Quale principio è alla base del funzionamento del sincrofasotrone. Sincrofasotrone: cos'è, principio di funzionamento e descrizione. Ricerche effettuate al sincrofasotrone

06.06.2024

Principio di funzionamento del sincrofasotrone

Inizialmente si prevedeva che il primo potente acceleratore-sincrofasotrone fosse costruito sulla base di una combinazione di due principi, precedentemente utilizzati separatamente nel fasotrone e nel sincrotrone. Il primo principio è un cambiamento nella frequenza del campo elettromagnetico, il secondo è un cambiamento nel livello di intensità del campo magnetico.

Il sincrofasotrone funziona secondo il principio di un acceleratore ciclico. Per mantenere la particella nella stessa orbita di equilibrio, la frequenza del campo acceleratore cambia. Il fascio di particelle arriva sempre alla parte accelerante dell'impianto in fase con un campo elettrico ad alta frequenza. Il sincrofasotrone è talvolta chiamato sincrotrone protonico a focalizzazione debole. Un parametro importante di un sincrofasotrone è l'intensità del raggio, che è determinata dal numero di particelle che contiene.

Il sincrofasotrone elimina quasi completamente gli errori e gli svantaggi inerenti al suo predecessore, il ciclotrone. Modificando l'induzione del campo magnetico e la frequenza di ricarica delle particelle, l'acceleratore di protoni aumenta l'energia delle particelle, indirizzandole lungo la rotta desiderata. La creazione di un tale dispositivo ha rivoluzionato il nucleare

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Sincrofasotrone (da sincronizzazione + fase + elettrone) è un acceleratore ciclico risonante con una lunghezza dell'orbita di equilibrio costante durante il processo di accelerazione. Affinché le particelle rimangano nella stessa orbita durante il processo di accelerazione, cambiano sia il campo magnetico principale che la frequenza del campo elettrico in accelerazione. Quest'ultima è necessaria affinché il fascio arrivi alla sezione accelerante sempre in fase con il campo elettrico ad alta frequenza. Nel caso in cui le particelle siano ultrarelativistiche, la frequenza di rotazione, per una lunghezza orbitale fissa, non cambia con l'aumentare dell'energia, e anche la frequenza del generatore RF deve rimanere costante. Un tale acceleratore è già chiamato sincrotrone.

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Un estratto che caratterizza il sincrofasotrone

Uscimmo insieme di casa, come se andassi anch'io al mercato con lei, e alla prima svolta ci separammo amichevolmente, e ciascuna era già andata per la sua strada e per i fatti suoi...
La casa in cui viveva ancora il padre della piccola Vesta si trovava nel primo “nuovo quartiere” che stavamo costruendo (come venivano chiamati i primi grattacieli) e si trovava a circa quaranta minuti a piedi da noi. Mi è sempre piaciuto camminare e non mi ha causato alcun inconveniente. Solo che questa nuova zona in sé non mi piaceva davvero, perché le case al suo interno erano costruite come scatole di fiammiferi, tutte uguali e senza volto. E poiché questo posto aveva appena cominciato a essere costruito, non c'era un solo albero o alcun tipo di "verde", e sembrava un modello in pietra e asfalto di una brutta città finta. Tutto era freddo e senz'anima, e lì mi sentivo sempre molto male: sembrava che lì semplicemente non avessi più nulla da respirare...
Eppure lì era quasi impossibile trovare i numeri civici, anche con il massimo desiderio. Ad esempio, in quel momento mi trovavo tra le case n. 2 e n. 26 e non riuscivo a capire come potesse accadere?! E mi chiedevo dove fosse la mia casa "scomparsa" n. 12?... Non c'era alcuna logica in questo, e non riuscivo a capire come le persone potessero vivere in un tale caos?
Alla fine, con l'aiuto di altri, in qualche modo sono riuscito a trovare la casa di cui avevo bisogno, ed ero già davanti alla porta chiusa, chiedendomi come mi avrebbe accolto questo completo sconosciuto?...
Ho incontrato molti sconosciuti, a me sconosciuti, allo stesso modo, e questo all'inizio ha sempre richiesto molta tensione nervosa. Non mi sono mai sentito a mio agio nell’intromettermi nella vita privata di qualcuno, quindi ogni “viaggio” del genere mi è sempre sembrato un po’ folle. E capivo anche perfettamente quanto dovesse sembrare folle per coloro che avevano letteralmente perso qualcuno vicino a loro, e una ragazzina improvvisamente invadeva le loro vite e dichiarava che poteva aiutarli a parlare con la moglie, la sorella, il figlio, la madre defunti. , padre... D'accordo: a loro deve essere sembrato assolutamente e del tutto anormale! E, a dire il vero, non riesco ancora a capire perché queste persone mi hanno ascoltato?!

Questa è la parola elusivamente familiare “sincrofasotrone”! Mi ricordi come è arrivato alle orecchie dell'uomo comune in Unione Sovietica? C'era qualche film o una canzone popolare, ricordo esattamente di cosa si trattava! O era semplicemente l'analogo di una parola impronunciabile?

Adesso ricordiamo cos’è e come è stato creato…

Nel 1957, l'Unione Sovietica fece una svolta scientifica rivoluzionaria in due direzioni contemporaneamente: in ottobre fu lanciato il primo satellite artificiale della Terra e pochi mesi prima, a marzo, iniziò a funzionare il leggendario sincrofasotrone, una gigantesca installazione per lo studio del micromondo. a Dubna. Questi due eventi hanno scioccato il mondo intero e le parole “satellite” e “sincrofasotrone” si sono saldamente radicate nelle nostre vite.

Il sincrofasotrone è un tipo di acceleratore di particelle cariche. Le particelle in essi contenute vengono accelerate ad alte velocità e, quindi, ad alte energie. Sulla base dei risultati delle loro collisioni con altre particelle atomiche, vengono giudicate la struttura e le proprietà della materia. La probabilità di collisione è determinata dall'intensità del raggio di particelle accelerato, cioè dal numero di particelle in esso contenute, quindi l'intensità, insieme all'energia, è un parametro importante dell'acceleratore.

Gli acceleratori raggiungono dimensioni enormi e non è un caso che lo scrittore Vladimir Kartsev li abbia definiti piramidi dell'era nucleare, dalle quali i discendenti giudicheranno il livello della nostra tecnologia.

Prima che venissero costruiti gli acceleratori, l’unica fonte di particelle ad alta energia erano i raggi cosmici. Si tratta principalmente di protoni con energia dell'ordine di diversi GeV, provenienti liberamente dallo spazio, e di particelle secondarie derivanti dalla loro interazione con l'atmosfera. Ma il flusso dei raggi cosmici è caotico e ha una bassa intensità, quindi nel tempo hanno iniziato a creare installazioni speciali per la ricerca di laboratorio: acceleratori con fasci controllati di particelle ad alta energia e ad alta intensità.

Il funzionamento di tutti gli acceleratori si basa su un fatto ben noto: una particella carica viene accelerata da un campo elettrico. Tuttavia, è impossibile ottenere particelle di altissima energia accelerandole una sola volta tra due elettrodi, poiché ciò richiederebbe l'applicazione di un enorme voltaggio, cosa tecnicamente impossibile. Pertanto, le particelle ad alta energia si ottengono facendole passare ripetutamente tra gli elettrodi.

Gli acceleratori in cui una particella passa attraverso spazi acceleranti posizionati successivamente sono detti lineari. Con loro è iniziato lo sviluppo degli acceleratori, ma la necessità di aumentare l'energia delle particelle ha portato a lunghezze di installazione quasi irrealistiche.

Nel 1929, lo scienziato americano E. Lawrence propose il progetto di un acceleratore in cui una particella si muove a spirale, passando ripetutamente nello stesso spazio tra due elettrodi. La traiettoria della particella viene piegata e attorcigliata da un campo magnetico uniforme diretto perpendicolarmente al piano orbitale. L'acceleratore era chiamato ciclotrone. Nel 1930-1931, Lawrence e i suoi colleghi costruirono il primo ciclotrone presso l'Università della California (USA). Per questa invenzione gli fu assegnato il Premio Nobel nel 1939.

In un ciclotrone, un campo magnetico uniforme viene creato da un grande elettromagnete e un campo elettrico viene generato tra due elettrodi cavi a forma di D (da cui il nome “dees”). Agli elettrodi viene applicata una tensione alternata, che cambia polarità ogni volta che la particella fa un mezzo giro. Per questo motivo il campo elettrico accelera sempre le particelle. Questa idea non potrebbe essere realizzata se le particelle con energie diverse avessero periodi di rivoluzione diversi. Ma fortunatamente, anche se la velocità aumenta con l'aumentare dell'energia, il periodo di rivoluzione rimane costante, poiché il diametro della traiettoria aumenta nella stessa proporzione. È questa proprietà del ciclotrone che consente di utilizzare una frequenza costante del campo elettrico per l'accelerazione.

