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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Accélérateur de particules chargé. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent La physique moderne a un moyen éprouvé de percer les secrets du noyau atomique - bombardez-le de particules ou irradiez-le et voyez ce qui lui arrive. Pour les toutes premières études de l'atome et de son noyau, l'énergie des radiations issues de la désintégration naturelle des éléments radioactifs était suffisante. Mais bientôt cette énergie ne suffisait plus, et pour "regarder" encore plus profondément dans le noyau, les physiciens ont dû réfléchir à la manière de créer artificiellement un flux de particules à haute énergie. On sait que, tombée entre des électrodes de charges différentes, une particule chargée, par exemple un électron ou un proton, accélère le mouvement sous l'action des forces électriques. Ce phénomène a donné naissance dans les années 1930 à l'idée de créer l'accélérateur dit linéaire. De par sa conception, un accélérateur linéaire est une longue chambre tubulaire droite, à l'intérieur de laquelle un vide est maintenu. Un grand nombre de tubes-électrodes métalliques sont disposés sur toute la longueur de la chambre. À partir d'un générateur haute fréquence spécial, une tension électrique alternative est appliquée aux électrodes - de sorte que lorsque la première électrode est chargée, disons positivement, la deuxième électrode sera chargée négativement. Puis à nouveau l'électrode positive, suivie de la négative.
Un faisceau d'électrons est tiré du "canon" à électrons dans la chambre et, sous l'action du potentiel de la première électrode positive, commence à accélérer, glissant plus loin à travers elle. Au même moment, la phase de la tension d'alimentation change et l'électrode, juste chargée positivement, devient négative. Maintenant, il repousse les électrons de lui-même, comme s'il les poussait par derrière. Et la deuxième électrode, devenue positive pendant ce temps, attire les électrons vers elle, les accélérant encore plus. Ensuite, lorsque les électrons le traversent, il redevient négatif et les pousse vers la troisième électrode. Ainsi, au fur et à mesure que les électrons avancent, ils accélèrent progressivement, atteignant une vitesse proche de la lumière à la fin de la chambre et acquérant une énergie de centaines de millions d'électron-volts. À travers une fenêtre installée à l'extrémité du tube, impénétrable à l'air, une portion d'électrons accélérés tombe sur les objets étudiés du micromonde - les atomes et leurs noyaux. Il est facile de comprendre que plus on veut donner d'énergie aux particules, plus le tube de l'accélérateur linéaire doit être long - des dizaines voire des centaines de mètres. Mais ce n'est pas toujours possible. Maintenant, si vous roulez le tuyau en une spirale compacte. Alors un tel accélérateur pourrait librement être placé dans le laboratoire. Un autre phénomène physique a contribué à donner vie à cette idée. Une particule chargée, une fois dans un champ magnétique, commence à se déplacer non pas en ligne droite, mais "s'enroule" autour des lignes de champ magnétique. Ainsi, un autre type d'accélérateur est apparu - le cyclotron. Le premier cyclotron a été construit en 1930 par E. Lawrence aux États-Unis.
La partie principale du cyclotron est un électroaimant puissant, entre les pôles duquel est placée une chambre cylindrique plate. Il se compose de deux boîtes métalliques semi-circulaires séparées par un petit espace. Ces boîtiers - dees - servent d'électrodes et sont reliés aux pôles d'un générateur de tension alternative. Au centre de la chambre se trouve une source de particules chargées - quelque chose comme un "pistolet" électronique.
