БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (УС)
Основная характеристика системы со встречными пучками – величина, которая определяет число (N ) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью (1.) установки. Если изучается взаимодействие с сечением d, то N = L (. В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = R (N 1 N 2 /S )w/2p, где N 1 , N 2 – полные числа частиц в каждом пучке, заполняющем кольца, S – площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w – круговая частота обращения частиц по замкнутой орбите, R – коэффициент использования установки, равный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае R зависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относительных размеров пучков. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10-26 –10-32 см2 , величина светимости должна составлять 1028 –1032 см -2 сек -1 . Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966 сов. физиком Г. И. Будкером для тяжёлых частиц (протонов и антипротонов), у которых из-за практического отсутствия синхротронного излучения не происходит автоматического затухания поперечных колебаний частиц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой температурой. Экспериментальное подтверждение этого эффекта было впервые получено в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (1974).
Для того чтобы обеспечить непрерывный физический эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение которого интенсивность пучка уменьшается в е (2,7 раз) зависит от ряда эффектов. Главные из них – однократное и многократное рассеяние ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для электронов и позитронов – синхротронное излучение и квантовые флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка – относительная величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе) – 0,1%/ч при токе 22 а ]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10-11 мм рт. ст. в объёме камеры и 10-12 мм рт. ст. в зонах встречи пучков.
Необходимым элементом ускорителя со встречными е- е + пучками является электрон-позитронный конвертер – металлическая мишень (с толщиной около 1 радиационной длины; на рис. 1 на прямом пучке), в которой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь, – пары электрон-позитрон. Коэффициент конверсии – отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона – при энергии электронного пучка в сотни Мэв может достигать величины 10-4 для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.
Для схемы протон-протонных столкновений (рис. 2 ), реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить несколько физических экспериментов.
Типичные параметры наиболее крупных У. на в. п. приведены в таблице.
Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры
Установка Тип встречных пучков Энергия, Мэв Средний радиус орбиты, м Светимость, см-2 ×сек-1 Год запуска ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск) е+ е- 2 ´700 1,9 ~ 1029 1966 ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск) е+ е- 2 ´3500 12,0 ~ 1030 заканчивается сооружение SPEAR (США, Станфорд) е+ е- 2 ´4500 37,2 6×1030 1972 АСО (Франция, Орсе) е+ е- 2 ´540 3,5 1029 1966 ADONE (Италия, Фраскати) е+ е- 2 ´1500 16,4 6 ×1029 1969 ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева) рр 2 ´31400 150 6,7 ×1030 1971 ISABELLE (США, Брук-хейвен) 2 ´200 ×103 428 проектируется РЕР (США, Станфорд) е+ е- 2 ´15 ×103 350 1032 проектируется SUPER ADONE (Италия, Фраскати) е+ е- 2 ´12 ×103 136 1032 проектируетсяКраткая история развития У. на в. п. Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956 во многих лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956–66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам – электронам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для которых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв. Первые установки на встречных е- е- и е- е + пучках были созданы в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных ускорителей (амер. физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей в Орсе (П. Марин и др., Франция).
В связи с запуском в 1959–60 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэв и в США на 33 Гэв открылись реальные возможности для создания накопительных колец на встречных рр пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопительных кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв (К. Йонсен с сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22–25 а и светимости 6,7-1030 см -2 сек -1 стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, р и pe— накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании, реализация которых предполагается в 1980–90.
Лит.: Kerst D. W., Properties of an intersectingbeam accelerating system, CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36; Будкер Г. И., Наумов А. А. и др., Работы по встречным электрон-электронным, позитрон-электронным и протон-протонным пучкам в Институте ядерной физики СО АН СССР, в кн.: Труды Международной конференции по ускорителям. Дубна. 1963, М., 1964, с. 274–87; Jonsen К. [а. о.], Some problems connected with the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312–25; Будкер Г. И., Ускорители и встречные пучки, в кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва. 1974, М., 1975, т. 2, с. 300–318.
В. П. Дмитриевский.
Рис. 1. Схема ускорителя на встречных электрон-позиторонных пучках. Пучок ускоренных в синхротороне С электронов (е- ) выводится по каналу 1 и попадает на мишень М, в которой рождаются позитроны (е+ ). В течение некоторого времени позитроны накапливаются в накопительном кольце НК, после чего включаются поворотные магниты ПМ, с помощью которых электронный пучок из С направляется по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение пучков е+ е- (КЛ — фокусирующие магнитные квадрупольные линзы).
Рис. 2. а — схема расположения синхрофазотрона (СФ) и двух пересекающихся накопительных колец НК, в которых происходят протон-протонные столкновения (установка в ЦЕРНе); 1—8 — места пересечения колец; стрелки указывают направление движения протонов (р); K1 , K2 — каналы для ввода протонов в НК (в бустере производится предварительное ускорение протонов; в НК протоны дополнительно ускоряются до 31,4 Гэв ). б — деталь пересечения пучков протонов между сечениями AA'; 1 — элементы структуры магнита, фокусирующего пучки протонов.