Ben presto i ciclotroni iniziarono a essere creati in altri laboratori di ricerca.

Costruzione del sincrofasotrone negli anni '50

La necessità di creare una seria base di accelerazione nell’Unione Sovietica fu annunciata a livello governativo nel marzo 1938. Un gruppo di ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Leningrado (LPTI), guidato dall'accademico A.F. Ioffe si è rivolto al presidente del Consiglio dei commissari del popolo dell'URSS V.M. Molotov con una lettera in cui si proponeva di creare una base tecnica per la ricerca nel campo della struttura del nucleo atomico. Le domande sulla struttura del nucleo atomico divennero uno dei problemi centrali delle scienze naturali e l'Unione Sovietica rimase molto indietro nel risolverle. Quindi, se l'America aveva almeno cinque ciclotroni, allora l'Unione Sovietica non ne aveva nessuno (l'unico ciclotrone del Radium Institute of the Academy of Sciences (RIAN), lanciato nel 1937, praticamente non funzionava a causa di difetti di progettazione). L'appello a Molotov conteneva una richiesta di creare le condizioni per il completamento della costruzione del ciclotrone LPTI entro il 1 gennaio 1939. I lavori per la sua creazione, iniziati nel 1937, furono sospesi a causa di incoerenze dipartimentali e della cessazione dei finanziamenti.

Infatti, al momento della stesura della lettera, negli ambienti governativi del Paese c'era un evidente malinteso sull'importanza della ricerca nel campo della fisica atomica. Secondo le memorie di M.G. Meshcheryakov, nel 1938 si parlò addirittura di liquidare l'Istituto del radio, che, secondo alcuni, era impegnato in ricerche non necessarie sull'uranio e sul torio, mentre il paese cercava di aumentare la produzione di carbone e la fusione dell'acciaio.

La lettera a Molotov ebbe effetto e già nel giugno 1938 una commissione dell'Accademia delle scienze dell'URSS, guidata da P.L. Kapitsa, su richiesta del governo, ha concluso sulla necessità di costruire un ciclotrone da 10-20 MeV presso l'LFTI, a seconda del tipo di particelle accelerate, e di migliorare il ciclotrone RIAN.

Nel novembre 1938, S.I. Vavilov, in un appello al Presidium dell'Accademia delle Scienze, propose di costruire il ciclotrone LPTI a Mosca e di trasferire il laboratorio di I.V. all'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze (FIAN) da LPTI. Kurchatova, che è stata coinvolta nella sua creazione. Sergei Ivanovich voleva che il laboratorio centrale per lo studio del nucleo atomico fosse situato nello stesso luogo in cui si trovava l'Accademia delle Scienze, cioè a Mosca. Tuttavia, non è stato supportato alla LPTI. La controversia terminò alla fine del 1939, quando A.F. Ioffe propose di creare tre ciclotroni contemporaneamente. Il 30 luglio 1940, in una riunione del Presidium dell'Accademia delle Scienze dell'URSS, fu deciso di incaricare RIAN di aggiornare quest'anno il ciclotrone esistente, FIAN di preparare i materiali necessari per la costruzione di un nuovo potente ciclotrone entro il 15 ottobre , e LFTI per completare la costruzione del ciclotrone nel primo trimestre del 1941.

In relazione a questa decisione, la FIAN ha creato la cosiddetta squadra del ciclotrone, che comprendeva Vladimir Iosifovich Veksler, Sergei Nikolaevich Vernov, Pavel Alekseevich Cherenkov, Leonid Vasilyevich Groshev e Evgeniy Lvovich Feinberg. Il 26 settembre 1940, l'Ufficio del Dipartimento di Scienze Fisiche e Matematiche (OPMS) ascoltò informazioni da V.I. Wexler sulle specifiche di progettazione del ciclotrone, ne approvò le caratteristiche principali e le stime di costruzione. Il ciclotrone è stato progettato per accelerare i deutoni ad un'energia di 50 MeV. La FIAN prevedeva di iniziare la sua costruzione nel 1941 e di lanciarla nel 1943. I piani furono interrotti dalla guerra.

L'urgente necessità di creare una bomba atomica costrinse l'Unione Sovietica a mobilitare gli sforzi nello studio del micromondo. Due ciclotroni furono costruiti uno dopo l'altro nel Laboratorio n. 2 di Mosca (1944, 1946); a Leningrado, dopo la revoca del blocco, furono ripristinati i ciclotroni del RIAN e dell'LPTI (1946).

Sebbene il progetto del ciclotrone FIAN fosse stato approvato prima della guerra, divenne chiaro che il progetto di Lawrence si era esaurito, poiché l’energia dei protoni accelerati non poteva superare i 20 MeV. È da questa energia che inizia a farsi sentire l'effetto dell'aumento della massa di una particella a velocità commisurate alla velocità della luce, che deriva dalla teoria della relatività di Einstein

A causa dell'aumento di massa, la risonanza tra il passaggio di una particella attraverso lo spazio accelerante e la corrispondente fase del campo elettrico viene interrotta, il che comporta una frenatura.

Va notato che il ciclotrone è progettato per accelerare solo le particelle pesanti (protoni, ioni). Ciò è dovuto al fatto che a causa della massa a riposo troppo piccola, l'elettrone già a energie di 1–3 MeV raggiunge una velocità vicina alla velocità della luce, per cui la sua massa aumenta notevolmente e la particella lascia rapidamente la risonanza .

Il primo acceleratore ciclico di elettroni fu il betatrone, costruito da Kerst nel 1940 su idea di Wideroe. Il betatrone si basa sulla legge di Faraday, secondo la quale, quando cambia il flusso magnetico che penetra in un circuito chiuso, in questo circuito appare una forza elettromotrice. In un betatrone, un circuito chiuso è un flusso di particelle che si muovono su un'orbita circolare in una camera a vuoto di raggio costante in un campo magnetico gradualmente crescente. Quando il flusso magnetico all'interno dell'orbita aumenta, si forma una forza elettromotrice, la cui componente tangenziale accelera gli elettroni. In un betatrone, come un ciclotrone, c'è una limitazione alla produzione di particelle ad altissima energia. Ciò è dovuto al fatto che, secondo le leggi dell'elettrodinamica, gli elettroni che si muovono su orbite circolari emettono onde elettromagnetiche che trasportano molta energia a velocità relativistiche. Per compensare queste perdite è necessario aumentare notevolmente le dimensioni del nucleo magnetico, il che ha un limite pratico.

Pertanto, all’inizio degli anni Quaranta, le possibilità di ottenere energie più elevate sia dai protoni che dagli elettroni erano state esaurite. Per ulteriori ricerche sul micromondo era necessario aumentare l'energia delle particelle accelerate, quindi il compito di trovare nuovi metodi di accelerazione divenne urgente.

Nel febbraio 1944 V.I. Wexler propose un'idea rivoluzionaria su come superare la barriera energetica del ciclotrone e del betatrone. Era così semplice che sembrava strano il motivo per cui non ci fossero arrivati prima. L'idea era che durante l'accelerazione risonante, le frequenze di rotazione delle particelle e il campo di accelerazione dovessero coincidere costantemente, in altre parole, essere sincrone. Quando si accelerano particelle relativistiche pesanti in un ciclotrone, per la sincronizzazione è stato proposto di modificare la frequenza del campo elettrico in accelerazione secondo una certa legge (in seguito tale acceleratore fu chiamato sincrociclotrone).

Per accelerare gli elettroni relativistici, fu proposto un acceleratore, che in seguito fu chiamato sincrotrone. In esso, l'accelerazione viene effettuata da un campo elettrico alternato di frequenza costante e il sincronismo è assicurato da un campo magnetico variabile secondo una determinata legge, che mantiene le particelle in un'orbita di raggio costante.

Per scopi pratici, è stato necessario verificare teoricamente che i processi di accelerazione proposti siano stabili, cioè con piccole deviazioni dalla risonanza, la messa in fase delle particelle avverrà automaticamente. Il fisico teorico del gruppo ciclotrone E.L. Feinberg attirò l'attenzione di Wexler su questo e lui stesso dimostrò rigorosamente matematicamente la stabilità dei processi. Ecco perché l’idea di Wexler fu chiamata “principio di autofasatura”.

Per discutere la soluzione risultante, la FIAN ha tenuto un seminario, durante il quale Wexler ha tenuto una relazione introduttiva e Feinberg ha tenuto una relazione sulla sostenibilità. Il lavoro fu approvato e nello stesso 1944 la rivista "Rapporti dell'Accademia delle scienze dell'URSS" pubblicò due articoli che discutevano di nuovi metodi di accelerazione (il primo articolo trattava di un acceleratore basato su frequenze multiple, in seguito chiamato microtrone). Il loro autore era indicato solo come Wexler e il nome di Feinberg non era affatto menzionato. Ben presto, il ruolo di Feinberg nella scoperta del principio di autofasatura fu immeritatamente consegnato al completo oblio.

