СИНХРОТРО́Н

СИНХРОТРО́Н, ус­ко­ри­тель за­ря­жен­ных час­тиц, в ко­то­ром час­ти­цы цир­ку­ли­ру­ют по замк­ну­той кри­во­ли­ней­ной ор­би­те по­сто­ян­ной гео­мет­рии. Ор­би­та, как пра­ви­ло, про­хо­дит по ду­гам по­сто­ян­но­го ра­диу­са, со­еди­нён­ным ко­рот­ки­ми пря­мо­ли­ней­ны­ми уча­ст­ка­ми. На пря­мо­ли­ней­ных уча­ст­ках час­ти­цы ус­ко­ря­ют­ся элек­тро­маг­нит­ным по­лем вы­со­кой час­то­ты, на кри­во­ли­ней­ных – по­во­ра­чи­ва­ют под дей­ст­ви­ем маг­нит­но­го по­ля. На нач. 21 в. С. – осн. тип цик­лич. ре­зо­нанс­ных ус­ко­ри­те­лей, по­зво­ляю­щий не­ог­ра­ни­чен­но уве­ли­чи­вать энер­гию тя­жё­лых час­тиц (про­то­нов, ан­ти­про­то­нов, ио­нов). При ус­ко­ре­нии в С. элек­тро­нов и по­зи­тро­нов осн. ог­ра­ни­че­ни­ем макс. энер­гии час­тиц яв­ля­ют­ся по­те­ри энер­гии на син­хро­трон­ное из­лу­че­ние.

Час­ти­цы вво­дят­ся в С. с по­мо­щью им­пульс­ных элек­тро­маг­нит­ных по­лей, по­лу­чив дос­та­точ­но боль­шую на­чаль­ную ки­не­тич. энер­гию в пред­ва­ри­тель­ном ус­ко­ри­те­ле-ин­жек­то­ре (од­ном или не­сколь­ких по­сле­до­ва­тель­ных). Ус­ко­ряю­щее на­пря­же­ние в С. соз­да­ёт­ся од­ной или не­сколь­ки­ми ус­ко­ряю­щи­ми стан­ция­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми на пря­мо­ли­ней­ных уча­ст­ках ор­би­ты пуч­ка. Маг­нит­ное по­ле, фор­ми­рую­щее ор­би­ты час­тиц в С., в про­цес­се ус­ко­ре­ния воз­рас­та­ет (цикл ус­ко­ре­ния на­чи­на­ет­ся при ма­лой ве­ли­чи­не маг­нит­но­го по­ля). По за­вер­ше­нии цик­ла ус­ко­ре­ния час­ти­цы вы­во­дят­ся из сис­те­мы или ис­поль­зу­ют­ся для экс­пе­ри­мен­тов не­по­сред­ст­вен­но в ка­ме­ре ус­ко­ри­те­ля. За­тем цикл ус­ко­ре­ния по­вто­ря­ет­ся. Для обес­пе­че­ния ре­жи­ма син­хрон­но­го ус­ко­ре­ния час­то­та ус­ко­ряю­ще­го по­ля в лю­бой мо­мент цик­ла долж­на быть рав­на час­то­те об­ра­ще­ния час­тиц или пре­вы­шать её в це­лое чис­ло раз (крат­ность ус­ко­ре­ния). При ус­ко­ре­нии пу­чок час­тиц рас­па­да­ет­ся на неск. сле­дую­щих друг за дру­гом сгу­ст­ков, макс. ко­ли­че­ст­во ко­то­рых рав­но крат­но­сти ус­ко­ре­ния.

Раз­ли­ча­ют С. с по­сто­ян­ной и воз­рас­таю­щей час­то­той ус­ко­ряю­ще­го по­ля. Пер­вый ис­поль­зу­ет­ся для по­вы­ше­ния энер­гии ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц, ско­рость ко­то­рых прак­ти­че­ски рав­на ско­ро­сти све­та и по­то­му поч­ти не из­ме­ня­ет­ся. Вто­рой при­ме­ня­ют для ус­ко­ре­ния про­то­нов и ио­нов при ма­лой на­чаль­ной энер­гии час­тиц (т. н. про­тон­ный или ион­ный С.).

