Львів
C
» » Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування

Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування

Технології в СРСР розвивалися стрімко. Чого тільки коштує запуск першого штучного супутника Землі, за яким спостерігав весь світ. Мало хто знає, що в той же 1957 рік в СРСР заробив (тобто був не просто добудовано і введено в експлуатацію, а саме запущений) синхрофазотрон. Слово це позначає установку для розгону елементарних частинок. Практично кожен сьогодні чув про Великий адронний колайдер – він являє собою більш нову вдосконалену версію описаного в цій статті пристрою.


Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування

Що це – синхрофазотрон? Для чого він потрібен?

Ця установка являє собою великий прискорювач елементарних частинок (протонів), який дозволяє більш глибоко вивчити мікросвіт, а також взаємодію цих самих частинок один з одним. Спосіб вивчення дуже простий: розбити протони на дрібні частини і подивитися, що знаходиться всередині. Звучить просто, але зламати протон – це надзвичайно складна задача, для вирішення якої потрібно будівництво настільки величезної споруди. Тут за спеціальним тунелю частинки розганяються до величезних швидкостей і потім направляються на мішень. Ударившись про неї, вони розлітаються на дрібні осколки. Найближчий "колега" синхрофазотрона, Великий адронний коллайдер, діє приблизно за таким же принципом, от тільки там частинки розганяють у протилежних напрямках і вдаряються не про стоячу мішень, а стикаються один з одним. Тепер ви трохи розумієте, що це – синхрофазотрон. Вважалося, що установка дозволить зробити науковий прорив в області дослідження мікросвіту. У свою чергу, це дозволить відкрити нові елементи та способи отримувати дешеві джерела енергії. В ідеалі хотіли відкрити елементи, що перевершували по ефективності збагачений уран і є при це менш шкідливими і більш простими в утилізації.


Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування

Застосування у військових цілях

Варто відзначити, що створювалась дана установка для здійснення науково-технічного прориву, проте її цілі були не лише мирними. У чому науково-технічний прорив зобов'язаний гонці військових озброєнь. Синхрофазотрон був створений під грифом "Цілком таємно", і його розробка і будівництво проводилися в рамках створення атомної бомби. Передбачалося, що пристрій дозволить створити досконалу теорію ядерних сил, проте все виявилося не так просто. Навіть сьогодні ця теорія відсутня, хоча технічний прогрес зробив крок далеко вперед.

Що таке синхрофазотрон простими словами?

Якщо узагальнити і говорити зрозумілою мовою? Синхрофазотрон – це установка, де протони можна розігнати до великої швидкості. Вона складається з закільцьованої труби з вакуумом всередині і потужних електромагнітів, які не дають протонам рухатися хаотично. Коли протони досягають своєї максимальної швидкості руху, їх потік направляється на спеціальну мішень. Ударяючись про неї, протони розлітаються на дрібні осколки. Вчені можуть бачити сліди осколків, що розлітаються в спеціальній бульбашковій камері, і по цих слідах вони аналізують природу самих частинок. Бульбашкова камера – це трохи застаріле пристрій для фіксації слідів протонів. Сьогодні в подібних установках застосовуються більш точні радари, дають більше інформації про рух осколків протонів.
Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування
Незважаючи на простий принцип синхрофазотрона, сама ця установка є високотехнологічною, і її створення можливе тільки при достатньому рівні технічного і наукового розвитку, яким, безумовно, мав СРСР. Якщо приводити аналогію, то звичайний мікроскоп є тим пристроєм, призначення якого співпадає з призначенням синхрофазотрона. Обидва прилади дозволяють досліджувати мікросвіт, тільки останній дозволяє "копнути глибше" і має своєрідний метод дослідження.

Докладно

Вище була описана робота приладу простими словами. Зрозуміло, принцип дії синхрофазотрона є більш складним. Справа в тому, що для розгону часток до високих швидкостей необхідно забезпечити різниця потенціалів в сотні мільярди вольт. Це неможливо навіть на нинішньому етапі розвитку технологій, не кажучи вже про попередньому. Тому було прийнято рішення розганяти частинки поступово і ганяти їх по колу довго. На кожному колі протони живилися енергією. В результаті проходження мільйонів обертів вдалося набрати необхідну швидкість, після чого їх направляли у мішень. Саме такий принцип застосовувався в синхрофазотроне. Спочатку по тунелю частки рухалися з невеликою швидкістю. На кожному колі вони потрапляли на так звані проміжки прискорення, де отримували додатковий заряд енергії і набирали швидкість. Ці ділянки прискорення є конденсаторами, частота змінного напруги яких дорівнює частоті проходження протонів по кільцю. Тобто частинки потрапляли на ділянку прискорення при негативному заряді, в цей момент напруга різко зростала, що надавало їм швидкості. Якщо ж частинки потрапляли на ділянку прискорення при позитивному заряді, то їх рух притормаживалось. І це - позитивна особливість, так як через неї весь пучок протонів рухався з однією швидкістю.
Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування
І так повторювалося мільйони разів, і коли частинки набували необхідну швидкість, їх направляли в спеціальну мішень, про яку ті розбивалися. Після група вчених вивчала результати зіткнення частинок. Ось за такою схемою синхрофазотрон і працював.