Un anno dopo, il principio dell'autofasatura fu scoperto in modo indipendente dal fisico americano E. MacMillan, ma Wexler mantenne la priorità.

Va notato che negli acceleratori basati sul nuovo principio, la "regola della leva finanziaria" si manifestava chiaramente: un aumento di energia comportava una perdita dell'intensità del raggio di particelle accelerate, che è associata alla natura ciclica della loro accelerazione , in contrasto con l'accelerazione graduale dei ciclotroni e dei betatroni. Questo punto spiacevole fu subito sottolineato nella seduta del Dipartimento di Scienze Fisiche e Matematiche del 20 febbraio 1945, ma allo stesso tempo tutti giunsero all'unanimità alla conclusione che questa circostanza non avrebbe dovuto in nessun caso interferire con la realizzazione del progetto. Anche se, a proposito, la lotta per l'intensità successivamente ha costantemente infastidito gli "acceleratori".

Nella stessa sessione, su proposta del presidente dell'Accademia delle scienze dell'URSS S.I. Vavilov, si decise di costruire immediatamente due tipi di acceleratori proposti da Wexler. Il 19 febbraio 1946, il comitato speciale del Consiglio dei commissari del popolo dell'URSS incaricò la commissione competente di sviluppare i loro progetti, indicando la capacità, i tempi di produzione e il luogo di costruzione. (La creazione di un ciclotrone fu abbandonata alla FIAN.)

Di conseguenza, il 13 agosto 1946, furono emanate contemporaneamente due risoluzioni del Consiglio dei ministri dell'URSS, firmate dal presidente del Consiglio dei ministri dell'URSS I.V. Stalin e il direttore degli affari del Consiglio dei ministri dell'URSS Ya.E. Chadaev, per creare un sincrociclotrone con un'energia del deuterone di 250 MeV e un sincrotrone con un'energia di 1 GeV. L’energia degli acceleratori è stata dettata soprattutto dal confronto politico tra USA e URSS. Negli Stati Uniti hanno già creato un sincrociclotrone con un'energia del deuterone di circa 190 MeV e hanno iniziato a costruire un sincrotrone con un'energia di 250-300 MeV. Si supponeva che gli acceleratori nazionali superassero quelli americani in termini energetici.

Il sincrociclotrone era associato alla speranza di scoprire nuovi elementi, nuovi modi di produrre energia atomica da fonti più economiche dell'uranio. Con l'aiuto del sincrotrone, intendevano produrre artificialmente mesoni che, come presumevano allora i fisici sovietici, erano in grado di provocare la fissione nucleare.

Entrambe le risoluzioni sono state emesse con il timbro "Top Secret (cartella speciale)", poiché la costruzione di acceleratori è stata effettuata come parte del progetto per la creazione di una bomba atomica. Con il loro aiuto, speravano di ottenere una teoria accurata delle forze nucleari necessaria per i calcoli delle bombe, che a quel tempo venivano effettuati solo utilizzando un ampio insieme di modelli approssimativi. È vero, tutto si è rivelato non così semplice come si pensava inizialmente, e va notato che tale teoria non è stata creata fino ad oggi.

Le risoluzioni determinarono i cantieri per la costruzione degli acceleratori: il sincrotrone - a Mosca, sull'autostrada Kaluzhskoe (ora Leninsky Prospekt), sul territorio dell'Istituto di fisica Lebedev; sincrociclotrone - nell'area della centrale idroelettrica Ivankovskaya, 125 chilometri a nord di Mosca (all'epoca regione di Kalinin). Inizialmente la realizzazione di entrambi gli acceleratori è stata affidata alla FIAN. V.I. fu nominato capo del lavoro sul sincrotrone. Veksler, e per il sincrociclotrone - D.V. Skobeltsyn.

A sinistra c'è il dottore in scienze tecniche, il professor L.P. Zinoviev (1912–1998), a destra - Accademico dell'Accademia delle scienze dell'URSS V.I. Wexler (1907–1966) durante la creazione del sincrofasotrone

Sei mesi dopo, il capo del progetto nucleare I.V. Kurchatov, insoddisfatto dell'avanzamento dei lavori sul sincrociclotrone Fianov, trasferì questo argomento nel suo Laboratorio n. 2. Nominò M.G. Meshcheryakov, liberato dal lavoro presso il Leningrad Radium Institute. Sotto la guida di Meshcheryakov, il Laboratorio n. 2 ha creato un modello di sincrociclotrone, che ha già confermato sperimentalmente la correttezza del principio di autofasatura. Nel 1947 iniziò la costruzione di un acceleratore nella regione di Kalinin.

Il 14 dicembre 1949, sotto la guida di M.G. Il sincrociclotrone Meshcheryakov fu lanciato con successo nei tempi previsti e divenne il primo acceleratore di questo tipo nell'Unione Sovietica, superando l'energia di un acceleratore simile creato nel 1946 a Berkeley (USA). Rimase un record fino al 1953.

Inizialmente, il laboratorio, basato su un sincrociclotrone, era chiamato per motivi di segretezza Laboratorio idrotecnico dell'Accademia delle scienze dell'URSS (GTL) ed era una filiale del Laboratorio n. 2. Nel 1953 fu trasformato in un Istituto indipendente di problemi nucleari dell'Accademia delle Scienze dell'URSS (INP), guidata da M.G. Meshcheryakov.

Accademico dell'Accademia ucraina delle scienze A.I. Leypunsky (1907–1972), basandosi sul principio dell’autofasatura, propose la progettazione di un acceleratore, in seguito chiamato sincrofasotrone (foto: “Scienza e Vita”)
La creazione di un sincrotrone non è stata possibile per una serie di ragioni. Innanzitutto, a causa di difficoltà impreviste, è stato necessario costruire due sincrotroni a energie più basse: 30 e 250 MeV. Si trovavano sul territorio dell'Istituto di fisica Lebedev e decisero di costruire un sincrotrone da 1 GeV fuori Mosca. Nel giugno 1948 gli fu assegnato un posto a diversi chilometri dal sincrociclotrone già in costruzione nella regione di Kalinin, ma non fu mai costruito neanche lì, poiché fu data preferenza all'acceleratore proposto dall'accademico dell'Accademia ucraina delle scienze Alexander Ilyich Leypunsky. È successo come segue.

Nel 1946, A.I. Leypunsky, basandosi sul principio dell'autofasatura, avanzò l'idea della possibilità di creare un acceleratore che combinasse le caratteristiche di un sincrotrone e di un sincrociclotrone. Successivamente, Wexler chiamò questo tipo di acceleratore sincrofasotrone. Il nome diventa chiaro se si considera che il sincrociclotrone inizialmente veniva chiamato fasotrone e, in combinazione con un sincrotrone, si ottiene un sincrofasotrone. In esso, a seguito dei cambiamenti nel campo magnetico di controllo, le particelle si muovono su un anello, come in un sincrotrone, e l'accelerazione produce un campo elettrico ad alta frequenza, la cui frequenza varia nel tempo, come in un sincrociclotrone. Ciò ha permesso di aumentare significativamente l'energia dei protoni accelerati rispetto al sincrociclotrone. In un sincrofasotrone, i protoni vengono preaccelerati in un acceleratore lineare: un iniettore. Le particelle introdotte nella camera principale iniziano a circolare al suo interno sotto l'influenza di un campo magnetico. Questa modalità è chiamata betatron. Quindi la tensione di accelerazione ad alta frequenza viene attivata sugli elettrodi posizionati in due spazi rettilinei diametralmente opposti.

Di tutti e tre i tipi di acceleratori basati sul principio di autofasatura, il sincrofasotrone è tecnicamente il più complesso, e quindi molti dubitavano della possibilità della sua creazione. Ma Leypunsky, fiducioso che tutto avrebbe funzionato, decise coraggiosamente di realizzare la sua idea.

Nel 1947, nel Laboratorio “B” vicino alla stazione Obninskoye (ora la città di Obninsk), uno speciale gruppo di acceleratori sotto la sua guida iniziò a sviluppare un acceleratore. I primi teorici del sincrofasotrone furono Yu.A. Krutkov, O.D. Kazachkovsky e L.L. Sabsovich. Nel febbraio 1948 si tenne una conferenza chiusa sugli acceleratori alla quale, oltre ai ministri, parteciparono A.L. Mints, già all'epoca un noto specialista in ingegneria radiofonica, e gli ingegneri capo della Leningrado Elektrosila e degli impianti di trasformazione. Tutti hanno affermato che l'acceleratore proposto da Leypunsky potrebbe essere realizzato. I primi risultati teorici incoraggianti e il supporto di ingegneri delle principali fabbriche hanno permesso di iniziare a lavorare su un progetto tecnico specifico per un grande acceleratore con un'energia protonica di 1,3-1,5 GeV e di iniziare un lavoro sperimentale che ha confermato la correttezza dell'idea di Leipunsky. Nel dicembre 1948, il progetto tecnico dell'acceleratore era pronto e nel marzo 1949 Leypunsky avrebbe dovuto presentare un progetto preliminare di un sincrofasotrone da 10 GeV.

