Лекция 20. Основы защиты ускорителей заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц — это ядсрно-физичсскис установки, предназначенные для получения интенсивных потоков частиц и фотонов с энергиями, как правило, более высокими, чем энергии радионуклидных источников.

Применение ускорителей заряженных частиц

Первые ускорители изобрели и использовали для изучения физики ядра в университетских научных центрах. Со временем область применения этих устройств значительно расширилась. Сейчас в мире действует более 12 000 ускорителей, и лишь примерно 1200 из них — исследовательские, причем они обслуживают не только физику, но и химию, биологию, медицину, материаловедение. Около 6000 ускорителей трудятся в полупроводниковой индустрии, полторы тысячи в прочих высокотехнологичных отраслях промышленности, примерно 4500 в онкологических клиниках, около двухсот используют для получения радиоактивных изотопов. Так что основная масса таких установок работает в промышленности и медицине. Тем не менее самые большие ускорители (их всего несколько десятков) сейчас, как и раньше, служат для проникновения в тайны микромира.

Научное применение ускорителей в первую очередь связано с исследованием структуры атомного ядра, структуры и свойств элементарных частиц и их взаимодействий. Ускоритель в этом случае — это по сути «микроскоп», позволяющий разглядеть устройство частиц и исследовать свойства их взаимодействий на очень малых масштабах. Но для таких исследований необходимы интенсивные пучки частиц с огромными энергиями. Применяемые для этих целей ускорители заряженных частиц являются очень сложными и очень большими электрофизическими установками, которые создают сильные магнитные поля и сообщают различным частицам (электронам, протонам, ионам) высокие энергии, необходимые для исследования мельчайших структурных элементов материи и энергии в природе. Исследование все меньших пространственных масштабов позволяет получать информацию о более ранних временах жизни нашей Вселенной.

Как известно, все силы в природе современная физика сводит к четырем элементарным взаимодействиям: гравитационному, слабому, электромагнитному и сильному. Опыты при высоких энергиях с использованием ускоренных заряженных частиц помогают, в частности, обнаружить связь между этими взаимодействиями. Но продвижение вглубь материи требует все больших и больших энергий. Отметим некоторые этапы в истории создания крупных кольцевых ускорителей протонов:

• • 1949 г. — в СССР в Дубне запущен синхроциклотрон на энергию 680 МэВ. В то время это был крупнейший ускоритель в мире;
• • 1952 г. — в США построен ускоритель Космотрон на энергию 3 ГэВ;
• • 1954 г. — в США запущен Бэватрон с энергией протонов 6,1 ГэВ;
• • 1957 г. — в Дубне запущен синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ;
• • 1959 г. — в ЦЕРНе (Швейцария) построен синхрофазотрон на энергию 28 ГэВ;
• • 1960 г. — в США запущен синхрофазотрон с энергией протонов 33 ГэВ;
• • 1967 г. — в СССР под Серпуховом в ИФВЭ запущен протонный синхротрон на энергию 76 ГэВ У-70 (см. Лекция 1, рис. 1.5), который в течение нескольких лет был крупнейшим в мире (крупнейший в Российской Федерации в настоящее время). Длина ускорительного кольца, которое находится в подземном туннеле, составляет 1,5 км;
• • 1976 г. — в ЦЕРНе запущен протонный суперколлайдер па энергию 300 ГэВ, которая затем была увеличена до 400 ГэВ;
• • 1987 г. — в США, Батавия (лаборатория Ферми) введен в эксплуатацию синхрофазотрон (Тэватрои) па энергию 1000 ГэВ (1 ТэВ). Длина ускорительного кольца равна 6,28 км;
• • 2008 г. — в ЦЕРНе произведен первый запуск Большого адронного коллайдера (БАК) на энергию 7 ТэВ (рис. 20.1).

Рис. 20.1. Аэрофотоснимок территории ЦЕРНа, на котором показаны подземные туннели ускорителей. Большое кольцо — Большой адронный коллайдер, (изображение с сайта: cdsweb.cem.ch).

БАК представляет собой кольцевой ускоритель с периметром 27 километров, туннель которого расположен на глубине около 100 метров. В туннеле ускорителя находятся примерно две тысячи сверхпроводящих магнитов, которые отклоняют протоны и удерживают их на кольцевой траектории.

Отметим также и крупнейший линейный ускоритель электронов SLAC, успешно работающий в Стенфордском исследовательском центре США с 1966 г. Он имеет длину 3,2 км и максимальную энергию ускоренных электронов 50 ГэВ (рис. 20.2). В настоящее время используется как линейный коллайдер.

