Современные ускорители заряженных частиц

ВЕСТНИК МЕЖДУНАРОДНОЙ АКАДЕМИИ НАУК (РУССКАЯ СЕКЦИЯ) • 2021 • 1
77
Физикотехнические, химические, точные науки
СОВРЕМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
И ИХ ПРИЛОЖЕНИЕ 
Ю. Э. Пенионжкевич 
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия
Научный исследовательский ядерный университет (МИФИ), Москва, Россия
Modern Charged Particle Gas Pedals and Their Applications
Yu. E. Penionzhkevich
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
National Research Nuclear University, Moscow, Russia
В статье рассматривается применение ускорителей заряженных частиц в различных научнотехнических исследо
ваниях и промышленности. Многочисленные возможности этих методов позволяют точно определять содержание
элементов в различных образцах, производить радиоизотопы для медицины, изготавливать ядерные мембраны. Эти
применения ядерного излучения доказывают, что они могут быть широко использованы для решения большого
разнообразия проблем, в том числе экологических.
Ключевые слова: ускорители заряженных частиц, ядерная физика, микромир, методы ускорения, безопасность
The paper reviews the application accelerators in different scientific and technical investigations, and industry. The many
possibilities these methods give for the exact determination of elemental abundances in different samples, the production
of radioisotopes for medicine, and the manufacturing of nuclear membranes. These applications of nuclear radiation
prove that they can be widely used in solving a great variety of problems, including ecological safety.
Keywords: charged particle gas pedals, nuclear physics, microcosm, acceleration methods, safety
Введение
Представление о ядерной физике у многих лю-
дей складывалось под влиянием наиболее яркого и
трагического использования этой науки для создания
атомной бомбы. Между тем, с момента открытия ра-
диоактивности супругами Кюри в 1895 году, ядерная
физика и большинство её фундаментальных результа-
тов внесли решающий вклад в развитие многих обла-
стей науки, техники и медицины. Стоит вспомнить в
связи с этим использование рентгеновских лучей в
медицине, эффекта Мёссбауэра для анализа структур-
ных особенностей твёрдых тел, радиоизотопный ме-
тод определения возраста различных объектов, акти-
вационный метод определения элементного состава
вещества с высокой чувствительностью (до 10–10
г/г),не говоря уже об использовании ядерной энергии
для получения электроэнергии. Этот список можно
было бы ещё и ещё продолжать. Поэтому необходимо
совершенно четко представлять себе, что ядерная фи-
зика настолько тесно вошла в нашу жизнь ,что без неё
уже немыслимо наше цивилизованное существова-
ние. Настоящая статья не претендует на полное опи-
сание всех возможностей методов ядерной физики в
решении важных для общества проблем. В ней пред-
ставлены лишь некоторые направления, развиваемые
с использованием ускорителей заряженных частиц —
это получение радиоизотопов для медицины, радио-
терапии, производство специальных микрофильтров,
радиационное материаловедение. Эти важные на-
правления использования результатов фундаменталь-
ных исследований ядерной физики и физики тяже-
лых ионов, в частности, успешно развиваются в
Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова Объ-
единённого института ядерных исследований в Дубне
и в других ведущих научных центрах мира. 
Ускорители заряженных частиц являются ос-
новным устройством, используем для изучения свойств
ядерной материи, а также для многих других областей
науки и техники. Ускоритель позволяет сформировать
пучок частиц или ядер с требуемыми для эксперимента
характеристиками (энергией, интенсивностью, прост-
ранственными размерами и т. д.). Ускорители различа-
ются типом ускоряемых частиц, характеристиками
пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конст-
рукцией. Диапазон ускорителей по энергии пучков
весьма разнообразен — от нескольких электроновольт
(электронные микроскопы) до несколько гиго и тераэ-
лектронвольт (коллайдеры). В ускорительной физике
используются следующие единицы:

ВЕСТНИК МЕЖДУНАРОДНОЙ АКАДЕМИИ НАУК (РУССКАЯ СЕКЦИЯ) • 2021 • 1
78
1 килоэлектронвольт — 1 кэВ = 103 эВ
1 мегаэлектронвольт — 1 МэВ = 106 эВ = 1000 кэВ
1 гигаэлектронвольт — 1 ГэВ = 109 эВ = 1000 МэВ
1 тераэлектронвольт — 1 ТэВ = 1012 эВ = 1000 ГэВ
Необходимость использования ускорителей для
исследования структуры микромира очевидна. Во-пер-
вых, атомные ядра и элементарные частицы занимают
очень малые области пространства, и проникновение в
эти области требует высокой разрешающей способнос-
ти зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодей-
ствие отдельной частицы с отдельным микрообъектом.
Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и
проведение экспериментов с перестройкой или разру-
шением внутренней структуры такого объекта также
требует большей энергии.
Зная размеры изучаемого объекта, легко оце-
нить энергию пробных частиц, необходимую, для его
изучения. Всякая частица обладает волновыми свойст-
вами. Длина её волны или линейный размер зависит от
импульса р (энергии) и дается формулой де Бройля
h 2 
π
h
–
2 
π
• 200 МэВ • Фм
λ
= — 
———
—————————————
p E E(МэВ)
Здесь h — постоянная Планка, а 1 Фм = 10
-13
см.
Приведённая формула даёт также связь между длиной
волны (линейным размером объекта) и её кинетичес-
кой энергией Е в мегаэлектронвольтах. Структура объ-
екта становится «видимой», если длина волны де Брой-
ля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R,
т. е. при 
λ
R. Качественное сравнение линейных раз-
меров микрообъектов и соответствующей энергии про-
тона представлено на рис. 1. Из рисунка видно, что для
исследования ядер и нуклонов необходимы энергии в
диапазоне 1 МэВ вой структуры бомбардирующей частицы необходимо
ускорять до энергий Е = 1 ГэВ — 1 ТэВ и более. В соот-
ветствии с этими задачами и определяется выбор того
или иного ускорителя. Существующие ускорители, а их
в настоящее время насчитывается более 10 тысяч, де-
лятся на две группы — исследовательские ускорители и
ускорители для прикладных исследований. К первой
группе относятся ускорители для исследований в обла-
сти ядерной физики и элементарных частиц, радиохи-
мии, физики твердого тела и др. Ко второй группе — ус-
корители для практического использования: облучение
природных образцов (активационный анализ), радио-
терапия (медицина), производство радиоизотопов, для
технологических облучений различных материалов,
применяемых в индустрии, радиографии и др.
Ускорители различаются типом ускоряемых час-
тиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивнос-
тью и др.), а также конструкцией. Наиболее распрост-
ранены ускорители электронов и протонов, поскольку
пучки этих частиц проще всего приготовить.
Любой ускоритель конструктивно состоит из
трёх частей — системы, где «изготавливаются» ускоря-
емые частицы (инжектор), ускорительной системы, где
низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно
сформированные в виде локализованных в пространст-
ве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию
до проектной, и системы транспортировки (вывода)
пучка к исследуемому объекту. Условно, с точки зрения
траектории, по которой частицы двигаются в процессе
ускорения, ускорители можно разбить на два класса —
линейные (и прямого действия) и циклические. В ли-
нейных ускорителях частицы в процессе ускорения
двигаются прямолинейно, а в циклических — либо по
одной и той же замкнутой траектории, многократно
проходя одни и те же ускоряющие промежутки (синх-
ротроны), либо по траектории, напоминающей раскру-
чивающуюся спираль (циклотроны, микротроны, фазо-
троны). Основными ускорителями, позволяющими
получать высокие энергии и интенсивности пучков за-
ряженных частиц, являются циклотроны, синхротро-
ны, линейные ускорители и ускорители на встречных
пучках. Ускорители бывают низких, средних и высоких
энергий. Ускорители низких энергий получают пучки
заряженных частиц в диапазоне 10–100 МэВ, ускори-
тели средних энергий имеют пучки с энергией
100–1000 МэВ, ускорители высоких энергий имеют
пучки с энергией 1 ГэВ и выше.