Synchrophasotron: co je, princip činnosti a popisu

V roce 1957 uskutečnil SSSR vědecký a technický průlom v několika oblastech: úspěšně spustil umělou družici Země a několik měsíců před touto událostí začal pracovat synchrofázotron v Dubně. Co je to a proč potřebujeme takovou instalaci? Tato otázka se týkala nejen občanů SSSR v té době, ale celého světa. Samozřejmě, vědecká komunita pochopila, co to bylo, ale obyčejní občané byli zmatení, když slyšeli toto slovo. Dokonce i dnes většina lidí nerozumí podstatě a principu synchrofázotronu, i když slyšeli toto slovo víc než jednou. Podívejme se, co je toto zařízení a pro co bylo použito.

Co je synchrofazotron pro?

Vyvinula tuto instalaci pro studium mikrosvěta a znalosti struktury elementárních částic, zákonů jejich vzájemné interakce. Samotná metoda znalostí byla mimořádně jednoduchá: zlomení částice a vidění toho, co je uvnitř. Nicméně, jak můžete zlomit proton? Za tímto účelem byl vytvořen synchrofazotron, který urychluje částice a zasáhne je do cíle. Ty mohou být stacionární a v moderním Large Hadron Collider (je to zdokonalená verze dobrého starého synchrofázotronu), cíl se pohybuje. Tam se protonové paprsky pohybují obrovskou rychlostí k sobě a stáhnou se.

Bylo věřeno, že tato instalace by vedla k vědeckému průlomu, objevila by nové prvky a metody získávání atomové energie z levných zdrojů, které by byly lepší v efektivitě obohacený uran a byly by bezpečnější a méně škodlivé pro životní prostředí.

Vojenské cíle

Samozřejmě byly sledovány i vojenské cíle. Vytvoření atomové energie pro mírové účely je jenom výmluvou pro naivní. Není to nic o tom, že projekt synchrofázotronu byl označen jako "špičkové tajemství", protože konstrukce tohoto urychlovače byla provedena jako součást projektu vytvoření nového atomová bomba. S jeho pomocí chtěli získat lepší teorii. jaderné síly což je nezbytné k výpočtu a vytvoření bomby. Je pravda, že se ukázalo být mnohem komplikovanější a dokonce i dnes tato teorie chybí.

Co je synchrophasotron v jednoduchých slovech?

Stručně řečeno, toto nastavení je urychlovačem elementárních částic, zvláště pak protonů. Synchrophasotron se skládá z nemagnetické smyčkové trubky s vakuovým vnitřkem a silných elektromagnetů. Alternativně jsou magnety zapnuté a nasměrují nabité částice uvnitř vakuové trubice. Když dosáhnou maximální rychlosti pomocí akcelerátorů, jsou posláni do speciálního cíle. Protony to udeřily, rozbíjely cíl sám a rozbíjely se sami. Fragmenty se od sebe oddělí a v bublinkové komoře zůstávají značky. Po těchto stezkách skupina vědců analyzuje jejich povahu.

V minulosti to však bylo v moderních instalacích (jako je Large Hadron Collider), ale místo bublinové komory se používají modernější detektory, které poskytují více informací o protonových fragmentech.

Samotná instalace je poměrně složitá a špičková. Můžeme říci, že synchrofazotron je "vzdálený příbuzný" moderního velkého Hadronového křídla. Ve skutečnosti to může být nazýváno analogovým mikroskopem. Oba tyto přístroje jsou navrženy tak, aby studovaly mikrosvět, to je jen princip učení odlišný.

Další informace o zařízení

Takže už víme, jaký je synchrofazotron, stejně jako skutečnost, že zde částice zrychlují na obrovské rychlosti. Jak se ukázalo, urychlit protony na obrovskou rychlost, je nutné vytvořit potenciální rozdíl stovek miliard voltů. Bohužel pro lidstvo není taková věc možná, takže částice postupně postupovaly s akcelerací.

Při instalaci se částice pohybují v kruhu a při každé otáčce jsou pod napětím a přijímají zrychlení. A i když je takový krmivo malý, po miliony otáček získáte potřebnou energii.

Principem fungování synchrofázotronu je právě tento princip. Elementární částice zrychlené na malé hodnoty jsou spuštěny do tunelu, kde jsou umístěny magnety. Vytvářejí magnetické pole kolmé na prstenec. Mnoho lidí mylně věří, že tyto magnety urychlují částice, ale ve skutečnosti tomu tak není. Změnají pouze svou trajektorii, nutí je pohybovat se v kruhu, ale nezrychlují je. Zrychlení samo o sobě probíhá při určitých zrychlení.