E improvvisamente nel 1949, nel bel mezzo dei lavori, il governo decise di trasferire il lavoro sul sincrofasotrone all'Istituto di fisica Lebedev. Per quello? Perché? Dopotutto, la FIAN sta già creando un sincrotrone da 1 GeV! Sì, il nocciolo della questione è che entrambi i progetti, il sincrotrone da 1,5 GeV e quello da 1 GeV, erano troppo costosi e si è posta la questione della loro fattibilità. Alla fine il problema è stato risolto in uno degli incontri speciali della FIAN, dove si sono riuniti i principali fisici del paese. Considerarono non necessario costruire un sincrotrone da 1 GeV a causa dello scarso interesse per l'accelerazione degli elettroni. Il principale oppositore di questa posizione era M.A. Markov. La sua argomentazione principale era che è molto più efficace studiare sia i protoni che le forze nucleari utilizzando l'interazione elettromagnetica già ben studiata. Tuttavia, non è riuscito a difendere il suo punto di vista e la decisione positiva si è rivelata a favore del progetto di Leipunsky.

Ecco come appare un sincrofasotrone da 10 GeV a Dubna

Il sogno accarezzato da Wexler di costruire il più grande acceleratore si stava sgretolando. Non volendo sopportare la situazione attuale, lui, con il sostegno di S.I. Vavilova e D.V. Skobeltsyna propose di abbandonare la costruzione di un sincrofasotrone da 1,5 GeV e di iniziare a progettare un acceleratore da 10 GeV, precedentemente affidato ad A.I. Leypunsky. Il governo accettò questa proposta, poiché nell'aprile 1948 venne a conoscenza del progetto del sincrofasotrone da 6-7 GeV presso l'Università della California e volevano essere almeno per un po' avanti rispetto agli Stati Uniti.

Il 2 maggio 1949, il Consiglio dei ministri dell'URSS emanò un decreto sulla creazione di un sincrofasotrone con un'energia di 7-10 GeV sul territorio precedentemente assegnato al sincrotrone. L'argomento fu trasferito all'Istituto fisico Lebedev e V.I. Wexler, anche se Leypunsky se la stava cavando abbastanza bene.

Ciò può essere spiegato, in primo luogo, dal fatto che Wexler era considerato l'autore del principio di autofasatura e, secondo i ricordi dei contemporanei, L.P. gli era molto favorevole. Beria. In secondo luogo, S.I. Vavilov a quel tempo non era solo il direttore della FIAN, ma anche il presidente dell'Accademia delle scienze dell'URSS. A Leypunsky fu offerto di diventare il vice di Wexler, ma rifiutò e in futuro non partecipò alla creazione del sincrofasotrone. Secondo il vice Leypunsky O.D. Kazachkovsky, "era chiaro che due orsi non sarebbero andati d'accordo nella stessa tana". Successivamente l'A.I. Leypunsky e O.D. Kazachkovsky divenne uno dei maggiori esperti di reattori e nel 1960 ricevette il Premio Lenin.

La risoluzione includeva una clausola sul trasferimento al lavoro presso l'Istituto di Fisica Lebedev del Laboratorio “B” dei dipendenti coinvolti nello sviluppo dell'acceleratore, con il trasferimento delle relative attrezzature. E c'era qualcosa da trasmettere: il lavoro sull'acceleratore nel Laboratorio “B” era ormai stato portato alla fase di modello e giustificazione delle decisioni principali.

Non tutti erano entusiasti del trasferimento alla FIAN, poiché era facile e interessante lavorare con Leypunsky: non era solo un eccellente supervisore scientifico, ma anche una persona meravigliosa. Tuttavia, era quasi impossibile rifiutare il trasferimento: in quel momento difficile, il rifiuto minacciava processi e campi.

Il gruppo trasferito dal Laboratorio “B” comprendeva l'ingegnere Leonid Petrovich Zinoviev. Lui, come altri membri del gruppo acceleratore, nel laboratorio di Leypunsky ha lavorato per la prima volta allo sviluppo dei singoli componenti necessari per il modello del futuro acceleratore, in particolare la sorgente ionica e i circuiti a impulsi ad alta tensione per alimentare l'iniettore. Leypunsky attirò immediatamente l'attenzione sull'ingegnere competente e creativo. Su sue istruzioni, Zinoviev fu il primo a essere coinvolto nella creazione di un'installazione pilota in cui si potesse simulare l'intero processo di accelerazione dei protoni. Allora nessuno avrebbe potuto immaginare che, essendo diventato uno dei pionieri nel dare vita all'idea di un sincrofasotrone, Zinoviev sarebbe stato l'unica persona che avrebbe attraversato tutte le fasi della sua creazione e miglioramento. E non solo passerà, ma li guiderà.

I risultati teorici e sperimentali ottenuti nel Laboratorio “B” sono stati utilizzati presso l'Istituto di Fisica Lebedev durante la progettazione di un sincrofasotrone da 10 GeV. Tuttavia, aumentare l’energia dell’acceleratore a questo valore ha richiesto modifiche significative. Le difficoltà della sua creazione furono notevolmente aggravate dal fatto che a quel tempo non esisteva esperienza nella costruzione di installazioni così grandi in tutto il mondo.

Sotto la guida dei teorici M.S. Rabinovich e A.A. Kolomensky della FIAN ha fornito una dimostrazione fisica del progetto tecnico. I componenti principali del sincrofasotrone sono stati sviluppati dall'Istituto radiotecnico dell'Accademia delle scienze di Mosca e dall'Istituto di ricerca di Leningrado sotto la guida dei loro direttori A.L. Mentine ed E.G. Zanzara.

Per ottenere l'esperienza necessaria, abbiamo deciso di costruire un modello di sincrofasotrone con un'energia di 180 MeV. Si trovava sul territorio dell'Istituto fisico Lebedev in un edificio speciale, che, per motivi di segretezza, era chiamato magazzino n. 2. All'inizio del 1951, Wexler affidò tutto il lavoro sul modello, compresa l'installazione dell'attrezzatura, la regolazione e il suo lancio globale, a Zinoviev.

Il modello Fianov non era affatto piccolo: il suo magnete con un diametro di 4 metri pesava 290 tonnellate. Successivamente, Zinoviev ha ricordato che quando hanno assemblato il modello secondo i primi calcoli e hanno provato a lanciarlo, all'inizio non ha funzionato. Prima del lancio del modello è stato necessario superare molte difficoltà tecniche impreviste. Quando ciò accadde nel 1953, Wexler disse: “Questo è tutto! Il sincrofasotrone Ivankovsky funzionerà!” Si trattava di un grande sincrofasotrone da 10 GeV, la cui costruzione era già iniziata nel 1951 nella regione di Kalinin. La costruzione è stata effettuata da un'organizzazione denominata in codice TDS-533 (Direzione tecnica delle costruzioni 533).

Poco prima del lancio del modello, in una rivista americana è apparso inaspettatamente un messaggio su un nuovo design del sistema magnetico dell'acceleratore, chiamato hard-focusing. Viene eseguito sotto forma di una serie di sezioni alternate con gradienti di campo magnetico diretti in modo opposto. Ciò riduce significativamente l'ampiezza delle oscillazioni delle particelle accelerate, il che a sua volta consente di ridurre significativamente la sezione trasversale della camera a vuoto. Di conseguenza, viene risparmiata una grande quantità di ferro utilizzato per la costruzione del magnete. Ad esempio, l'acceleratore da 30 GeV di Ginevra, basato sull'hard Focusing, ha tre volte l'energia e tre volte la circonferenza del sincrofasotrone di Dubna, e il suo magnete è dieci volte più leggero.

Il design dei magneti a focalizzazione dura fu proposto e sviluppato dagli scienziati americani Courant, Livingston e Snyder nel 1952. Qualche anno prima di loro, Christofilos ebbe la stessa idea, ma non la pubblicò.

Zinoviev apprezzò subito la scoperta americana e propose di riprogettare il sincrofasotrone di Dubna. Ma ciò comporterebbe un sacrificio di tempo. Wexler allora disse: “No, almeno per un giorno, ma dobbiamo essere davanti agli americani”. Probabilmente, nelle condizioni della Guerra Fredda, aveva ragione: “non si cambiano i cavalli in mezzo alla corrente”. E hanno continuato a costruire il grande acceleratore secondo il progetto precedentemente sviluppato. Nel 1953, sulla base del sincrofasotrone in costruzione, fu creato il Laboratorio Elettrofisico dell'Accademia delle Scienze dell'URSS (EFLAN). V.I. ne fu nominato direttore. Wexler.

