобы проникнуть в такую структуру и тем более – изменить её на атомном уровне.

Для определения необходимого количества энергии для исследования достаточно знать наноразмеры изучаемого вещества. Ключевые слагаемые при расчете – это длина волны (постоянное свойство частицы) и импульс. Для расчета используется формула де Бройля. По этой же формуле высчитываются сила воздействия кинетической энергии и длина волны частицы в МэВ.

Еще до начала эксперимента можно определить, будет ли атомная структура материала видимой для наблюдателя. При расчете по формуле де Бройля длина волны должна быть меньше или равна радиусу самого объекта. Одновременно энергия электронов должна быть выше 100 МэВ. При соблюдении этих двух условий объект можно будет исследовать на ядерном уровне.

Чтобы «переместиться» внутрь ядра глубже и проанализировать соединения протонов и нейтронов, необходимо выйти на объем энергии, исчисляемый гигаэлектронвольтами (ГэВ).

Ключевым фактором реализации процесса является обеспечения требуемого уровня разрежения по всей длине ускорителя в зоне движения частиц. Для предотвращения столкновений с молекулами газа внутри ускорителя, пучки частиц должны перемещаться при давлении соизмеримым с давлением в космическом пространстве  (от 10^-10 до 10^-11 мбар). Вакуум также используется в качестве наиболее эффективного теплоизолятора в системе криогенного охлаждения магнитов. Для поддержания температуры на уровне 1,9 К в полости изолятора необходимо обеспечивать давление не выше 10^-6 мбар.
Усложняет задачу и размеры некоторых ускорителей. Например, внутренний объем по которому движутся частицы Большого адронного коллайдера (с длинной основного кольца ускорителя 26 659 м) составляет 9 000 м³. А внутренний объем изолятора превышает 15 000 м³. Для решения такой задачи лабораторией ЦЕРН в 2008 году была сконструирована самая большая в мире вакуумная система. Для достижения требуемого давления в таком колоссальном объеме используются все возможные средства откачки. Количество используемых вакуумных насосов исчисляется сотнями и тысячами единиц разных типов. В качестве высоковакуумных ступеней применяются турбомолекулярные, криогенные и ионные насосы,  также используются встраиваемые непосредственно в рабочею зону ускорителя насосы с не распыляемым геттером. Форвакуумную откачку обеспечивают безмасляные решения: спиральные, винтовые и бустерные насосы типа Рутс. Для контроля рабочих параметров также потребуется большое количество датчиков давления. В случае с БАК за контроль давления отвечают 170 ионизационных датчиков Баярда-Альперта и 1084 датчиков Пирани и Пеннинга.