Идея соз­да­ния ус­ко­ри­те­ля с по­сто­ян­ной ор­би­той час­тиц пред­ло­же­на М. Оли­фан­том в 1943 и по­лу­чи­ла тео­ре­тич. обос­но­ва­ние в прин­ци­пе ав­то­фа­зи­ров­ки, от­кры­том В. И. Векс­ле­ром в 1944 и не­за­ви­си­мо от не­го Э. Мак­мил­ла­ном в 1945. В пер­вом по­ко­ле­нии про­тон­ных С., по­стро­ен­ных в 1940–50-х гг., ус­той­чи­вость по­пе­реч­но­го дви­же­ния обес­пе­чи­ва­лась за счёт при­ме­не­ния сла­бой (т. н. мяг­кой) фо­ку­си­ров­ки час­тиц. Са­мый боль­шой мяг­ко­фо­ку­си­рую­щий про­тон­ный С. на энер­гию 10 ГэВ был со­ору­жён в Объ­е­ди­нён­ном ин-те ядер­ных ис­сле­до­ва­ний (ОИЯИ) под рук. Векс­ле­ра в 1957 (мас­са маг­ни­та со­став­ля­ла 36000 т). Ус­тар. на­зва­ние та­ко­го ти­па ус­ко­ри­те­лей – син­хро­фа­зо­трон – ны­не ис­поль­зу­ет­ся как собств. имя это­го ус­ко­ри­те­ля. Син­хро­фа­зо­трон – пер­вый про­тон­ный С., пе­ре­обо­ру­до­ван­ный для ус­ко­ре­ния бо­лее тя­жё­лых ио­нов.

В 1952 амер. фи­зи­ки Э. Д. Ку­рант, М. С. Ли­винг­стон и Х. С. Снай­дер (и не­за­ви­си­мо от них греч. фи­зик Н. Кри­сто­фи­лос в 1950) пред­ло­жи­ли прин­цип жё­ст­кой (зна­ко­пе­ре­мен­ной) фо­ку­си­ров­ки час­тиц. При­ме­не­ние это­го прин­ци­па по­зво­ли­ло в неск. раз уве­ли­чить энер­гию час­тиц (при той же стои­мо­сти ус­ко­ри­те­ля). Тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния жё­ст­кой фо­ку­си­ров­ки про­во­ди­лись в СССР под рук. В. В. Вла­ди­мир­ско­го при раз­ра­бот­ке про­тон­но­го С. на энер­гию 7 ГэВ (вве­дён в экс­плуа­та­цию в 1961 в Ин-те тео­ре­тич. и экс­пе­рим. фи­зи­ки АН СССР, в 1974 энер­гия уве­ли­че­на до 10 ГэВ). В пер­вых жё­ст­ко­фо­ку­си­рую­щих С. по­во­рот и фо­ку­си­ров­ка пуч­ка осу­ще­ст­в­ля­лись од­ним и тем же маг­ни­том. Круп­ней­ший С. это­го ти­па на энер­гию 70 ГэВ со­ору­жён в СССР в 1967 (Сер­пу­хов­ский протонный С., Протвино). При­ме­не­ние маг­нит­ных сис­тем с раз­де­лён­ны­ми функ­ция­ми (для по­во­ро­та час­тиц ис­поль­зу­ют­ся ди­поль­ные, а для фо­ку­си­ров­ки – квад­ру­поль­ные маг­ни­ты) по­вы­си­ло эф­фек­тив­ность ра­бо­ты С. Пер­вый ус­ко­ри­тель та­ко­го ти­па на энер­гию 400 ГэВ со­ору­жён в Ба­та­вии (США) в 1972.