Nel 1956, INP ed EFLAN costituirono la base del consolidato Istituto congiunto per la ricerca nucleare (JINR). La sua posizione divenne nota come la città di Dubna. A quel punto, l'energia del protone sul sincrociclotrone era di 680 MeV e la costruzione del sincrofasotrone era in fase di completamento. Fin dai primi giorni della formazione del JINR, il suo simbolo ufficiale è diventato il disegno stilizzato dell'edificio del sincrofasotrone (di V.P. Bochkarev).

Il modello ha contribuito a risolvere una serie di problemi relativi all’acceleratore da 10 GeV, ma la progettazione di molti nodi ha subito modifiche significative a causa della grande differenza di dimensioni. Il diametro medio dell'elettromagnete sincrofasotrone era di 60 metri e il peso era di 36mila tonnellate (secondo i suoi parametri, rimane ancora nel Guinness dei primati). Sono emersi tutta una serie di nuovi problemi ingegneristici complessi, che il team ha risolto con successo.

Finalmente tutto era pronto per il lancio completo dell’acceleratore. Per ordine di Wexler, fu guidato da L.P. Zinoviev. I lavori iniziarono alla fine di dicembre 1956, la situazione era tesa e Vladimir Iosifovich non risparmiò né se stesso né i suoi dipendenti. Spesso passavamo la notte in branda proprio nell’enorme sala di controllo dell’installazione. Secondo le memorie di A.A. Kolomensky, Wexler spese gran parte della sua inesauribile energia di allora per “estorsione” di aiuto da organizzazioni esterne e per l’attuazione di proposte sensate, che in gran parte provenivano da Zinoviev. Wexler apprezzava molto la sua intuizione sperimentale, che giocò un ruolo decisivo nel lancio del gigantesco acceleratore.

Per molto tempo non sono riusciti a ottenere la modalità Betatron, senza la quale il lancio è impossibile. E fu Zinoviev che, in un momento cruciale, capì cosa bisognava fare per dare vita al sincrofasotrone. L’esperimento, preparato per due settimane, è stato finalmente coronato dal successo, con gioia di tutti. Il 15 marzo 1957 il sincrofasotrone di Dubna iniziò a funzionare, come riferì al mondo intero il quotidiano Pravda l'11 aprile 1957 (articolo di V.I. Veksler). È interessante notare che questa notizia apparve solo quando l'energia dell'acceleratore, gradualmente aumentata dal giorno del lancio, superò l'energia di 6,3 GeV dell'allora principale sincrofasotrone americano a Berkeley. “Ci sono 8,3 miliardi di elettronvolt!” - ha riferito il giornale, annunciando che in Unione Sovietica è stato creato un acceleratore record. Il caro sogno di Wexler è diventato realtà!

Il 16 aprile l'energia dei protoni raggiunse il valore di progetto di 10 GeV, ma l'acceleratore fu messo in funzione solo pochi mesi dopo, poiché c'erano ancora parecchi problemi tecnici irrisolti. Eppure la cosa principale era ormai alle nostre spalle: il sincrofasotrone ha iniziato a funzionare.

Wexler lo riferì alla seconda sessione del Consiglio accademico del Joint Institute nel maggio 1957. Allo stesso tempo, il direttore dell'istituto D.I. Blokhintsev ha osservato che, in primo luogo, il modello del sincrofasotrone è stato creato in un anno e mezzo, mentre in America ci sono voluti circa due anni. In secondo luogo, il sincrofasotrone stesso è stato lanciato in tre mesi, nei tempi previsti, anche se all'inizio sembrava irrealistico. Fu il lancio del sincrofasotrone a portare a Dubna la sua prima fama mondiale.

Nella terza sessione del consiglio scientifico dell'istituto, membro corrispondente dell'Accademia delle Scienze V.P. Dzhelepov ha osservato che "Zinoviev era sotto tutti gli aspetti l'anima della startup e ha contribuito con una quantità colossale di energia e impegno a questa questione, vale a dire lo sforzo creativo durante la configurazione della macchina". Un D.I. Blokhintsev ha aggiunto che “Zinoviev in realtà ha sostenuto l’enorme lavoro di un complesso aggiustamento”.

Migliaia di persone sono state coinvolte nella creazione del sincrofasotrone, ma Leonid Petrovich Zinoviev ha svolto un ruolo speciale in questo. Veksler ha scritto: “Il successo del lancio del sincrofasotrone e la possibilità di avviare un'ampia gamma di lavori fisici su di esso sono in gran parte associati alla partecipazione di L.P. a questi lavori. Zinoviev."

Zinoviev prevedeva di tornare alla FIAN dopo il lancio dell'acceleratore. Tuttavia, Wexler lo pregò di restare, credendo di non poter affidare a nessun altro la gestione del sincrofasotrone. Zinoviev ha concordato e supervisionato il lavoro dell'acceleratore per più di trent'anni. Sotto la sua guida e partecipazione diretta, l'acceleratore è stato costantemente migliorato. Zinoviev amava il sincrofasotrone e sentiva molto sottilmente il respiro di questo gigante di ferro. Secondo lui non c'era una sola parte, anche la più piccola, dell'acceleratore che non avesse toccato e di cui non conoscesse lo scopo.

Nell'ottobre del 1957, in una riunione allargata del consiglio scientifico dell'Istituto Kurchatov, presieduto dallo stesso Igor Vasilyevich, diciassette persone provenienti da varie organizzazioni che parteciparono alla creazione del sincrofasotrone furono nominate per il più prestigioso Premio Lenin dell'Unione Sovietica. tempo. Ma secondo le condizioni, il numero dei vincitori non poteva superare le dodici persone. Nell'aprile 1959, il premio fu assegnato al direttore del Laboratorio di Alta Energia JINR V.I. Veksler, capo dipartimento dello stesso laboratorio L.P. Zinoviev, vice capo della direzione principale per l'uso dell'energia atomica presso il Consiglio dei ministri dell'URSS D.V. Efremov, direttore dell'Istituto di ricerca di Leningrado E.G. Komar e i suoi collaboratori N.A. Monoszon, A.M. Stolov, direttore dell'Istituto di ingegneria radiofonica di Mosca dell'Accademia delle scienze dell'URSS A.L. Zecche, dipendenti dello stesso istituto F.A. Vodopyanov, S.M. Rubchinsky, dipendenti della FIAN A.A. Kolomensky, V.A. Petuchov, M.S. Rabinovich. Veksler e Zinoviev divennero cittadini onorari di Dubna.

Il sincrofasotrone rimase in servizio per quarantacinque anni. Durante questo periodo furono fatte numerose scoperte su di esso. Nel 1960, il modello del sincrofasotrone fu convertito in un acceleratore di elettroni, tuttora operativo presso l'Istituto di fisica Lebedev.

fonti

Letteratura:
Kolomensky A. A., Lebedev A. N. Teoria degli acceleratori ciclici. - M., 1962.
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Livingood J. Principi di funzionamento degli acceleratori ciclici - M., 1963.
Oganesyan Yu Come è stato creato il ciclotrone / Scienza e vita, 1980 n. 4, p. 73.
Hill R. Seguendo le tracce delle particelle - M., 1963.

http://elementy.ru/lib/430461?page_design=print

http://www.afizika.ru/zanimatelniestati/172-ktopridumalsihrofazatron

http://theor.jinr.ru/~spin2012/talks/plenary/Kekelidze.pdf

http://fodeka.ru/blog/?p=1099

http://www.larisa-zinovyeva.com

E ti ricorderò alcune altre impostazioni: ad esempio, e come appare. Ricorda anche cosa. O forse non lo sai? o cos'è L'articolo originale è sul sito InfoGlaz.rf Link all'articolo da cui è stata realizzata questa copia -

Nel 1957, l'URSS fece una svolta scientifica e tecnica in diversi settori: lanciò con successo un satellite artificiale terrestre e, pochi mesi prima di questo evento, il sincrofasotrone iniziò a funzionare a Dubna. Che cos'è e perché è necessaria un'installazione del genere? Questa questione preoccupava non solo i cittadini dell'URSS in quel momento, ma il mondo intero. Naturalmente la comunità scientifica capì di cosa si trattava, ma i cittadini comuni rimasero perplessi quando sentirono questa parola. Ancora oggi, la maggior parte delle persone non comprende l'essenza e il principio del sincrofasotrone, sebbene abbiano sentito questa parola più di una volta. Scopriamo cos'è questo dispositivo e a cosa serve.

A cosa serve un sincrofasotrone?

Questa installazione è stata sviluppata per studiare il microcosmo e comprendere la struttura delle particelle elementari e le leggi della loro interazione tra loro. Il metodo di conoscenza stesso era estremamente semplice: rompere una particella e vedere cosa c'è dentro. Ma come si può rompere un protone? A questo scopo è stato creato un sincrofasotrone che accelera le particelle e le colpisce su un bersaglio. Quest'ultimo può essere stazionario, ma nel moderno Large Hadron Collider (che è una versione migliorata del buon vecchio sincrofasotrone) il bersaglio si muove. Lì fasci di protoni si muovono l'uno verso l'altro a grande velocità e si colpiscono a vicenda.

