Зачем ученые разгоняют частицы до гигантских скоростей

Когда мы упоминаем ускорители частиц, многие люди вспоминают яркие сгустки крови и вспышки из фильма «Ангелы и демоны», в котором «главную роль» сыграл ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований с его знаменитым коллайдером. Ускорители меняют устоявшиеся представления о физике и устройстве мира, поэтому реальность не далека от вымысла. Почему ученые используют какие ускорители для ускорения частиц?Как это связано с лечением рака и поиском углеводородов?Давайте разберемся.

Что такое ускоритель

Ускорители — это сложные устройства, которые ускоряют заряженные частицы (ионы, протоны, электроны) почти до скорости света или огромных энергий в триллионы электронвольт. Частицы ускоряются под действием электрических и магнитных полей, создаваемых внутри устройства. Первый изменяет энергию частицы посредством заряда, а второй управляет траекторией движения частицы.

Размеры ускорителей варьируются от очень компактных, почти настольных, до гигантских, длиной в несколько километров. Они используются в самых разных областях: от получения рентгеновских лучей до очистки сточных вод с помощью ионных потоков и производства транзисторов.

Из примерно 40 000 ускорителей, действующих по всему миру, менее 5% предназначены для чистой науки. Треть производственных мощностей связана с промышленностью, одна треть — с полупроводниковыми технологиями и одна треть — с лучевой терапией.

— Сергей Гаврилов, директор пучковой лаборатории Института ядерных исследований РАН

Каждый ускоритель содержит четыре элемента. Источник заряженных частиц, источник электрического поля, электромагнитная система, контролирующая траекторию частиц, и металлическая вакуумная трубка, не замедляющаяся ни пылью, ни воздухом. Тип ускорителя зависит от комбинации и конфигурации этих элементов.

Линейные: простые и универсальные

Конструкция линейного ускорителя является самой простой. Пучок частиц, испускаемый источником (например, специальной электронной пушкой), движется по прямой и ускоряется под действием электрического поля, пока не достигнет неподвижной мишени. Бомбардируйте ядра молекул протонами, чтобы получить радиоактивные изотопы для фармацевтических препаратов, бомбардируйте материалы и тестируйте их в космосе или направляйте частицы непосредственно на опухоли, чтобы разработать многообещающие виды лечения рака. Вы можете это сделать.

Самый длинный в мире линейный ускоритель — 3,2 километра — расположен в Стэнфорде (США). Туннель, по которому летают частицы, находится на глубине 9 метров под землей, а над ним находится галерея с оборудованием. Рекордный ускоритель ускоряет электроны и позитроны до 50 миллиардов электронвольт. Частицы используются в научных исследованиях и экспериментах в самых разных областях: от физики до медицины.

Ускоритель протонов в Институте ядерных исследований РАН в Троицке имеет длину полкилометра и является крупнейшим в Евразии. Это оборудование используется, например, для изучения свойств различных материалов или получения медицинских изотопов для томографии.

Круговые: «энергичные» и знаменитые

Если вы добавите магнит к линейному ускорителю и закольцуете его вакуумную трубку, вы получите круговой или циклический ускоритель. Частицы движутся внутри него под действием двух полей. Электрическое поле ускоряет, а магнитное поле поворачивает траекторию частицы так, что она многократно проходит через участок ускорения. Кольцевые ускорители позволяют ускорять частицы до более высоких энергий, чем линейные ускорители.

Большой адронный коллайдер в Женеве

Самый мощный в мире кольцевой ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер. Его построил Европейский центр ядерных исследований в Женеве (Швейцария).

Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.

Коллайдер — это своего рода ускоритель по содержанию, а не по форме. Внутри него пучки частиц сталкиваются в противоположных направлениях. Большой адронный коллайдер использует протоны и адроны, являющиеся тяжелыми атомными ядрами. Основная задача этого исследовательского комплекса — проверка и изучение теоретических представлений о физике элементарных частиц.

Около 20 лет назад началось проектирование Международного линейного коллайдера. Его длина составит 31 километр, что на порядок больше, чем у нынешнего линейного рекордсмена. Предполагается, что коллайдер может быть изготовлен в Японии.

В России достраивается большой коллайдер в Дубне. Этот круговой ускоритель будет использоваться для фундаментальных и прикладных исследований, таких как космическая медицина и лечение рака.

Ускорительный комплекс NICA в Дубне. Фото предоставлено: Объединенный институт ядерных исследований

Синхротроны: источники полезного излучения

Технически крайне сложно приблизить скорость легчайших заряженных частиц (электронов) к скорости света. Одним из типов интерференции является синхротронное излучение — поток фотонов, испускаемых частицами, движущимися по изогнутым траекториям кольцевого ускорителя. Первоначально такое излучение считалось паразитическим эффектом, отнимающим энергию у частиц, но ученые нашли ему полезное применение и создали синхротроны.

Синхротрон — циркуляционный ускоритель для получения высококачественного синхротронного излучения. Он позволяет «рассмотреть» материю на уровне ее атомов и составляющих их элементов, не разрушая молекулярную структуру. Это полезно в медицине, археологии и биологии.

В синхротронах легкие электроны ускоряются для достижения необходимой яркости излучения, чтобы «увидеть» более быстрые физические и химические процессы, получить больше данных и глубже проникнуть в объекты исследования.

В мире существует всего три современных ускорителя синхротронного излучения четвертого поколения. Шведский MAX-IV, бразильский Sirius и французский ESRF-EBS. Четвертый строится в России, а СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов) планируется запустить в новосибирском наукограде Кольцово в 2024 году.

В России есть два синхротрона. Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН и Курчатовский институт в Москве.

На момент запуска СКИФ будет самым современным синхротроном в мире. Период орбиты, на которой электроны излучают синхротронное излучение при вращении, составляет 476 метров. Рядом будет построен экспериментальный зал с исследовательскими станциями.

СКИФ полезен для изучения структуры органических и неорганических материалов, включая образцы горных пород, а также композиционных материалов. Для этого мы используем возможности двух станций нанотомографии высокого разрешения и визуализации быстропротекающих процессов. Полученные данные помогут смоделировать процессы внутри нефтяного пласта и повысить эффективность добычи углеводородов на 10-15.

– Владислав Крутько, руководитель проекта Digital Core, «Газпром нефть

Всего к СКИФ смогут подключиться до 30 станций, первыми из которых станут 6 станций из наиболее востребованных областей науки и промышленности. Помимо исследований в области добычи нефти и газа, мы изучаем структуру материалов, процесс образования микротрещин и процесс химических реакций для решения задач в электронике.

Оригинал статьи и другие материалы можно найти на сайте журнала «Энергия+:
https://e-plus.media/vse-publikatsii/

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Зачем ученые разгоняют частицы до гигантских скоростей.