Коллайдер VS Источник СИ
02.02.2022
Коллайдер VS Источник СИ
Многие наверняка слышали термин «коллайдер». Или смутно припоминают, что где-то (подскажем, что на границе Швейцарии и Франции) находится Большой адронный коллайдер, один из проектов Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN). Причем тут наш будущий источник синхротронного излучения СКИФ? Дело в том, что в основе действия и того, и другого объекта исследовательской инфраструктуры лежит ускорение заряженных частиц. Но в чем разница между этими громадинами? Рассказывает научный сотрудник отдела ускорительных систем ЦКП «СКИФ» Григорий Баранов.
- Начнем с того, что первый коллайдер на встречных пучках появился в 1965 году, это был ВЭП-1 в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. А эксперименты на первом специализированном источнике синхротронного излучения (СИ) начались в 1981 году (Лаборатория Дэрсбери, Великобритания). Специализированный — значит созданный только для генерации СИ.
Вообще СИ рождается не только в таких профильных машинах. Оно было открыто случайно в ходе экспериментов с элементарными частицами, и по сути было паразитным эффектом, путало все карты исследователям. СИ уносило немалую часть энергии, которую ученые с такими усилиями закачивали в пучок заряженных частиц, разогнанных почти до скорости света. Потом, конечно, поняли, что это полезное излучение и что его можно использовать для решения самых разных задач. Поэтому и стали делать специализированные источники генерации СИ.
Главное отличие коллайдера от источника СИ состоит в том, что в последнем может присутствовать только один тип частиц и они друг с другом не сталкиваются.
Коллайдеры работают в интересах исключительно физики элементарных частиц. Ученые хотят заглянуть внутрь частиц и узнать, каким образом ведут себя субатомные элементы. Для этого сталкивают частицы и их антиподы — античастицы. Почему это интересно? Из частиц состоит все, что окружает нас с вами — материя. Кроме того, при столкновении частиц рождаются новые частицы, которые также важны для физиков.
Источники СИ — это центры мультидисциплинарных исследований, без них невозможно развитие многих фундаментальных и прикладных направлений. Например, химии, физики, материаловедения, биологии, геологии, гуманитарных наук. Также источники СИ помогают решать актуальные задачи химической/нефтехимической индустрии, авиа-, судостроения, космической промышленности, фармацевтических компаний и др.
Насколько мне известно, в мире около 6 действующих коллайдеров (два из них в ИЯФ - ВЭПП-4 и ВЭПП-200). Источников СИ в мире больше — около 50.
Расскажу о схеме работы источника СИ, которая будет реализована и на СКИФ.
Есть электронная пушка, или, если вспомнить школьный курс физики, то можно представить себе катод. К этому «катоду» прикладывают напряжение, в результате из него вылетают электроны. Они обладают пока не очень большой скоростью. Затем сгусток электронов попадает в линейный ускоритель, где происходит оформление этого сгустка в пучок и ускорение почти до скорости света.
Затем пучок попадает в бустерный (малый) синхротрон, он поднимает энергию электронов в 6 раз (до 3 ГэВ) за секунду. После этого частицы попадают в основной накопитель, который представляет собой вакуумную трубу в форме «бублика». Электроны летят по кругу и на своем пути встречают вставные магнитные устройства – вигглеры или ондуляторы, которые заставляют частицы двигаться по криволинейной траектории. В результате и рождается СИ. По специальным выводам синхротронное излучение попадает на экспериментальные станции, где ученые ставят на его пути образцы и проводят необходимые исследования.
Когда частица излучает СИ, то она теряет энергию. Кроме того, в пучке происходят спонтанные процессы, в результате которых уменьшается количество электронов. Если не компенсировать потерянную энергию и количество частиц в пучке, то, спустя некоторое время, в накопительном кольце не будет ни одной частицы.
Чтобы этого не произошло, во-первых, из бустерного синхротрона с определенной периодичностью поступают новые порции заряженных и ускоренных электронов. Во-вторых, внутри накопителя установлены высокочастотные резонаторы. Они на каждом обороте компенсируют потерянную на СИ энергию.
Кстати, не все источники СИ имеют форму кольца, просто круглая форма позволяет наиболее эффективно использовать энергию заряженных электронов.
Если говорить про источники СИ в России, то есть 2 неспециализированных источника СИ в ИЯФ СО РАН (ВЭПП-3, ВЭПП-4), и такие источники входят в 1-ое поколение, а также специализированный источник СИ «КИСИ» в Курчатовском институте — это 2-ое поколение. Источников поколения «3» или «4» в России нет.
Разделение на поколения условно осуществляется по эмиттансу пучка (фазовому объему пучка). Каждое поколение – эмиттанс на порядок-два меньше. Первое — сотни нанометров, второе — десятки, третье — единицы, четвертое — десятые доли нанометров (сотни пикометров).
Источник СИ «СКИФ» будет обладать эмиттансом – 75 пм*рад (менее сотни пикометров), что можно отнести к поколению «4+».
От эмиттанса сильно зависит яркость излучения. Чем меньше эмиттанс, тем меньшую область освещает пучок, но количество фотонов остается тем же, что и в пучке с большим эмиттансом. Таким образом большее количество фотонов попадает на меньшую площадь образца, соответственно качество освещения будет значительно лучше. Таким образом, СКИФ будет самым ярким источником СИ в мире.