Zrychlení částic

Taková mezera zrychlení je kondenzátor, který je napájen vysokou frekvencí. Mimochodem, toto je základem veškeré práce této instalace. Do tohoto kondenzátoru proudí protonový paprsek v okamžiku, kdy napětí v něm je nulové. Když částice prolétávají kondenzátorem, napětí se zvyšuje v čase, což pohání částice. V dalším kole se to opakuje, protože frekvence střídavého napětí je speciálně zvolena tak, aby odpovídala frekvenci cirkulace částic kolem kruhu. V důsledku toho se protony urychlují současně a ve fázi. Proto jméno - synchrophasotron.

Mimochodem, s touto metodou zrychlení existuje určitý užitečný efekt. Pokud náhle protónový paprsek letí rychleji než požadovaná rychlost, pak letí do zrychlující se mezery s negativní hodnotou napětí, což způsobuje trochu zpomalení. Pokud je rychlost pomalejší, pak bude účinek naopak: častice se zrychlují a zachycují hlavní skupinu protónů. V důsledku toho se hustý a kompaktní paprsek částic pohybuje jednou rychlostí.

Problémy

V ideálním případě by měly být částice zrychleny na maximální možnou rychlost. A pokud se protony na každém kruhu pohybují rychleji a rychleji, tak proč je nepokryte na maximální rychlost? Existuje několik důvodů.

Za prvé, zvýšení energie znamená zvýšení hmotnosti částic. Bohužel relativistické zákony neumožňují akcelerovat žádný prvek nad rychlost světla. V synchrofázotronu dosáhne protonová rychlost prakticky rychlosti světla, což značně zvyšuje jejich hmotnost. V důsledku toho je obtížné je udržet v kruhové oběžné dráze. Ze školy je známo, že poloměr pohybu částic v magnetickém poli je nepřímo úměrný hmotnosti a přímo úměrnému velikosti pole. A jak rostou hmoty částic, musí být poloměr zvětšen a magnetické pole musí být silnější. Tyto podmínky vytvářejí omezení při zavádění podmínek pro výzkum, neboť technologie jsou i dnes omezené. Zatím není možné vytvořit pole s indukcí nad několika tesla. Proto dělají tunely velké délky, protože s velkým poloměrem mohou být v magnetickém poli uloženy těžké částice vysokou rychlostí.

Druhým problémem je pohyb s akcelerací kolem obvodu. Je známo, že náboj, který se pohybuje při určité rychlosti, vyzařuje energii, to znamená, že ji ztrácí. V důsledku toho částice neustále ztrácejí energii během zrychlení a čím vyšší je jejich rychlost, tím více energie stráví. V určitém okamžiku nastává rovnováha mezi energií přijatou v části zrychlení a ztrátou stejného množství energie v jedné otáčce.

Výzkum prováděný na synchrofázotronu

Nyní rozumíme, co je základem operace synchrofázotronu. Umožnil provést řadu studií a objevů. Zejména vědci byli schopni studovat vlastnosti urychlených deuteronů, chování kvantové struktury jader, interakce těžkých iontů s cíli a také vyvinout technologii pro využití uranu-238.

Aplikace výsledků testů

Výsledky získané v těchto oblastech se dnes používají při konstrukci kosmických lodí, při navrhování jaderných elektráren, jakož i při vývoji speciálních zařízení a robotiky. Z toho všeho vyplývá, že synchrofazotron je takové zařízení, jehož příspěvek k vědě je obtížné přeceňovat.

Závěr

Již 50 let tato zařízení slouží ve prospěch vědy a jsou aktivně využívána vědci po celé planetě. Předtím vytvořená synchrofazotronová a podobná zařízení (vytvořená nejen v SSSR) jsou pouze jedním spojením ve vývojovém řetězci. Dnes existují pokročilejší přístroje - Nuclotrony, které mají obrovskou energii.

Jedním z nejvyspělejších z těchto zařízení je Large Hadron Collider. Na rozdíl od působení synchrofázotronu tlačí dva částicové paprsky v opačných směrech, což vede k tomu, že energie uvolněná ze srážky je mnohokrát větší než energie u synchrofázotronu. Tím se otevírají možnosti přesnějšího studia elementárních částic.

Možná teď musíte pochopit, co je synchrophasotron a proč je vůbec zapotřebí. Tato instalace učinila řadu objevů. Dnes z něj byl urychlovač elektronů a v současné době pracuje u společnosti FIAN.