akceleratory liniowe naładowanych cząstek. Akceleratorów cząstek pracy. Dlaczego akceleratory cząstek?

Przyspieszacz naładowanych cząstek – urządzenie, w którym wiązka z elektrycznie naładowanych atomów i cząstek elementarnych, poruszających się z prędkością prawie. Podstawą jego pracy jest konieczne zwiększenie ich energię pola elektrycznego i zmienić trajektorię – magnetyczne.

Jakie są akceleratory cząstek?

Urządzenia te są szeroko stosowane w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Do tej pory na całym świecie istnieje ponad 30 tys. Dla fizycznych naładowanych akceleratory służyć jako narzędzia do badań podstawowych w strukturze węgla, rodzaju sił atomowych i właściwości jądrowej, które nie występują w przyrodzie. Te ostatnie obejmują transuranowych i innych nietrwałych.

Przy czym lampa wyładowcza możliwe stało się określenie narzut. Naładowane akceleratory są również stosowane do wytwarzania radioizotopów w radiografii przemysłowej, radioterapia, na sterylizacji materiałów biologicznych, w analizie radiowęgla. Największe jednostki są stosowane w badaniu oddziaływań fundamentalnych.

Żywotność naładowanych cząstek w spoczynku względem akceleratora jest mniejsze niż cząstki przyspieszane do prędkości zbliżone do prędkości światła. Potwierdza to stosunkowo niewielką ilość stacji czasowych. Na przykład w CERN został osiągnięty wzrost życia mionu 0,9994c prędkością 29 razy.

Ten artykuł wygląda na to, co jest w środku i działa akcelerator cząstek, jego rozwój, różne rodzaje i różne możliwości.

zasady przyspieszenia

Niezależnie od tego, jakiego rodzaju akceleratorów cząstek naładowanych wiesz, wszystkie one mają wspólne elementy. Po pierwsze, muszą mieć źródło elektronów w przypadku kineskopu telewizyjnego lub elektronów, protonów i ich antycząstki w przypadku większych instalacji. Ponadto muszą one wszystkie mają pól elektrycznych do przyspieszenia cząstek i pól magnetycznych, aby kontrolować ich trajektorii. Ponadto, ciśnienie w naładowanym akceleratora cząstek (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimalnej ilości resztkowego powietrza, wymagane do zapewnienia długich belek czas życia. Na koniec, wszystkie urządzenia muszą mieć środki rejestracyjne, do zliczania i pomiaru przyspieszonych cząsteczek.

generacja

Elektrony i protony, które są najczęściej używane w akceleratorach, znajdują się we wszystkich materiałach, ale najpierw muszą wybrać jedną z nich. Elektrony zazwyczaj są generowane w taki sam sposób jak w kineskopu – w urządzeniu, które nazywa się „pistolet”. Jest katodę (elektrodą ujemną) w próżni, która jest ogrzewana do stanu, w którym elektrony zaczynają się od atomów. Ujemnie naładowane cząstki są przyciągane do anody (elektrodą dodatnią) i przechodzi przez otwór. Sam pistolet najprostszym jako przyspieszacz elektronów, ponieważ poruszają się pod wpływem pola elektrycznego. Napięcie między katodą i anodą, zwykle w zakresie 50-150 kV.

Oprócz elektronów we wszystkich materiałów zawartych protony, ale tylko jeden proton pierścień składający się z atomów wodoru. W związku z tym, źródło cząstek akceleratory protonów wodoru gazowego. W tym przypadku, gaz jest jonizowany i protony znajdują się przez otwór. W dużych akceleratory protonów są często ukształtowane w postaci jonów wodorowych ujemnych. Stanowią one dodatkowe elektronów w atomach, które stanowią produkt dwuatomowy jonizacji gazu. Ponieważ ujemnie naładowanych jonów wodorowych w początkowych stadiach prac łatwiejsze. Następnie przechodzą one przez cienką folią, która pozbawia je elektronów przed końcowym etapie przyspieszenia.

przyśpieszenie

Jak akceleratory cząstek pracy? Kluczową cechą ich wszystkich jest pole elektryczne. Najprostszym przykładem – jednolite pole statyczne pomiędzy dodatnimi i ujemnymi potencjały elektryczne, podobne do tego, jaki istnieje pomiędzy zaciskami akumulatora elektrycznego. Pole elektronów niesie ujemny ładunek jest poddany działaniu siły, która kieruje ją do potencjału dodatniego. Przyspiesza to i czy jest coś, które stoją na drodze, jego szybkość i siłę wzrostu. Elektrony się w kierunku dodatniego potencjału na przewodzie lub na powietrzu, i zderzają się z atomami tracić energii, lecz w przypadku gdy znajdują się w próżni, a następnie przyspieszony, jak zbliżają się do anody.