Si credeva che questa installazione avrebbe consentito una svolta scientifica, la scoperta di nuovi elementi e metodi per produrre energia atomica da fonti economiche che sarebbero stati più efficienti dell'uranio arricchito e sarebbero stati più sicuri e meno dannosi per l'ambiente.

Scopi militari

Naturalmente furono perseguiti anche obiettivi militari. La creazione dell’energia atomica per scopi pacifici è solo una scusa per gli ingenui. Non per niente il progetto del sincrofasotrone è stato classificato come "Top Secret", perché la costruzione di questo acceleratore è stata effettuata come parte del progetto per creare una nuova bomba atomica. Con il suo aiuto, volevano ottenere una teoria migliorata delle forze nucleari, necessaria per il calcolo e la creazione di una bomba. È vero, tutto si è rivelato molto più complicato, e anche oggi questa teoria manca.

Cos'è un sincrofasotrone in parole semplici?

In sintesi, questa installazione è un acceleratore di particelle elementari, protoni in particolare. Il sincrofasotrone è costituito da un tubo ad anello non magnetico con un vuoto all'interno e da potenti elettromagneti. In alternativa, i magneti si accendono, guidando le particelle cariche all'interno del tubo a vuoto. Quando raggiungono la massima velocità con l'aiuto degli acceleratori, vengono inviati verso un bersaglio speciale. I protoni lo colpiscono, rompono il bersaglio stesso e si rompono. I frammenti volano in direzioni diverse e lasciano segni nella camera a bolle. Utilizzando queste tracce, un gruppo di scienziati ne analizza la natura.

Questo era il caso prima, ma le installazioni moderne (come il Large Hadron Collider) utilizzano rilevatori più moderni invece di una camera a bolle, che forniscono maggiori informazioni sui frammenti di protoni.

L'installazione stessa è piuttosto complessa e high-tech. Possiamo dire che il sincrofasotrone è un “lontano parente” del moderno Large Hadron Collider. In effetti, può essere definito un analogo di un microscopio. Entrambi questi dispositivi sono destinati allo studio del micromondo, ma il principio di studio è diverso.

Maggiori informazioni sul dispositivo

Quindi sappiamo già cos'è un sincrofasotrone e anche che qui le particelle vengono accelerate a velocità enormi. A quanto pare, per accelerare i protoni a velocità enormi, è necessario creare una differenza potenziale di centinaia di miliardi di volt. Sfortunatamente, l’umanità non è in grado di farlo, quindi ha avuto l’idea di accelerare gradualmente le particelle.

Nell'installazione, le particelle si muovono in cerchio e ad ogni giro vengono alimentate con energia, ricevendo accelerazione. E sebbene tale rifornimento sia piccolo, in milioni di rivoluzioni puoi ottenere l'energia necessaria.

Il funzionamento del sincrofasotrone si basa proprio su questo principio. Le particelle elementari accelerate a piccoli valori vengono lanciate in un tunnel dove si trovano i magneti. Creano un campo magnetico perpendicolare all'anello. Molte persone credono erroneamente che questi magneti accelerino le particelle, ma in realtà non è così. Cambiano solo la loro traiettoria, costringendoli a muoversi in cerchio, ma non li accelerano. L'accelerazione stessa avviene a determinati intervalli di accelerazione.

Accelerazione delle particelle

Un tale periodo di accelerazione è un condensatore a cui viene applicata tensione ad alta frequenza. A proposito, questa è la base dell'intera operazione di questa installazione. Un raggio di protoni vola in questo condensatore nel momento in cui la tensione al suo interno è zero. Mentre le particelle volano attraverso il condensatore, la tensione ha il tempo di aumentare, accelerando le particelle. Nel cerchio successivo, ciò si ripete, poiché la frequenza della tensione alternata è appositamente selezionata uguale alla frequenza della circolazione delle particelle attorno all'anello. Di conseguenza, i protoni vengono accelerati in modo sincrono e in fase. Da qui il nome: sincrofasotrone.

A proposito, questo metodo di accelerazione ha un certo effetto benefico. Se all'improvviso un raggio di protoni vola più velocemente della velocità richiesta, vola nello spazio di accelerazione con un valore di tensione negativo, motivo per cui rallenta leggermente. Se la velocità di movimento è inferiore, l'effetto sarà l'opposto: la particella riceve accelerazione e raggiunge il gruppo principale di protoni. Di conseguenza, un fascio di particelle denso e compatto si muove alla stessa velocità.

I problemi

Idealmente, le particelle dovrebbero essere accelerate alla massima velocità possibile. E se i protoni si muovono sempre più velocemente su ogni cerchio, allora perché non possono essere accelerati alla massima velocità possibile? Ci sono diversi motivi.

Innanzitutto, un aumento di energia implica un aumento della massa delle particelle. Sfortunatamente, le leggi relativistiche non consentono di accelerare alcun elemento al di sopra della velocità della luce. Nel sincrofasotrone la velocità dei protoni raggiunge quasi la velocità della luce, il che aumenta notevolmente la loro massa. Di conseguenza, diventa difficile mantenerli in un'orbita circolare di raggio. È noto fin dai tempi della scuola che il raggio di movimento delle particelle in un campo magnetico è inversamente proporzionale alla massa e direttamente proporzionale all'intensità del campo. E poiché la massa delle particelle aumenta, il raggio deve essere aumentato e il campo magnetico reso più forte. Queste condizioni creano limitazioni nell’attuazione delle condizioni per la ricerca, poiché le tecnologie sono limitate anche oggi. Finora non è stato possibile creare un campo con un'induzione superiore a diversi Tesla. Ecco perché costruiscono tunnel di grande lunghezza, perché con un ampio raggio, le particelle pesanti possono essere trattenute in un campo magnetico a velocità enorme.

Il secondo problema è il movimento con accelerazione in un cerchio. È noto che una carica che si muove ad una certa velocità emette energia, cioè la perde. Di conseguenza, le particelle perdono costantemente energia durante l'accelerazione e maggiore è la loro velocità, maggiore è l'energia che spendono. Ad un certo punto, si verifica un equilibrio tra l'energia ricevuta nella sezione di accelerazione e la perdita della stessa quantità di energia per giro.

Ricerche effettuate al sincrofasotrone

Ora capiamo quale principio è alla base del funzionamento del sincrofasotrone. Ha permesso di fare numerosi studi e scoperte. In particolare, gli scienziati sono stati in grado di studiare le proprietà dei deutoni accelerati, il comportamento della struttura quantistica dei nuclei, l'interazione degli ioni pesanti con i bersagli e anche sviluppare una tecnologia per il riciclaggio dell'uranio-238.

Applicazione dei risultati dei test

I risultati ottenuti in questi ambiti vengono oggi utilizzati nella costruzione di astronavi, nella progettazione di centrali nucleari, nonché nello sviluppo di attrezzature speciali e robotica. Da tutto ciò ne consegue che il sincrofasotrone è un dispositivo il cui contributo alla scienza è difficile da sopravvalutare.

Conclusione

Per 50 anni tali installazioni sono servite a beneficio della scienza e sono utilizzate attivamente dagli scienziati di tutto il pianeta. Il sincrofasotrone creato in precedenza e installazioni simili (sono stati creati non solo in URSS) sono solo un anello della catena dell'evoluzione. Oggi compaiono dispositivi più avanzati: i nucleotroni, che hanno un'energia enorme.

Uno dei dispositivi più avanzati è il Large Hadron Collider. Contrariamente all'azione del sincrofasotrone, fa collidere due fasci di particelle in direzioni opposte, per cui l'energia rilasciata dalla collisione è molte volte superiore all'energia del sincrofasotrone. Ciò apre opportunità per uno studio più accurato delle particelle elementari.

Forse ora dovresti capire cos'è un sincrofasotrone e perché è necessario. Questa installazione ci ha permesso di fare numerose scoperte. Oggi è stato trasformato in un acceleratore di elettroni e attualmente funziona presso l'Istituto di fisica Lebedev.

Arriviamo quindi alla cosa più importante, alla persona che in quegli anni ha dato un contributo significativo allo sviluppo della fisica nel nostro paese: Vladimir Iosifovich Veksler. Questo fisico eccezionale sarà discusso ulteriormente.

V. I. Veksler è nato in Ucraina nella città di Zhitomir il 3 marzo 1907. Suo padre morì nella prima guerra mondiale.

Nel 1921, durante un periodo di grave carestia e devastazione, con grandi difficoltà e senza soldi, Volodya Veksler si ritrovò nell'affamata Mosca pre-NEP. L'adolescente si ritrova in una casa comune con sede a Khamovniki, in un antico palazzo abbandonato dai proprietari.

