Lineære akseleratorer av ladede partikler. Som partikkelakseleratorer arbeid. Hvorfor partikkelakseleratorer?

Akseleratoren av ladede partikler - en anordning hvor en stråle av elektrisk ladede atom eller subatomære partikler som reiser på nesten hastighet. Grunnlaget for hans arbeid er nødvendig å øke sin energi ved et elektrisk felt og endre banen - magnetisk.

Hva er partikkelakseleratorer?

Disse enhetene er mye brukt i ulike felt av vitenskap og industri. Til dags dato, på verdensbasis er det mer enn 30 000. For fysikken for ladede partikler akseleratorer tjener som et redskap for grunnleggende forskning på strukturen av atomer, naturen av kjernefysiske krefter og kjernefysiske egenskaper, som ikke forekommer naturlig. Den sistnevnte omfatter transuran og andre ustabile elementer.

Med utløpsrøret er blitt mulig å bestemme den spesifikke kostnader. Ladede partikkelakseleratorer blir også brukt til produksjon av radioisotoper, i industriell radiografi, strålebehandling, for sterilisering av biologiske materialer, og i radiokarbon analyse. De største enhetene er brukt i studiet av fundamentalkraft.

Levetiden til de ladede partiklene i ro i forhold til gasspedalen er mindre enn for partikler akselerert til hastigheter nær lysets hastighet. Dette bekrefter den relativt lille mengden av tidsstasjoner. For eksempel ved CERN har oppnådd en økning i levetiden til myon 0,9994c hastighet 29 ganger.

Denne artikkelen ser på hva som er inne og jobber partikkelakselerator, dens utvikling, ulike typer og ulike funksjoner.

akselerasjonsprinsippene

Uansett hva slags ladede partikkelakseleratorer du vet, de alle har felles elementer. Først må de ha en kilde til elektroner i tilfelle av en TV billedrør eller elektroner, protoner og deres antipartikler i tilfelle av større installasjoner. Videre må de alle har elektriske felt for å akselerere partikler og magnetiske felt for å kontrollere deres bane. I tillegg, vakuumet i ladet partikkelakselerator (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. et minimum mengde resterende luft, er nødvendig for å sikre lang levetid bjelker. Endelig må alle innretningene har registreringsmiddelet, hvilken telling og måling av de akselererte partikler.

generasjon

Elektroner og protoner, som er mest brukt i akseleratorer, finnes i alle materialer, men først må de velge mellom dem. Elektroner typisk blir generert på samme måte som i billedrøret - i en innretning som kalles et "våpen". Det er en katode (negativ elektrode) i vakuum, noe som er oppvarmet til en tilstand hvor elektroner begynner å komme av atomene. Negativt ladede partikler blir tiltrukket til anoden (positiv elektrode), og passere gjennom utløpet. Våpenet er enklest som akselerator fordi elektronene beveger seg under påvirkning av et elektrisk felt. Den spenning mellom katoden og anoden, typisk i området 50 til 150 kV.

Bortsett fra elektronene i alle materialer som inneholdes protoner, men bare en enkelt proton kjerne bestående av hydrogenatomer. Derfor er partikkelkilde for proton-akseleratorer hydrogengass. I dette tilfellet, blir gassen ionisert og protonene er plassert gjennomgående hull. I store akseleratorer protoner ofte dannes i form av negative hydrogenioner. De representerer et ytterligere elektron fra atomer som er et produkt av en diatomisk gass ionisering. Siden de negativt ladede hydrogenioner i de første trinn av arbeidet lettere. Deretter passerer de gjennom en tynn folie, som berøver dem av elektroner før den siste fasen av akselerasjon.

akselerasjon

Som partikkelakseleratorer arbeid? Et viktig trekk ved alle av dem er det elektriske feltet. Det enkleste eksempel - ensartet statisk felt mellom de positive og negative elektriske potensialer, lik det som foreligger mellom klemmene på den elektriske batteri. Det elektron felt som bærer en negativ ladning blir utsatt for en kraft som dirigerer den mot et positivt potensial. Den akselererer det, og hvis det er noe som ville stå i veien, hans fart og effektøkning. Elektroner beveger seg mot det positive potensial på ledningen eller i luften, og kolliderer med atomene mister energi, men hvis de befinner seg i vakuum, deretter akselereres når de nærmer seg anoden.