Napięcie między pozycji startowej i koniec Definiuje elektronowych zakupione im energię. Podczas poruszania się różnicę potencjałów 1 V wynosi 1 elektronów wolt (EV). Jest to równoważne 1,6 x 10 ^-19 dżuli. Energia lecącego komara bilion razy więcej. W elektronów kineskopowych są przyspieszane napięciem wyższym niż 10 kV. Wiele akceleratory osiągnąć znacznie wyższe energie zmierzone mega, giga i tera-elektron-wolt.

gatunek

Niektóre z wcześniejszych rodzaju akceleratorów cząstek, takich jak powielacz napięcia i generator generatora Van de Graaff, przy użyciu stałego pola elektrycznego generowanego przez potencjałów aż do milionów woltów. Przy tak wysokich napięć pracy łatwe. Bardziej praktycznym rozwiązaniem jest powtarzane działania słabych pól elektrycznych wytwarzanych niski potencjał. Zasada ta stosuje się dwa rodzaje akceleratorów nowoczesnych – liniowe i cykliczne (głównie cyklotronów i synchrotrony). Liniowe akceleratory cząstek, w skrócie, przekazał je raz za pośrednictwem sekwencji pól przyspieszenie, natomiast cyklicznie wiele razy oni poruszać się po torze kołowym przez stosunkowo małym polu elektrycznym. W obu przypadkach, końcowa energia cząstek zależy od całkowitego pola działania, tak, że wiele małych „wybrzuszenia” są dodawane do siebie, uzyskując łączne działanie pojedynczy duży.

Powtarzające się struktury liniowego akceleratora do generowania pól elektrycznych w naturalnym sposobem jest skorzystanie z AC, a nie stałego. Dodatnio naładowane cząstki są przyspieszane do potencjału ujemnego i otrzymać nowy impuls, jeśli przejdzie pozytywnie. W praktyce napięcie musi być bardzo szybko zmienić. Na przykład, przy energii 1 przemieszcza MeV protonów z dużą prędkością jest prędkość światła 0,46, przechodząc 1,4 M 0,01 ms. Oznacza to, że w powtarzającej się strukturze kilku metrów, że pole elektryczne musi zmienić kierunek przy częstotliwości co najmniej 100 MHz. Akceleratory liniowe i cykliczne zazwyczaj cząstki rozpraszają je zmiennego pola elektrycznego częstotliwości od 100 MHz do 3000, t. E. W zakresie fal radiowych do mikrofal.

Fala elektromagnetyczna jest połączeniem oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych, drgających prostopadle do siebie. Najważniejsze jest to, aby wyregulować fali gazu, tak że w chwili przybycia cząstek pole elektryczne jest skierowana zgodnie z wektorem przyspieszenia. Można to zrobić za pomocą stojącej fali – połączenie fal przemieszczających się w przeciwnych kierunkach, w zamkniętej przestrzeni, fale dźwiękowe w organie rury. Alternatywny przykład wykonania do szybkiego przenoszenia elektronów, których prędkość zbliża się do prędkości światła, o fali.

autophasing

Ważnym efektem przyspieszenia w zmiennym polu elektrycznym jest „stabilność fazowa”. W jednym cyklu oscylacji pole przemienne przechodzi przez zero od wartości maksymalnej do zera, to zmniejsza się do minimum, a wznosi się do zera. Tak więc, gdy przechodzi dwukrotnie przez wartości wymaganej dla przyspieszenia. Jeśli cząstka którego prędkość wzrasta, przychodzi zbyt wcześnie, to nie będzie działać pole dostatecznej wytrzymałości i push będzie słaby. Gdy osiągnie kolejny obszar, test późno i większy wpływ. Ponieważ występuje to wynik, samo-stopniowego, cząstki będą w fazie z każdego pola w obszarze przyspieszenia. Innym skutkiem jest grupując je w czasie do wytworzenia skrzepu zamiast ciągłego strumienia.