Après avoir quitté la source, la particule (supposons qu'il s'agit maintenant d'un proton chargé positivement) est immédiatement attirée par l'électrode, qui est actuellement chargée négativement. Il n'y a pas de champ électrique à l'intérieur de l'électrode, donc la particule y vole par inertie. Sous l'influence d'un champ magnétique dont les lignes de force sont perpendiculaires au plan de la trajectoire, la particule décrit un demi-cercle et vole jusqu'à l'entrefer entre les électrodes. Pendant ce temps, la première électrode devient positive et repousse maintenant la particule tandis que l'autre l'attire. Ainsi, passant d'un dee à l'autre, la particule prend de la vitesse et décrit une spirale qui se déroule. Les particules sont retirées de la chambre à l'aide d'aimants spéciaux sur la cible des expérimentateurs. Plus la vitesse des particules dans le cyclotron se rapproche de la vitesse de la lumière, plus elles deviennent lourdes et commencent à prendre progressivement du retard sur le signe changeant de la tension électrique sur les dees. Ils ne tombent plus au rythme des forces électriques et cessent d'accélérer. L'énergie limite qui peut être communiquée aux particules dans un cyclotron est de 25 à 30 MeV. Pour surmonter cette barrière, la fréquence de la tension électrique appliquée alternativement aux dées est progressivement réduite, en l'ajustant au rythme des particules "plus lourdes". Un accélérateur de ce type est appelé un synchrocyclotron. L'un des plus grands synchrocyclotrons de l'Institut commun de recherche nucléaire de Doubna (près de Moscou) produit des protons d'une énergie de 680 MeV et des deutérons (noyaux d'hydrogène lourds - deutérium) d'une énergie de 380 MeV. Pour ce faire, il a fallu construire une chambre à vide d'un diamètre de 3 mètres et un électroaimant de 7000 tonnes ! Au fur et à mesure que les physiciens pénétraient plus profondément dans la structure du noyau, des particules d'énergie de plus en plus élevées étaient nécessaires. Il est devenu nécessaire de construire des accélérateurs encore plus puissants - synchrotrons et synchrophasotrons, dans lesquels les particules ne se déplacent pas en spirale, mais en cercle fermé dans une chambre annulaire. En 1944, indépendamment les uns des autres, le physicien soviétique V.I. Veksler et le physicien américain E.M. Macmillan a découvert le principe de l'autophasage. L'essence de la méthode est la suivante: si les champs sont sélectionnés d'une certaine manière, les particules tomberont automatiquement dans la phase avec la tension d'accélération tout le temps. En 1952, les scientifiques américains E. Courant, M. Livingston et H. Snyder ont proposé la soi-disant focalisation dure, qui presse les particules sur l'axe du mouvement. Grâce à ces découvertes, il a été possible de créer des synchrophasotrons pour des énergies arbitrairement élevées. Il existe un autre système de classification pour les accélérateurs - selon le type de champ électrique accélérant. Les accélérateurs à haute tension fonctionnent grâce à la différence de potentiel élevée entre les électrodes de l'espace d'accélération, qui est actif tout le temps pendant que les particules volent entre les électrodes. Dans les accélérateurs à induction, un champ électrique vortex "fonctionne", qui est induit (excité) à l'endroit où se trouvent actuellement les particules. Et, enfin, les accélérateurs résonnants utilisent un champ électrique accélérateur qui varie dans le temps et en amplitude, de manière synchrone avec lequel, "en résonance", l'ensemble "ensemble" de particules est accéléré. Lorsque les gens parlent d'accélérateurs de particules modernes à haute énergie, ils parlent principalement d'accélérateurs à résonance annulaire. Dans encore un autre type d'accélérateur - le proton - pour les très hautes énergies, à la fin de la période d'accélération, la vitesse des particules se rapproche de la vitesse de la lumière. Ils circulent sur une orbite circulaire à une fréquence constante. Les accélérateurs de protons de haute énergie sont appelés synchrotrons à protons. Les trois plus grands sont situés aux États-Unis, en Suisse et en Russie. L'énergie des accélérateurs actuellement en fonctionnement atteint des dizaines et des centaines de gigaélectronvolts (1 GeV = 1000 MeV). L'un des plus grands au monde est le synchrophasotron à protons U-70 de l'Institut de physique des hautes énergies de la ville de Protvino, près de Moscou, qui a été mis en service en 1967. Le diamètre de l'anneau d'accélération est d'un kilomètre et demi, la masse totale de 120 sections magnétiques atteint 20000 10 tonnes. Toutes les deux secondes, l'accélérateur tire sur des cibles avec une volée de 76 à la douzième puissance des protons avec une énergie de 400000 GeV (le quatrième indicateur au monde). Pour atteindre cette énergie, les particules doivent effectuer 60000 XNUMX révolutions, couvrant une distance de XNUMX XNUMX kilomètres ! Un tunnel annulaire souterrain de vingt et un kilomètres de long pour le nouvel accélérateur a également été construit ici. Fait intéressant, les lancements d'accélérateurs à Dubna ou Protvino à l'époque soviétique n'ont été effectués que la nuit, car ils étaient alimentés par presque toute l'électricité non seulement à Moscou, mais aussi dans les régions voisines ! En 1973, des physiciens américains ont mis en service un accélérateur dans la ville de Batavia, dans lequel des particules ont réussi à transmettre une énergie de 400 GeV, puis l'ont portée à 500 GeV. Aujourd'hui, l'accélérateur le plus puissant se trouve aux États-Unis. On l'appelle le "Tevatron" car dans son anneau de plus de six kilomètres de long, à l'aide d'aimants supraconducteurs, les protons acquièrent une énergie d'environ 1 téraélectronvolt (1 TeV équivaut à 1000 GeV).