Spenning mellom start- og sluttposisjonen av elektron definerer innkjøpt dem energi. Når beveger seg gjennom en potensialforskjell på 1 V er lik en elektron-volt (eV). Dette er ekvivalent med 1,6 x 10 ^-19 joule. Energien til en flygende mygg billioner ganger mer. I tuber elektroner blir akselerert spenning som er større enn 10 kV. Mange akseleratorer nå mye høyere energier målt mega, giga og tera-elektron-volt.

arter

Noen av de tidligste typer av partikkel-akseleratorer, slik som spenningsmultiplikator og generatoren Van de Graaff-generator med en konstant elektrisk felt som genereres av potensialene til en million opp til volt. Med slike høye spenninger jobbe lett. En mer praktisk alternativ er det gjentatt påvirkning av svake elektriske felt produsert lave potensialer. Dette prinsippet benyttes i de to typer av moderne akseleratorer - lineære og sykliske (hovedsakelig cyklotroner og synchrotrons). Lineære partikkelakseleratorer, kort sagt, passerte dem en gang gjennom den sekvensen av akselererende felt, mens de sykliske, mange ganger de beveger seg i en sirkulær bane gjennom den forholdsvis lille elektriske felt. I begge tilfeller er den endelige energien til partiklene avhenger av det totale feltet handling, slik at mange små "humper" blir addert sammen for å gi den kombinerte effekten av en enkelt stor.

Den repeterende strukturen av en lineær akselerator for å generere elektriske felt på en naturlig måte er å bruke vekselstrøm, ikke DC. De positivt ladede partikler blir akselerert til det negative potensial og få en ny giv, hvis passere positive. I praksis må spenningen endres svært raskt. For eksempel, ved en energi på 1 MeV proton beveger seg med svært høy hastighet er lysets hastighet på 0,46, passerer 1,4 m av 0,01 ms. Dette betyr at i den repeterende strukturen av noen få meters lengde, må det elektriske feltet endrer retning med en frekvens på minst 100 MHz. Lineære og sykliske akseleratorer partikler vanligvis dispergere dem med det vekslende elektriske felt frekvens fra 100 MHz til 3000, t. E. I for radiobølger til mikrobølger.

Den elektromagnetiske bølge er en kombinasjon av oscillerende elektriske og magnetiske felt pendlende i rett vinkel til hverandre. Det viktige poenget er å justere akseleratoren bølge slik at ved ankomst av partiklene det elektriske felt er rettet i samsvar med akselerasjonsvektor. Dette kan gjøres ved anvendelse av en stående bølge - kombinasjonen av bølger som beveger seg i motsatte retninger i et lukket rom, lydbølgene i røret organ. En alternativ utførelsesform for hurtigløpende elektroner som har hastigheter som nærmer seg med lysets hastighet, en vandrende bølge.

autophasing

En viktig effekt av akselerasjonen i et elektrisk vekselfelt er et "fasestabilitet". I en svingning syklus vekslende felt passerer gjennom null fra den maksimale verdien tilbake til null, minsker til et minimum og stiger til null. Således, passerer den to ganger gjennom den verdi som er nødvendig for akselerasjon. Dersom en partikkel hvis hastighet øker, kommer for tidlig, vil den ikke virke et felt av tilstrekkelig styrke, og det trykk vil være svak. Når den når det neste området, testen sent og mer innflytelse. Som et resultat, selv-innfasing skjer, vil partiklene være i fase med hvert felt i den akselererende region. En annen virkning er det å gruppere dem i tid til dannelse av en blodpropp i stedet for en kontinuerlig strøm.

Retningen av strålen

En viktig rolle i hvordan de fungerer og partikkelakselerator, spille og magnetiske felt, som de kan endre retning av deres bevegelse. Dette betyr at de kan bli brukt for "bøying" av strålen i en sirkulær bane, slik at de gjentatte ganger føres gjennom den samme akselererende avsnitt. I det enkleste tilfellet, på en ladet partikkel som beveger seg i en rett vinkel til retningen av det homogene magnetfelt, en kraftvektor vinkelrett på begge av dets bevegelse, og til feltet. Dette bevirker at strålen til å bevege seg i en sirkulær bane på feltet loddrette, til den kommer ut av sitt virkefelt eller annen kraft begynner å virke på den. Denne effekten er brukt i sykliske akseleratorer slik som en synkrotron og syklotron. I en syklotron blir den konstante feltet som produseres av en stor magnet. Partikler med økende av deres energi bevegelige i spiralform utad akselerert med hver omdreining. De synkrotron propper beveger seg rundt ringen med en konstant radius, og det felt som genereres av elektromagnetene rundt ringen øker etter hvert som partiklene blir akselerert. Magnetene som gir "bøyd", representerer dipoler med nord- og sydpoler, bøyd i en hesteskoform, slik at strålen kan passere mellom dem.