Wexler si distingueva per il suo interesse per la fisica e l'ingegneria radio pratica; lui stesso assemblò un ricevitore radio rilevatore, che in quegli anni era un compito insolitamente difficile, leggeva molto e studiava bene a scuola.
Dopo aver lasciato la comune, Wexler mantenne molte delle opinioni e delle abitudini che aveva coltivato.
Notiamo che la generazione a cui apparteneva Vladimir Iosifovich, la stragrande maggioranza trattava gli aspetti quotidiani della propria vita con completo disprezzo, ma era fanaticamente interessata ai problemi scientifici, professionali e sociali.

Wexler, insieme ad altri comunardi, si diplomò al liceo di nove anni e, insieme a tutti i diplomati, entrò nella produzione come operaio, dove lavorò come elettricista per più di due anni.
La sua sete di conoscenza, l'amore per i libri e la rara intelligenza furono notati e alla fine degli anni '20 il giovane ricevette un "biglietto Komsomol" per l'istituto.
Quando Vladimir Iosifovich si laureò al college, fu effettuata un'altra riorganizzazione degli istituti di istruzione superiore e i loro nomi furono cambiati. Si è scoperto che Wexler è entrato all'Istituto Plekhanov di economia nazionale, si è laureato all'MPEI (Istituto per l'energia di Mosca) e ha ricevuto una qualifica di ingegnere con una specializzazione in tecnologia a raggi X.
Nello stesso anno entrò nel laboratorio di analisi della diffrazione dei raggi X dell'Istituto Elettrotecnico All-Union di Lefortovo, dove Vladimir Iosifovich iniziò il suo lavoro costruendo strumenti di misura e studiando metodi per misurare le radiazioni ionizzanti, ad es. flussi di particelle cariche.

Wexler ha lavorato in questo laboratorio per 6 anni, passando rapidamente da assistente di laboratorio a manager. Qui è già apparsa la caratteristica "calligrafia" di Wexler come talentuoso scienziato sperimentale. Il suo allievo, il professor M. S. Rabinovich, scrisse successivamente nelle sue memorie su Wexler: “Per quasi 20 anni lui stesso ha assemblato e installato varie installazioni da lui inventate, senza mai rifuggire da nessun lavoro. Ciò gli ha permesso di vedere non solo la facciata, non solo la sua ideologia lato, ma anche tutto ciò che si nasconde dietro i risultati finali, dietro l'accuratezza delle misurazioni, dietro i mobili lucenti delle installazioni. Ha studiato e reimparato per tutta la vita fino agli ultimissimi anni della sua vita, la sera, in vacanza, lui studiato attentamente e preso appunti su lavori teorici."

Nel settembre 1937, Wexler si trasferì dall'Istituto elettrotecnico dell'Unione all'Istituto di fisica dell'Accademia delle scienze dell'URSS intitolato a P. N. Lebedev (FIAN). Questo è stato un evento importante nella vita dello scienziato.

A questo punto, Vladimir Iosifovich aveva già difeso la sua tesi di dottorato, il cui argomento era la progettazione e l'applicazione degli "amplificatori proporzionali" da lui progettati.

Alla FIAN, Wexler iniziò a studiare i raggi cosmici. A differenza di A.I. Alikhanov e dei suoi colleghi, che amavano il pittoresco Monte Aragats in Armenia, Wexler partecipò a spedizioni scientifiche sull'Elbrus e poi, più tardi, sul Pamir, il Tetto del Mondo. I fisici di tutto il mondo hanno studiato flussi di particelle cariche ad alta energia che non potevano essere ottenuti nei laboratori terrestri. I ricercatori si sono avvicinati ai misteriosi flussi di radiazioni cosmiche.

Anche adesso, i raggi cosmici occupano un posto importante nell'arsenale di astrofisici e specialisti in fisica delle alte energie, e vengono avanzate teorie estremamente interessanti sulla loro origine. Allo stesso tempo, era semplicemente impossibile ottenere particelle con tale energia per lo studio, e per i fisici era semplicemente necessario studiare la loro interazione con campi e altre particelle. Già negli anni Trenta, molti scienziati atomici avevano un pensiero: quanto sarebbe stato bello ottenere particelle di energie "cosmiche" così elevate in laboratorio utilizzando strumenti affidabili per studiare le particelle subatomiche, il cui metodo di studio era uno: il bombardamento (come loro in senso figurato si diceva e si dice raramente adesso) alcune particelle da altre. Rutherford scoprì l'esistenza del nucleo atomico bombardando gli atomi con potenti proiettili: particelle alfa. Le reazioni nucleari sono state scoperte utilizzando lo stesso metodo. Per trasformare un elemento chimico in un altro era necessario modificare la composizione del nucleo. Ciò è stato ottenuto bombardando i nuclei con particelle alfa e ora con particelle accelerate in potenti acceleratori.

Dopo l'invasione della Germania nazista, molti fisici furono immediatamente coinvolti in lavori di importanza militare. Wexler interruppe lo studio dei raggi cosmici e iniziò a progettare e migliorare le apparecchiature radio per le esigenze del fronte.

In questo momento, l'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze, come alcuni altri istituti accademici, fu evacuato a Kazan. Solo nel 1944 fu possibile organizzare una spedizione nel Pamir da Kazan, dove il gruppo di Wexler poté continuare le ricerche iniziate nel Caucaso sui raggi cosmici e sui processi nucleari causati da particelle ad alta energia. Senza considerare in dettaglio il contributo di Wexler allo studio dei processi nucleari associati ai raggi cosmici, a cui sono stati dedicati molti anni del suo lavoro, possiamo dire che è stato molto significativo e ha dato molti risultati importanti. Ma forse la cosa più importante è che il suo studio sui raggi cosmici lo ha portato a idee completamente nuove sull’accelerazione delle particelle. In montagna, Wexler ebbe l’idea di costruire acceleratori di particelle cariche per creare i propri “raggi cosmici”.

Dal 1944, V. I. Veksler si trasferì in una nuova area, che occupò il posto principale nel suo lavoro scientifico. Da quel momento, il nome di Wexler è stato per sempre associato alla creazione di grandi acceleratori "autofasanti" e allo sviluppo di nuovi metodi di accelerazione.

Tuttavia, non perse interesse per i raggi cosmici e continuò a lavorare in questo settore. Wexler partecipò a spedizioni scientifiche in alta montagna sul Pamir nel periodo 1946-1947. Particelle di energie incredibilmente elevate inaccessibili agli acceleratori vengono rilevate nei raggi cosmici. Era chiaro a Wexler che l’“acceleratore naturale” di particelle fino a energie così elevate non può essere paragonato alla “creazione delle mani umane”.

Wexler propose una via d’uscita da questa impasse nel 1944. L'autore ha definito autofasatura il nuovo principio con cui operavano gli acceleratori di Wechsler.

A questo punto era stato creato un acceleratore di particelle cariche del tipo “ciclotrone” (Wechsler, in un popolare articolo di giornale, spiegò il principio di funzionamento del ciclotrone come segue: “In questo dispositivo, una particella carica, che si muove in un campo magnetico a spirale, è continuamente accelerato da un campo elettrico alternato. Grazie a questo è possibile comunicare al ciclotrone particelle con un'energia di 10-20 milioni di elettronvolt). Ma divenne chiaro che la soglia dei 20 MeV non poteva essere superata utilizzando questo metodo.

In un ciclotrone, il campo magnetico cambia ciclicamente, accelerando le particelle cariche. Ma nel processo di accelerazione, la massa delle particelle aumenta (come dovrebbe essere secondo SRT, la teoria della relatività speciale). Ciò porta a un'interruzione del processo: dopo un certo numero di giri, il campo magnetico, invece di accelerare, inizia a rallentare le particelle.

Wexler propone di iniziare ad aumentare lentamente nel tempo il campo magnetico nel ciclotrone, alimentando il magnete con corrente alternata. Si scopre allora che, in media, la frequenza di rotazione delle particelle in un cerchio si manterrà automaticamente uguale alla frequenza del campo elettrico applicato ai dee (una coppia di sistemi magnetici che piegano il percorso e accelerano le particelle con un campo magnetico).

Ad ogni passaggio attraverso la fenditura dei dischi, le particelle hanno e ricevono inoltre un diverso aumento di massa (e, di conseguenza, ricevono un diverso incremento del raggio lungo il quale le fa girare il campo magnetico) a seconda della tensione di campo tra i dischi. al momento dell'accelerazione di una data particella. Tra tutte le particelle si possono distinguere le particelle di equilibrio (“fortunate”). Per queste particelle il meccanismo che mantiene automaticamente la costanza del periodo orbitale è particolarmente semplice.