Kierunek promienia

Ważną rolę w jaki sposób działa i akcelerator cząstek, odtwarzać i pól magnetycznych, ponieważ mogą one zmienić kierunek ich ruchu. Oznacza to, że mogą one być wykorzystywane do „kształt” wiązki po torze kołowym, dzięki czemu przechodzi przez wielokrotnie w tym samym odcinku przyspieszającym. W najprostszym przypadku, na cząstki naładowane porusza się prostopadle do kierunku pola magnetycznego jednorodnej, wektor siły prostopadłą do obu jego ruchu, a w dziedzinie. To powoduje, że wiązki do poruszania się po torze kołowym prostopadle do pola, aż wyjdzie z obszaru jego działania lub innym życie zaczyna działać na nim. Efekt ten jest wykorzystywany w akceleratorach cykliczne, takie jak cyklotron i cyklotronu. W cyklotronie, pole stałe jest produkowany przez duży magnes. Cząstki ze wzrostem ich energii przeprowadzka spiralnie na zewnątrz przyspieszone z każdej rewolucji. Skrzepy Synchrotron poruszać pierścienia o stałym promieniu, a pole wytwarzane przez elektromagnesy wokół pierścienia, co zwiększa cząstki są przyspieszane. Magnesy zapewniające „gięcie”, stanowią dipole z biegunów, wygięte w kształcie podkowy tak, że wiązka może przechodzić pomiędzy nimi.

Drugą ważną funkcją elektromagnesów jest skupienie wiązki tak, że są one tak wąskie i intensywne, jak to możliwe. Najprostszą formą ogniskowania magnes – z czterech Polaków (dwóch północnej i południowej) dwóch położonych naprzeciwko siebie. Oni pchania cząstki do centrum w jednym kierunku, ale mogły być dystrybuowane w prostopadłe. Magnesy kwadrupolowe ogniskowania wiązki w poziomie, pozwalając mu przejść nieostry pionie. Aby to zrobić, muszą one być stosowane w parach. Dla bardziej dokładne skupienie wykorzystywane są również bardziej wyrafinowane magnesy o dużej liczbie biegunów (6 i 8).

Ponieważ energia wzrasta cząstek, siła pola magnetycznego, skierowanie ich wzrostu. To utrzymuje belkę na tej samej trajektorii. Skrzep jest wprowadzany do pierścienia i jest przyspieszany do pożądanej energii zanim zostanie wycofana i używane do celów doświadczalnych. Odsunięcie uzyskuje się przez elektromagnesy, które są włączane do pchania cząstek od pierścienia synchrotronowej.

zderzenie

Naładowane akceleratory stosowane w medycynie i przemyśle, głównie wytwarzają wiązkę do określonego celu, na przykład, promieniowanie lub implantację jonową. Oznacza to, że cząstki stosowane jednocześnie. Tak samo było z akceleratorów wykorzystywanych w badaniach podstawowych przez wiele lat. Jednakże pierścienie zostały opracowane w 1970 roku, w którym dwie belki krążącego w przeciwnych kierunkach i zderzają się po obwodzie. Główną zaletą tego typu systemu jest to, że w widoku z przodu energię zderzeń cząstek przechodzi bezpośrednio do energii oddziaływania między nimi. Kontrastuje to z tym, co się dzieje, gdy wiązka zderza się z nieruchomą zdjęć, w takim przypadku większość energii idzie do redukcji materiału docelowego w ruchu, zgodnie z zasadą zachowania pędu.

