Технологии

Зачем ученые разгоняют частицы до гигантских скоростей

Схематичное изображение коллайдера изнутри. Фото iStock

Автор

Екатерина Жданова

Опубликовано

13 февраля 2024

Опубликовано

13 февраля 2024

При упоминании ускорителя частиц многим представляются яркие сгустки и вспышки из фильма «Ангелы и демоны», где «снялся» ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований со знаменитым коллайдером. Реальность недалека от фантастики, ведь ускорители меняют устоявшиеся представления о физике и об устройстве мира. Зачем ученые разгоняют частицы и с помощью каких ускорителей? Как это связано с лечением рака и поиском углеводородов? Давайте разбираться.

Что такое ускоритель

Ускорители — сложные устройства, которые разгоняют заряженные частицы (ионы, протоны, электроны) практически до скорости света, или огромных энергий в триллионы электронвольт. Частицы ускоряются под действием электрических и магнитных полей, которые создаются в установке. Первые изменяют энергию частиц, обладающих электрическим зарядом, а вторые управляют траекторией их движения.

Размеры ускорителей варьируются от совсем компактных, практически настольных, до огромных, протяженностью в несколько километров. Их применяют в самых разных сферах — от получения рентгеновских лучей до очистки сточных вод с помощью потока ионов и выпуска транзисторов.

Сергей Гаврилов

заведующий лабораторией пучка Института ядерных исследований РАН

Из примерно 40 тысяч ускорителей, функционирующих в мире, меньше 5% работает на чистую науку. Треть мощностей обслуживает промышленность, треть — полупроводниковые технологии, треть участвует в радиотерапии.

Любой ускоритель включает четыре элемента: источник заряженных частиц, источник электрического поля, систему электромагнитов для управления траекторией частиц и металлические вакуумные трубы, где их не тормозят ни пыль, ни воздух. От сочетания и настройки этих элементов зависит тип ускорителя.

Линейные: простые и универсальные

Конструкция линейного ускорителя — самая простая. Пучок частиц, испущенный источником (например, специальной электронной пушкой), летит по прямой и ускоряется под действием электрического поля однократно, пока не столкнется с неподвижной мишенью. Можно бить протонами о ядра молекул и получать радиоактивные изотопы для медицины, можно бомбардировать материалы для проверки их в космических условиях, а можно направлять частицы на опухоль и отрабатывать перспективные виды терапии рака.

Самый длинный в мире линейный ускоритель — 3,2 километра — расположен в Стэнфорде (США). Тоннель, по которому летят частицы, находится под землей на глубине девять метров, а над ним — галерея с оборудованием. Ускоритель-рекордсмен разгоняет электроны и позитроны до 50 миллиардов электронвольт. Частицы применяют для научных исследований и экспериментов в разных областях: от физики до медицины.

Протонный ускоритель Института ядерных исследований РАН в Троицке, имеющий длину в полкилометра, — самый большой в Евразии. На этой установке исследуют, к примеру, свойства различных материалов и получают медицинские изотопы для томографии. 

Круговые: «энергичные» и знаменитые

Если добавить линейному ускорителю магниты и закольцевать его вакуумную трубу, получится круговой, или циклический, ускоритель. В нем частицы движутся под действием двух полей: электрическое разгоняет, а магнитное закручивает траекторию частиц, чтобы они снова и снова проходили ускоряющие участки. Кольцевой ускоритель позволяет разогнать частицы до бо́льших энергий, чем в линейном.

Большой адронный коллайдер в Женеве

Самый мощный кольцевой ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер. Он построен Европейским центром по ядерным исследованиям в Женеве (Швейцария). Длина основного кольца составляет почти 26,7 километра, а энергия, до которой можно разогнать частицу, — 13,6 триллиона электронвольт.

Коллайдер — это тип ускорителей не по форме, а по содержанию: в нем пучки частиц сталкивают во встречных направлениях. В Большом адронном коллайдере используют адроны — протоны и тяжелые ядра атомов. Основная задача этого исследовательского комплекса — проверка теоретических представлений о физике элементарных частиц и их изучение.