Рис. 20.2. Аэрофотоснимок линейного ускорителя SLAC

Отметим лишь одно научное достижение, полученное с помощью ускорителей — обнаружение античастиц. Открытие современной физикой симметрии природы предполагает наличие античастиц и вполне допускает наличие во Вселенной антивещества. Вещество и антивещество не могут стабильно существовать вместе. В такой «смеси» непрерывно происходило бы взаимное уничтожение частиц и античастиц (аннигиляция) до тех пор, пока один из компонентов полностью не выгорит.

Позитроны были предсказаны П. Дираком и вслед за этим экспериментально обнаружены П. Андерсоном в атмосферных электрон-фотонных ливнях, источником которых является космическое излучение (Андерсон тогда не знал о предсказании Дирака). Это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике 1936 г. Антипротон был открыт в 1955 г. на «Бэватроне» в Беркли, что также было удостоено Нобелевской премии. В 1960 г. там же обнаружили антинейтрон. В 1969 г. на Серпуховском ускорителе протонов получено антивещество антигелий-3. Это антиядро имеет два антипротона и один антинейтрон и его существование обусловлено сильным взаимодействием между антинуклонами. Позднее на Серпуховском ускорителе были впервые обнаружены и зарегистрированы ядра антитрития. Кстати, один из вопросов, на который физики надеются ответить е помощью таких огромных ускорителей как БАК — почему во Вселенной не наблюдается антивещество?

Каждый серьезный ускоритель или коллайдер строится с расчетом на некую физику, которую можно «делать» на этой машине. Программа исследований на БАК — это огромная физическая программа: поиск бозона Хиггса, поиск суперсимметричных частиц, поиск дополнительных размерностей, изучение физики В-мезонов, изучение физики тяжелого кварка, топ кварка, тау-лептона, изучение эффектов нссохранения CP-четности, поиск частиц темной материи и многое другое. В ближайшие 15 лет БАК останется установкой с самой высокой энергией взаимодействия, равной 14 ТэВ.

Рис. 20.3. Малогабаритный бетатрон НИИ Интроскопии ТПУ на промышленном предприятии в Великобритании при контроле литых изделий с толщиной по стали до 300 мм Промышленное применение нс требует таких огромных, сложных и дорогостоящих ускорителей. Энергии ускоренных частиц (в основном электронов) ограничиваются здесь максимум несколькими десятками МэВ.

Дефектоскопия. Большое применение в дефектоскопии наряду с рентгеновскими аппаратами и радионуклидными установками находят линейные ускорители и бетатроны — индукционные ускорители электронов. Большую историю разработки и применения бетатронов имеет Томский политехнический университет. Малогабаритные бетатроны, разработанные в НИИ Интроскопии ТПУ работают во многих странах (рис. 20.3).

Технологические процессы. Обычно при этом используются ускорители на небольшие энергии, но имеющие большой ток ускоренных частиц и достаточно большие размеры пучка. Применяются пучки ускоренных частиц, например, для упрочнения поверхности металлических изделий и металлорежущих инструментов (наносится нитрид титана). Облучение различных материалов используется для повышения их точки плавления, прочности на разрыв, долговечности. Бомбардировка поверхностей материалов различными ионами является одним из эффективных способов имплантирования ионов на заданную глубину, для создания специфических свойств материалов, например, полупроводниковых. Одно из технологических применений ускорителей — стерилизация медицинских изделий, например одноразовых шприцов, лекарственных средств. Электронные и ионные пучки применяются в электронной и ионно-лучевой литографии при изготовлении интегральных микросхем. Благодаря более короткой длине волны этих частиц по сравнению со светом удается достигать разрешения до 10 им.

Медицинское применение ускорителей привело к созданию ядсрной медицины и лучевой терапии. По данным ООН в настоящее время каждая пятая смерть на планете происходит вследствие онкологических заболеваний.

Рис. 20.4. Малогабаритный бетатрон НИИ Интроскопии ТПУ с выведенным электронным пучком используется в НИИ Онкологии г. Томск для интраоперационной лучевой терапии

Существует несколько способов борьбы с этим страшным заболеванием, начиная с известного веками хирургического вмешательства. Но наиболее действенный и щадящий пациента метод лечения — лучевая терапия (рис. 20.4). В целом эффективность лучевой терапии оценивается за рубежом на уровне 60% (в Российской Федерации — около 40%). В мире работают уже около 10 тысяч специализированных центров на электронных ускорителях (более половины в США).

Упомянем еще одну область применения ускорителей — производство радионуклидов. Две трети всех известных в настоящее время радионуклидов были открыты в результате исследований ядерных реакций на ускорителях. Несмотря на то, что 80% радиоизотопов получают на ядерных реакторах, в последние годы расширяется их получение и на ускорителях в основном для медицинских целей.