Niektóre urządzenia z kolidującymi belki są wykonane z dwóch pierścieni, przecinających się w dwóch lub więcej miejscach, w których krąży w przeciwnych kierunkach, przy czym cząstki tego samego typu. Bardziej powszechne collider cząstka-antycząstka. Antycząstka ma przeciwny ładunek powiązanych cząstek. Na przykład, pozytronów jest naładowana dodatnio, a elektrony – negatywny. Oznacza to, że pole, które przyspiesza elektrony, pozyton spowalnia, porusza się w tym samym kierunku. Ale jeśli ten ostatni porusza się w przeciwnym kierunku, to będzie przyspieszać. Podobnie elektron ruchu przez pole magnetyczne łuku po lewej stronie, a pozyton – w prawo. Ale jeśli pozyton porusza się do przodu, a następnie jego ścieżka będzie nadal odbiega w prawo, ale na tej samej krzywej, jako że od elektronu. Jednakże oznacza to, że cząstki mogą przejść przez pierścień tych samych magnesów synchrotronowych i przyspieszone przez samych pól elektrycznych w przeciwnych kierunkach. Na tej zasadzie stworzył wiele potężnych collidery kolidujących belki, t. Aby. Wymaga tylko jednego pierścienia akceleratora.

Belka w synchrotronu nie porusza się w sposób ciągły i zintegrowany „kępy”. Mogą być kilka centymetrów długości i dziesiątej milimetra i zawierają około ¹² cząsteczek ^{października.} Ta niska gęstość, ponieważ rozmiar taki materiał zawiera około ²³ atomów ^{października.} Dlatego też, gdy zderzające belki przecinają, to tylko małe prawdopodobieństwo, że cząstki będą reagować ze sobą. W praktyce skrzepy nadal poruszać się po ringu spotkają się ponownie. Wysokiej próżni w akceleratorze naładowanych cząstek (10 ^-11 mm Hg. V.) jest wymagana w celu umożliwienia cząstki mogą krążyć przez wiele godzin bez zderzeń z cząsteczkami powietrza. W związku z tym, pierścień ten jest nazywany także łącznie, ponieważ w rzeczywistości przechowywana w nim belki przez kilka godzin.

rejestracja

Naładowane akceleratory w większości można zarejestrować występuje gdy cząstki uderza w cel lub innej wiązki, porusza się w przeciwnym kierunku. W kineskopie telewizji, elektrony od pistoletu uderzyć ekran fosforowego na powierzchni wewnętrznej i emitować światło, które w ten sposób odtwarza transmitowanego obrazu. W akceleratorach takie wyspecjalizowane detektory reagują rozproszone cząstki, ale są one zazwyczaj zaprojektowane do tworzenia sygnałów elektrycznych, które mogą być przekształcane na dane komputerowe i analizowane za pomocą programów komputerowych. Naładowany tylko elementy wytwarzają sygnały elektryczne, przechodzące przez materiał, na przykład przez jonizację lub wzbudzenie węgla, i może być wykryty bezpośrednio. Do obojętnych cząstek, takich jak neutronów lub fotonów można wykryć pośrednio przez zachowanie naładowanych cząstek, które są w ruchu.

Istnieje wiele specjalistycznych detektorów. Niektóre z nich, takie jak licznika Geigera zliczanie cząstek, i innych zastosowań, na przykład do budowy torów zapisu lub pomiaru prędkości energii. Nowoczesne detektory wielkości i techniki, może wahać się od małych urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym dla dużych komór wypełnionych gazem przewodami wykrywających zjonizowanych śladów wytwarzanych przez naładowane cząstki.

historia

Naładowane akceleratory opracowane przede wszystkim do badania właściwości jąder atomowych i cząstek elementarnych. Ponieważ otwór brytyjskiego fizyka Ernest Rutherford w 1919 reakcję jądra azotu i cząstki alfa, wszystkie badania w dziedzinie fizyki jądrowej 1932 przeprowadzono jąder helu, wydany przez rozpad naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Naturalne cząstki alfa posiada energię kinetyczną 8 MeV, ale Rutherford Uważa się, że muszą one być sztucznie przyspieszany do jeszcze wyższych wartości do monitorowania rozpadu ciężkich jąder. W tym czasie wydawało się trudne. Natomiast obliczenia wykonane w 1928 roku, Georgiem Gamovym (Uniwersytetu Getynga, Niemcy), wykazało, że jony mogą być stosowane w znacznie niższych energii, a to stymuluje prób budowy obiekt, który zapewnia wiązkę wystarczającej do badania jądrowego.