Почти 20 лет назад началось проектирование Международного линейного коллайдера. Его длина составит 31 километр — на порядок больше, чем длина нынешнего линейного рекордсмена. Предполагается, что коллайдер могут построить в Японии.

В России достраивают большой коллайдер в Дубне. Этот круговой ускоритель будут использовать для фундаментальных и прикладных исследований, включая космическую медицину и терапию онкологических заболеваний.

Ускорительный комплекс NICA в Дубне. Фото Объединенного института ядерных исследований

Синхротроны: источники полезного излучения

Приблизить скорость даже самой легкой заряженной частицы — электрона — к скорости света технически крайне сложно. Одна из помех — синхротронное излучение, или поток фотонов, которые частица испускает при движении по кривой траектории кольцевого ускорителя. Изначально такое излучение считали паразитным эффектом, отбирающим энергию частиц, но ученые нашли ему полезное применение — и создали синхротроны.

Синхротроны — это циклические ускорители для получения качественного синхротронного излучения. Им можно «просвечивать» вещество на уровне атомов и его составных, не разрушая структуру молекул: это полезно в медицине, археологии, биологии.

В синхротронах ускоряют легкие электроны и добиваются нужной яркости излучения, чтобы «видеть» более быстрые физико-химические процессы, получать больше данных и смотреть глубже в объекты исследования.

Ускорителей-синхротронов последнего четвертого поколения в мире всего три: это MAX-IV в Швеции, Sirius в Бразилии, ESRF-EBS во Франции. Четвертый строится в России — СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов) планируют запустить в 2024 году в новосибирском наукограде Кольцово.

В России есть два синхротрона — в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН и в Курчатовском институте в Москве.

На момент пуска СКИФ станет самым современным синхротроном в мире. Циклическая часть траектории, где электроны выдают синхротронное излучение на поворотах, составит 476 метров. Рядом расположится экспериментальный зал с исследовательскими станциями.

Владислав Крутько

руководитель проекта «Цифровой керн» «Газпром нефти»

СКИФ поможет изучать структуру органических и неорганических материалов, в том числе композитных, а также образцов горных пород. Для этого мы собираемся воспользоваться возможностями двух станций для высокоразрешающей нанотомографии и визуализации быстро протекающих процессов. Получаемые данные помогут моделировать процессы в нефтяных пластах и извлекать углеводороды на 10–15% эффективнее.

Всего к СКИФу смогут подключиться до 30 станций, первыми станут шесть по самым востребованным направлениям науки и промышленности. Помимо исследований в области нефтегазодобычи они будут изучать структуру материалов, процесс возникновения микротрещин и ход химических реакций для решения задач электроники.

326
Haha
Haha
295
291
Love
Love
402
411
410
Читать также

Ученый РАН рассказал, где пригодится плазменный ракетный двигатель «Росатома»

2 мин. чтения

На Урале придумали материал, способный ловить тяжелый водород в воде и газе

1 мин. чтения

Академик РАН рассказал, как ядерный замкнутый цикл повлияет на электроснабжение

2 мин. чтения

Член-корреспондент Академии космонавтики оценил перспективы созданного в Китае ядерного космического двигателя

1 мин. чтения

Московский ученый рассказал, как первым в мире научился предсказывать поведение водорода в стенках термоядерного реактора

2 мин. чтения

Новосибирские ученые создали прибор для измерения параметров плазмы в термоядерном реакторе

2 мин. чтения

Мурманские исследователи рассказали, как в тысячу раз ускорили производство сорбентов для радиоактивных отходов

1 мин. чтения

Специалист по атомной энергетике оценил перспективы размещения на Луне ядерной энергоустановки

2 мин. чтения

Эксперт оценил перспективы сотрудничества России и Ирана в области атомных технологий

2 мин. чтения

От атомного дирижабля из прошлого до электрокара из будущего: фоторепортаж из павильона «Атом» на ВДНХ

3 мин. чтения