Den annen viktig funksjon av elektromagnetene er å fokusere strålene slik at de er så smale og intenst som mulig. Den enkleste formen for et fokus magnet - med fire stolper (to nord og to sørlige) ligger overfor hverandre. De presse partiklene til senteret i en retning, men tillater dem å bli distribuert i det loddrette. Kvadropol magneter fokusere strålen horisontalt, slik at han kunne gå ut av fokus vertikalt. For å gjøre dette, må de brukes i par. For en mer nøyaktig fokusering brukes også mer sofistikerte magneter med et stort antall poler (6 og 8).

Siden energien til partikkelen øker, styrken av det magnetiske felt, å dirigere dem øker. Dette holder bjelken på den samme bane. Ostemassen føres inn i ringen og blir akselerert til en ønsket energi før den kan tas ut og brukes i eksperimentene. Tilbaketrekkingen oppnås ved hjelp av elektromagneter som aktiveres for å presse partiklene fra synkrotron ringen.

kollisjon

Ladede partikkelakseleratorer som benyttes i medisin og industri, hovedsakelig produserer en bjelke for et bestemt formål, for eksempel bestråling eller ione-implantering. Dette betyr at partiklene brukt en gang. Det samme gjaldt akseleratorer som brukes i grunnleggende forskning i mange år. Men ringene ble utviklet i 1970, hvor to stråler som sirkulerer i motsatte retninger og møtes rundt i kretsen. Hovedfordelen med slike systemer er at ved en frontkollisjon energi fra partikler som går direkte til vekselvirkningsenergi mellom dem. Dette i motsetning til hva som skjer når strålen støter mot en stasjonær bilder, i hvilket tilfelle det meste av energien går til reduksjon av det aktive materiale i bevegelse, i overensstemmelse med prinsippet om bevaring av bevegelses.

Noen maskiner med kolliderende stråler er konstruert med to ringer, kryssende i to eller flere steder, i hvilke sirkulerer i motsatte retninger, partikler av samme type. Mer vanlig møllen partikkel-anti. Anti har motsatt ladning av de tilhørende partikler. For eksempel positron, er positivt ladet, og elektroner - negativt. Dette betyr at et felt som akselererer elektron, bremser positron ned, beveger seg i samme retning. Men hvis sistnevnte beveger seg i motsatt retning, vil det akselerere. Tilsvarende et elektron som beveger seg gjennom et magnetfelt bøyer seg mot venstre, og Positron - høyre. Men hvis positron beveger seg fremover, da hans vei vil fortsette å avvike til høyre, men på samme kurve som for elektronet. Dette betyr imidlertid at partiklene kan bevege seg gjennom ringen av de synkrotronkilder samme magnetene og akselerert av det samme elektriske felt i motsatte retninger. På dette prinsippet skapt mange kraftige kollisjoner kolliderende stråler, t. Til. Den krever bare en ring gasspedalen.

Beam i synkrotron ikke beveger seg kontinuerlig og integrert i "klumper". De kan være flere centimeter i lengde og en tiendedels millimeter i diameter, og omfatter omkring ^{12 oktober} partikler. Denne lave tetthet, fordi størrelsen av slikt materiale inneholder omtrent ^{23 oktober} atomer. Derfor, når et kolliderende stråler skjærer hverandre, er det bare en liten sannsynlighet for at partiklene vil reagere med hverandre. I praksis propper fortsette å bevege seg rundt i ringen og møtes igjen. Høyvakuum i akseleratoren av ladede partikler (10 ^-11 mm Hg. V.) er nødvendig for at partiklene kan sirkulere i mange timer uten kollisjon med luftmolekyler. Derfor er ringen også kalt kumulativ, fordi bjelkene faktisk er lagret i kammeret i flere timer.

registrering

Ladet partikkel-akseleratorer i de fleste kan registrere oppstår når partiklene treffer målet eller den andre bjelke, beveger seg i motsatt retning. I et fjernsynsbilde rør, for å elektroner fra pistolen treffe fosforskjerm på den indre overflate og sende ut lys, som derved gjenskaper det overførte bildet. I akseleratorer slike spesialiserte detektorer reagerer på spredte partikler, men de er vanligvis laget for å lage elektriske signaler som kan omdannes til elektroniske data og analysert ved hjelp av dataprogrammer. Bare belastet elementer frembringe elektriske signaler som passerer gjennom materialet, for eksempel ved ionisering eller eksitasjon av atomer, og kan påvises direkte. De nøytrale partikler, for eksempel nøytroner eller fotoner kan detekteres indirekte gjennom oppførselen til ladede partikler som de er i bevegelse.