Роль магнітів

Відомо, що в цій величезній машині щодо прискорення частинок застосовувалися також потужні електромагніти. Люди помилково вважають, що вони використовувалися для розгону протонів, але це не так. Розганялися частинки за допомогою спеціальних конденсаторів (ділянок прискорення), а магніти лише утримували протони в строго заданої траєкторії. Без них послідовний рух пучка елементарних частинок було б неможливо. А висока потужність електромагнітів пояснюється великою масою протонів при високій швидкості руху.

З якими проблемами зіткнулися вчені?

Одна з головних проблем при створенні цієї установки полягала саме в розгоні частинок. Звичайно, їм можна було надавати прискорення на кожному колі, однак при прискоренні їх маса ставала вище. При швидкості руху, близькою до швидкості світла (як відомо, ніщо не може рухатися швидше швидкості світла), їх маса ставала великою, з-за чого утримувати їх на круговій орбіті було складно. Зі шкільної програми нам відомо, що радіус руху елементів в магнітом поле назад пропорційна їх масі, тому з ростом маси протонів доводилося збільшувати радіус і використовувати великі сильні магніти. Подібні закони фізики сильно обмежують можливості для дослідження. До речі, ними ж можна пояснити, чому синхрофазотрон вийшов таким величезним. Чим більшим буде тунель, тим великі магніти можна встановити для створення сильного магнітного поля для утримання потрібного напрямку руху протонів.
Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування
Друга проблема – втрата енергії при русі. Частинки при проходженні по колу випромінюють енергію (втрачають її). Отже, при русі на швидкості частина енергії випаровується, і, чим вище швидкість руху, тим вище і втрати. Рано чи пізно настає момент, коли величини випромінюваної і одержуваної енергії порівнюються, що робить неможливим подальший розгін частинок. Відтак, виникають потреби у великих потужностях. Можна сказати, що ми тепер більш точно розуміємо, що це – синхрофазотрон. Але чого саме домоглися вчені в ході випробувань?

Які дослідження проводилися?

Природно, робота цієї установки не пройшла безслідно. І хоча від неї очікували отримати більш серйозні результати, деякі дослідження виявилися дуже корисними. Зокрема, вчені вивчили властивості прискорених дейтронів, взаємодій важких іонів з мішенями, розробили більш ефективну технологію для утилізації відпрацьованого урану-238. І хоча для звичайної людини всі ці результати мало про що говорять, в науковій сфері їх значимість важко переоцінити.
Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування

Застосування результатів

Результати проведених на синхрофазотроне випробувань застосовуються навіть сьогодні. Зокрема, вони використовуються під час будівництва електростанцій, що працюють на атомному паливі, застосовуються при створенні космічних ракет, робототехніки та складного обладнання. Безумовно, внесок у науку та технічний прогрес цього проекту досить великий. Деякі результати застосовуються і у військовій сфері. І хоча вченим не вдалося відкрити нові елементи, які можна було б використовувати для створення нових атомних бомб, насправді ніхто не знає, правда це чи ні. Цілком можливо, що від населення приховують деякі результати, адже варто враховувати, що даний проект був реалізований під грифом "Цілком таємно".

Висновок

Тепер ви розумієте, що це – синхрофазотрон, і яка його роль у науково-технічному прогресі СРСР. Навіть сьогодні подібні установки активно використовуються в багатьох країнах, ось тільки є вже більш вдосконалені варіанти – нуклотроны. Великий адронний коллайдер є, мабуть, найкращим на сьогоднішній день реалізацією ідеї синхрофазотрона. Застосування цієї установки дозволяє вченим точніше пізнавати мікросвіт за рахунок зіштовхування двох пучків протонів, що рухаються на величезних швидкостях.
Синхрофазотрон - що це: визначення, принцип дії, застосування
Що стосується нинішнього стану радянського синхрофазотрона, то він був перероблений в прискорювач електронів. Зараз працює в ФИАНе.