Le particelle “fortunate” sperimentano un aumento di massa e un aumento del raggio del cerchio ogni volta che passano attraverso la fessura del dee. Compensa con precisione la diminuzione del raggio causata dall'incremento del campo magnetico durante un giro. Di conseguenza, le particelle “fortunate” (di equilibrio) possono essere accelerate in modo risonante finché il campo magnetico aumenta.

Si è scoperto che quasi tutte le altre particelle hanno la stessa capacità, solo l'accelerazione dura più a lungo. Durante il processo di accelerazione, tutte le particelle subiranno oscillazioni attorno al raggio orbitale delle particelle in equilibrio. L'energia delle particelle in media sarà uguale all'energia delle particelle di equilibrio. Quindi, quasi tutte le particelle partecipano all'accelerazione risonante.

Se, invece di aumentare lentamente nel tempo il campo magnetico nell'acceleratore (ciclotrone), alimentando il magnete con corrente alternata, aumentiamo il periodo del campo elettrico alternato applicato ai dee, allora verrà stabilita la modalità “autofasatura”.

"Può sembrare che affinché avvenga l'autofasatura e si verifichi l'accelerazione risonante, sia necessario modificare nel tempo il campo magnetico o il periodo elettrico. In realtà, non è così. Forse il concetto più semplice (ma tutt'altro che semplice nell'implementazione pratica) il metodo di accelerazione, stabilito dall'autore prima di altri metodi, può essere implementato con un campo magnetico costante nel tempo e una frequenza costante."

Nel 1955, quando Wexler scrisse la sua brochure sugli acceleratori, questo principio, come sottolineò l'autore, costituì la base di un acceleratore - un microtrone - un acceleratore che richiede potenti sorgenti di microonde. Secondo Wexler il microtrone “non si è ancora diffuso (1955), tuttavia da diversi anni funzionano diversi acceleratori di elettroni con energie fino a 4 MeV”.

Wexler fu un brillante divulgatore della fisica, ma sfortunatamente, a causa del suo fitto programma, raramente pubblicò articoli popolari.

Il principio di autofasatura ha dimostrato che è possibile avere una regione di fase stabile e, quindi, è possibile modificare la frequenza del campo accelerante senza timore di uscire dalla regione di accelerazione risonante. Devi solo scegliere la giusta fase di accelerazione. Modificando la frequenza del campo è stato possibile compensare facilmente la variazione della massa delle particelle. Inoltre, la modifica della frequenza ha consentito di avvicinare la spirale del ciclotrone in rapida rotazione a un cerchio e di accelerare le particelle finché l'intensità del campo magnetico non è stata sufficiente a mantenere le particelle in una determinata orbita.

L'acceleratore descritto con autofasatura, in cui cambia la frequenza del campo elettromagnetico, è chiamato sincrociclotrone o fasotrone.

Il sincrofasotrone utilizza una combinazione di due principi di autofasatura. Il primo di questi si trova nel cuore del fasotrone, di cui abbiamo già parlato: si tratta di un cambiamento nella frequenza del campo elettromagnetico. Il secondo principio viene utilizzato nei sincrotroni: qui l'intensità del campo magnetico cambia.

Dalla scoperta dell'autofasatura, scienziati e ingegneri hanno iniziato a progettare acceleratori capaci di miliardi di elettronvolt. Il primo di questi nel nostro paese è stato un acceleratore di protoni: un sincrofasotrone da 10 miliardi di elettronvolt a Dubna.

La progettazione di questo grande acceleratore iniziò nel 1949 su iniziativa di V. I. Veksler e S. I. Vavilov, e fu messo in funzione nel 1957. Il secondo grande acceleratore è stato costruito a Protvino vicino a Serpukhov con un'energia di 70 GeV. Ora ci stanno lavorando non solo i ricercatori sovietici, ma anche i fisici di altri paesi.

Ma molto prima del lancio di due giganteschi acceleratori da “miliardi di dollari”, furono costruiti acceleratori di particelle relativistici presso l’Istituto di Fisica dell’Accademia delle Scienze (FIAN), sotto la guida di Wexler. Nel 1947 fu lanciato un acceleratore di elettroni fino a un'energia di 30 MeV, che servì da modello per un acceleratore di elettroni più grande: un sincrotrone con un'energia di 250 MeV. Il sincrotrone fu lanciato nel 1949. Utilizzando questi acceleratori, i ricercatori dell'Istituto di fisica dell'Accademia delle scienze dell'URSS hanno svolto un lavoro di prima classe sulla fisica dei mesoni e sul nucleo atomico.

Dopo il lancio del sincrofasotrone di Dubna, iniziò un periodo di rapidi progressi nella costruzione di acceleratori ad alta energia. Molti acceleratori furono costruiti e messi in funzione nell'URSS e in altri paesi. Questi includono il già citato acceleratore da 70 GeV a Serpukhov, 50 GeV a Batavia (USA), 35 GeV a Ginevra (Svizzera), 35 GeV in California (USA). Attualmente, i fisici si stanno ponendo il compito di creare acceleratori di diversi teraelettronvolt (teraelettronvolt - 1012 eV).

Nel 1944, quando nacque il termine "autofasatura". Wexler aveva 37 anni. Wexler si rivelò un dotato organizzatore di lavoro scientifico e capo di una scuola scientifica.

Il metodo autofasante, come un frutto maturo, aspettava uno scienziato-veggente che lo rimuovesse e se ne impossessasse. Un anno dopo, indipendentemente da Wexler, il principio dell'autofasatura fu scoperto dal famoso scienziato americano McMilan. Ha riconosciuto la priorità dello scienziato sovietico. McMillan ha incontrato Wexler più di una volta. Erano molto amichevoli e l'amicizia di due meravigliosi scienziati non fu mai oscurata da nulla fino alla morte di Wexler.

Gli acceleratori costruiti negli ultimi anni, sebbene basati sul principio di autofasatura Wechsler, sono ovviamente notevolmente migliorati rispetto alle macchine di prima generazione.

Oltre all'autofasatura, Wexler ha proposto altre idee per l'accelerazione delle particelle che si sono rivelate molto fruttuose. Lo sviluppo di queste idee di Wexler è ampiamente perseguito nell'URSS e in altri paesi.

Nel marzo del 1958, nella Casa degli Scienziati in via Kropotkinskaya, si tenne il tradizionale incontro annuale dell'Accademia delle Scienze dell'URSS. Wexler delineò l’idea di un nuovo principio di accelerazione, che chiamò “coerente”. Ti consente di accelerare non solo le singole particelle, ma anche i coaguli di plasma costituiti da un gran numero di particelle. Il metodo dell'accelerazione "coerente", come disse cautamente Wechsler nel 1958, consente di pensare alla possibilità di accelerare le particelle a energie di mille miliardi di elettronvolt e anche superiori.

Nel 1962 Wexler, a capo di una delegazione di scienziati, volò a Ginevra per partecipare alla Conferenza internazionale sulla fisica delle alte energie. Tra i quaranta membri della delegazione sovietica c'erano fisici di spicco come A. I. Alikhanov, N. N. Bogolyubov, D. I. Blokhintsev, I. Ya Pomeranchuk, M. A. Markov. Molti degli scienziati della delegazione erano specialisti di acceleratori e studenti di Wexler.

Vladimir Iosifovich Veksler è stato per diversi anni presidente della Commissione di fisica delle alte energie dell'Unione internazionale di fisica teorica e applicata.

Il 25 ottobre 1963, Wexler e il suo collega americano, Edwin McMillan, direttore del laboratorio di radiazioni della Lawrence University of California, ricevettero il premio American Atoms for Peace.

Wexler era il direttore permanente del Laboratorio dell'Alta Energia dell'Istituto congiunto per la ricerca nucleare a Dubna. Ora la strada a lui intitolata ricorda il soggiorno di Wexler in questa città.

Il lavoro di ricerca di Wexler si è concentrato a Dubna per molti anni. Ha combinato il suo lavoro presso l'Istituto congiunto per la ricerca nucleare con il lavoro presso l'Istituto fisico P. N. Lebedev, dove nella sua lontana giovinezza ha iniziato la sua carriera come ricercatore, ed è stato professore all'Università statale di Mosca, dove ha diretto il dipartimento.

Nel 1963, Veksler fu eletto segretario accademico del dipartimento di fisica nucleare dell'Accademia delle scienze dell'URSS e ricoprì permanentemente questo importante incarico.

I risultati scientifici di V. I. Veksler furono molto apprezzati assegnandogli il Premio di Stato di Primo Grado e il Premio Lenin (1959). Le eccezionali attività scientifiche, pedagogiche, organizzative e sociali dello scienziato furono premiate con tre Ordini di Lenin, l'Ordine della Bandiera Rossa del Lavoro e medaglie dell'URSS.

Vladimir Iosifovich Veksler morì improvvisamente il 20 settembre 1966 a causa di un secondo infarto. Aveva solo 59 anni. Nella vita sembrava sempre più giovane dei suoi anni, era energico, attivo e instancabile.