Даль­ней­шее по­вы­ше­ние энер­гии час­тиц бы­ло дос­тиг­ну­то за счёт при­ме­не­ния сверх­про­во­дя­щих маг­ни­тов, соз­даю­щих маг­нит­ное по­ле су­ще­ст­вен­но боль­шей ве­ли­чи­ны (по­зво­ляю­щее фор­ми­ро­вать ор­би­ты час­тиц с боль­шой энер­ги­ей). Пер­вым С., ис­поль­зую­щим сверх­про­водя­щие маг­ни­ты, стал Тэ­ва­трон Фер­ми­ев­ской нац. ус­ко­ри­тель­ной ла­бо­ра­то­рии (США) с энер­ги­ей пуч­ка ок. 1 ТэВ. С 1993 в ОИЯИ экс­плуа­ти­ру­ет­ся Нук­ло­трон – С. со сверх­про­во­дя­щи­ми маг­ни­та­ми, пред­на­зна­чен­ный для ус­ко­ре­ния тя­жё­лых ио­нов до энер­гии ок. 6 ГэВ на ну­клон. Пла­ни­ру­ет­ся ис­поль­зо­ва­ние это­го С. в ка­че­ст­ве ин­жек­то­ра для со­ору­жае­мо­го в ОИЯИ ад­рон­но­го кол­лай­де­ра.

В ря­де цен­тров ядер­ных ис­сле­до­ва­ний (в Гер­ма­нии, США, Япо­нии, Ки­тае и др.) осу­ще­ст­в­ля­лись раз­ра­бот­ка и со­ору­же­ние элек­трон­ных С. В СССР элек­трон­ный С. на энер­гию 6 ГэВ, раз­ра­бо­тан­ный Ю. Ф. Ор­ло­вым, был за­пу­щен в 1967 в Ере­ва­не, неск. элек­трон­ных С. бы­ло по­строе­но под рук. Г. И. Буд­ке­ра в Но­во­си­бир­ске. Са­мый боль­шой С. (пе­ри­метр тун­не­ля со­став­ля­ет 27 км), при­ме­няв­ший­ся для ус­ко­ре­ния элек­тро­нов и по­зи­тро­нов, был со­ору­жён в ЦЕРН в 1989. К 2000 в этом С. энер­гия час­тиц бы­ла до­ве­де­на до 104 ГэВ (для ус­ко­ре­ния элек­тро­нов до бóльших энер­гий эф­фек­тив­нее ис­поль­зо­вать ли­ней­ный ус­ко­ри­тель). Ны­не в этом тун­не­ле раз­ме­щён са­мый боль­шой совр. С. (Боль­шой ад­рон­ный кол­лай­дер) с макс. энер­ги­ей про­то­нов 7 ТэВ. Об­су­ж­да­ет­ся воз­мож­ность соз­да­ния С. сле­дую­ще­го по­ко­ле­ния с энер­ги­ей про­то­нов до 50 ТэВ и пе­ри­мет­ром ор­би­ты 100 км.

С. ис­поль­зу­ют­ся в осн. для фун­дам. ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти фи­зи­ки час­тиц. Все совр. кол­лай­де­ры вы­со­кой энер­гии яв­ля­ют­ся С. Элек­трон­ные С. при­ме­ня­ют в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков син­хро­трон­но­го из­лу­че­ния. На нач. 21 в. соз­да­но неск. мед. цен­тров, в ко­то­рых при по­мо­щи не­боль­шо­го С. про­во­дят ад­рон­ную (про­тон­ную и уг­ле­род­ную) те­ра­пию он­ко­ло­гич. за­бо­ле­ва­ний. Для на­уч­ных (в об­лас­ти фи­зи­ки ней­три­но) и при­клад­ных ис­сле­до­ва­ний раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся и мо­дер­ни­зи­ру­ют­ся про­тон­ные С. с энер­ги­ей в неск. де­сят­ков ГэВ и не­пре­рыв­ной мощ­но­стью пуч­ка 1 МВт и вы­ше.