Afin d'obtenir une énergie d'interaction encore plus élevée du faisceau de particules accélérées avec le matériau de l'objet physique étudié, il est nécessaire de disperser la "cible" vers le "projectile". Pour ce faire, organisez la collision de faisceaux de particules volant les uns vers les autres dans des accélérateurs spéciaux - des collisionneurs. Bien sûr, la densité de particules dans les faisceaux en collision n'est pas aussi élevée que dans le matériau d'une "cible" fixe, de sorte que les soi-disant accumulateurs sont utilisés pour l'augmenter. Ce sont des chambres à vide annulaires dans lesquelles les particules sont projetées "par portions" depuis l'accélérateur. Les accumulateurs sont équipés de systèmes d'accélération qui compensent la perte d'énergie des particules. C'est aux collisionneurs que les scientifiques associent la poursuite du développement des accélérateurs. Jusqu'à présent, seuls quelques-uns d'entre eux ont été construits et ils sont situés dans les pays les plus développés du monde - aux États-Unis, au Japon, en Allemagne, ainsi qu'au Centre européen de recherche nucléaire, basé en Suisse. Un accélérateur moderne est une "usine" de production de faisceaux intenses de particules - électrons ou protons 2000 fois plus lourds. Le faisceau de particules de l'accélérateur est dirigé vers une "cible" choisie en fonction des tâches de l'expérience. Lors de sa collision, une variété de particules secondaires sont produites. La naissance de nouvelles particules est le but des expériences. À l'aide de dispositifs spéciaux - détecteurs - ces particules ou leurs traces sont enregistrées, la trajectoire du mouvement est restaurée, la masse des particules, la charge électrique, la vitesse et d'autres caractéristiques sont déterminées. Ensuite, par un traitement mathématique complexe des informations reçues des détecteurs, tout "l'historique" de l'interaction est restitué sur ordinateur et, en comparant les résultats de mesure avec le modèle théorique, des conclusions sont tirées, que les processus réels coïncident ou non avec le modèle construit. . C'est ainsi que de nouvelles connaissances sur les propriétés des particules intranucléaires sont obtenues. Plus l'énergie acquise par la particule dans l'accélérateur est élevée, plus elle affecte fortement l'atome "cible" ou la contre-particule dans le collisionneur, plus les "fragments" seront petits. Avec l'aide d'un collisionneur aux États-Unis, par exemple, des expériences sont menées dans le but de recréer dans des conditions de laboratoire le Big Bang, à partir duquel notre univers est censé avoir commencé. Des physiciens de vingt pays ont participé à cette expérience audacieuse, parmi lesquels des représentants de la Russie. Le groupe russe de l'été 2000 a directement participé à l'expérience, était de service à l'accélérateur et a pris des données. Voici ce que dit l'un des scientifiques russes - participants à cette expérience - candidat en sciences physiques et mathématiques, professeur agrégé du MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov: "60 miles de New York, sur Long Island, l'accélérateur RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - a été construit sur des ions relativistes lourds. "Lourd" - depuis déjà cette année, il a commencé à travailler avec des faisceaux de noyaux d'atomes d'or. "Relativiste" - également compréhensible, nous parlons de vitesses auxquelles les effets de la relativité restreinte se manifestent dans toutes leurs gloire. Et le "collisionneur" (de collision - collision) il est appelé parce que dans son anneau il y a une collision de faisceaux de noyaux en collision. Soit dit en passant, dans notre pays, il n'y a pas d'accélérateurs de ce type. L'énergie qui tombe sur un nucléon est de 100 GeV. C'est beaucoup - presque deux fois plus qu'avant. La première collision physique a été enregistrée le 25 juin 2000." La tâche des scientifiques était d'essayer d'enregistrer un nouvel état de la matière nucléaire - le plasma quark-gluon. "La tâche est très compliquée", poursuit Emelyanov, "et mathématiquement, elle est généralement incorrecte : la même distribution fixe de particules secondaires en termes d'impulsions et de vitesses peut avoir des causes complètement différentes. Et seulement dans une expérience détaillée impliquant de nombreux détecteurs. , calorimètres, capteurs de multiplicité de particules chargées, compteurs enregistrant le rayonnement de transition, etc., on espère enregistrer les différences les plus subtiles inhérentes au plasma quark-gluon. Le mécanisme d'interaction des noyaux à des énergies aussi élevées est intéressant en soi, mais plus important encore, pour la première fois en laboratoire, explorez l'origine de notre univers." Auteur : Musskiy S.A.
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