Inne wydarzenia z tego okresu wykazały zasady, według której naliczane akceleratory cząstek zbudowanych na ten dzień. Pierwsze udane eksperymenty z jonami sztucznie przyspieszonego odbyły Cockroft i Walton w 1932 roku na Uniwersytecie w Cambridge. Przy użyciu powielacz napięcia, protony są przyspieszane do 710 keV, i wykazano, że ten ostatni reaguje z litem, tworząc dwie cząstki alfa. Przez 1931, na Uniwersytecie Princeton w stanie New Jersey, Robert Van de Graaff pasek elektrostatyczny zbudował pierwszy generator wysokiego potencjału. Napięcie mnożnika Cockcroft-Walton generatory i generator Van de Graaff jest nadal używany jako źródło energii dla akceleratorów.

Zasada akceleratora liniowego rezonansowej wykazano Rolf Widerøe w 1928 roku Politechniki Ren-Westfalii w Aachen, Niemcy, użył wysokiego napięcia AC do przyspieszania jonów sodu i potasu energiach przekraczających dwa razy, aby im powiedzieć. W 1931 roku w Stanach Zjednoczonych Ernest Lourens i jego asystent David Sloan z University of California, Berkeley, wykorzystywane pola wysokiej częstotliwości w celu przyspieszenia jonów rtęci do energiach większych niż 1,2 MeV. Praca ta jest uzupełniona akcelerator ciężkich cząstek naładowanych Widerøe, a promienie jonowe nie są przydatne w badaniach jądrowego.

Przyspieszacz lub magnetycznego rezonansu cyklotronowego został pomyślany jako modyfikację instalacji Lawrence Widerøe. Student Lawrence Livingston zademonstrował zasady cyklotronu w 1931 roku, dzięki czemu jony o energii 80 keV dnia. W 1932 roku, Lawrence Livingston ogłoszono przyspieszenie protonów aż do więcej niż 1 MeV. Później w 1930 roku, cyklotronów energii osiągnął około 25 MeV, a Van de Graaff – około 4 MeV. W 1940 roku Donald Kerst, stosując wyniki starannych obliczeń orbity do struktury magnesu, zbudowany na University of Illinois, pierwszy betatron, indukcja magnetyczna akceleratora elektronów.

Nowoczesne fizyce akceleratory

Po II wojnie światowej był szybki postęp w nauce przyspieszania cząstek wysokich energii. Zaczęło Edwin McMillan w Berkeley i Władimir Veksler w Moskwie. W 1945 roku, obie są niezależnie od siebie opisali zasadę stabilności faz. Pomysł ten zapewnia środki do utrzymywania stabilnych orbity cząstek akceleratorem kołowym, usuwających ograniczenia energii protonu i pomagał tworzyć przyspieszacze rezonansu magnetycznego (synchrotrony) dla elektronów. Autophasing, realizacja zasady stabilności faz, zostało potwierdzone po zakończeniu budowy małej synchrocyklotronie Uniwersytetu Kalifornijskiego i synchrotronu w Anglii. Krótko potem, pierwszy liniowy akcelerator protonów rezonansowy został utworzony. Zasada ta jest stosowana we wszystkich głównych Synchrotron protonowy zbudowanych od tego czasu.

W 1947 roku William Hansen, na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii, zbudował pierwszy liniowy akcelerator elektronów na fali podróży, które używane technologię mikrofalową, który został opracowany dla radaru w czasie drugiej wojny światowej.

Postęp w badaniach było możliwe dzięki zwiększeniu energii protonów, co doprowadziło do budowy coraz większych akceleratorów. Tendencja ta jest wysoki koszt produkcji pierścień ogromny magnes został zatrzymany. Największy waży około 40000 ton. Metody zwiększania energii bez wzrostu wielkości maszyny przesiano w około 1952 godu Livingstone, Courant i Snyder techniką przemiennego ogniskowania (czasami nazywane silne ostrości). Synchrotrony pracujących na tej zasadzie, należy użyć magnesów 100 razy mniejsze niż wcześniej. Taka regulacja ostrości jest używany we wszystkich nowoczesnych synchrotronów.

W 1956 Kerst sobie sprawę, że jeśli dwa zestawy cząstek są utrzymywane na orbitach przecinających się, można je oglądać zderzają. Zastosowanie tej koncepcji wymaga nagromadzenia przyspieszone belki w cyklach, zwane łącznie. Technologia ta osiągnęła maksimum energii cząstek interakcji.