Det er mange spesialiserte detektorer. Noen av dem, slik som en geigerteller, en partikkeltelling, og andre anvendelser, for eksempel for registreringsspor eller hastighetsmåling av energi. Moderne detektorer i størrelse og teknologi, kan variere fra små ladningskoblede enheter til store gassfylte kamre med ledninger som detekterer ioniserte spor som er fremkalt av ladede partikler.

historien

Acceleratorer av ladede partikler ble hovedsakelig utviklet for studier av egenskapene til atomkjerner og elementære partikler. Siden oppdagelsen av den britiske fysikeren Ernest Rutherford i 1919 ble reaksjonene av nitrogen- og alfa-partikler, all forskning i atomfysikk frem til 1932, utført med heliumkjerner frigjort som følge av nedbryting av naturlige radioaktive elementer. Naturlige alfa partikler har en kinetisk energi på 8 MeV, men Rutherford mente at for å observere forfall av tunge kjerne er det nødvendig å kunstig akselerere dem til enda større verdier. På den tiden virket det vanskelig. Imidlertid viste beregningen fra Georgy Gamow (ved Universitetet i Göttingen, Tyskland) i 1928 at ioner med mye lavere energier kan brukes, og dette stimulerte forsøk på å konstruere et anlegg som ga en stråle tilstrekkelig for atomforskning.

Andre hendelser i denne perioden demonstrerte prinsippene som akseleratorer av ladede partikler er bygget til i dag. De første vellykkede forsøkene med kunstig akselerert ioner ble laget av Cockcroft og Walton i 1932 ved Cambridge University. Ved hjelp av en spenningsmultiplikator akselererte de protonene til 710 keV og viste at sistnevnte reagerte med litiumkjernen for å danne to alfa partikler. I 1931, ved University of Princeton i New Jersey, bygget Robert Van de Graaf den første elektrostatiske generatoren med høy potensial. Cokroft-Walton spenningsmultiplikatorer og Van de Graaff generatorer brukes fortsatt som energikilder for akseleratorer.

Prinsippet om en lineær resonansakselerator ble demonstrert av Rolf Wideröe i 1928. På Rhine-Westphalian Technical University i Aachen, Tyskland, brukte han en høy vekselstrøm for å akselerere natrium- og kaliumioner til energier to ganger som rapportert til dem. I 1931, i USA, brukte Ernest Lawrence og hans assistent David Sloan fra University of California, Berkeley, høyfrekvente felt for å akselerere kvikksølvioner til energier som overstiger 1,2 MeV. Dette arbeidet ble supplert av akseleratoren til tungladede partikler Wideröe, men ionbjelker var ikke nyttige i nukleær forskning.

En magnetisk resonans akselerator, eller syklotron, ble uttalt av Lawrence som en modifikasjon av Wideröe-installasjonen. En student av Lawrence Livingston demonstrerte syklotronprinsippet i 1931, og produserte ioner med en energi på 80 keV. I 1932 annonserte Lawrence og Livingston akselerasjonen av protoner til mer enn 1 MeV. Senere på 1930-tallet nådde syklotronenergien ca 25 MeV, og Van de Graaff genererer ca. 4 MeV. I 1940 bygget Donald Kerst, med resultatene av forsiktige beregninger av bane til magnetdesign, den første betatronen ved University of Illinois, en magnetisk induksjonselektron akselerator.

Moderne fysikk: akseleratorer av ladede partikler

Etter andre verdenskrig har vitenskapen om akselererende partikler til høye energier gjort rask fremgang. Han startet Edwin Macmillan i Berkeley og Vladimir Veksler i Moskva. I 1945 beskrev de begge uavhengig prinsippet om fase stabilitet. Dette konseptet gir midler til å opprettholde stabile baner av partikler i en syklisk akselerator, som fjernet begrensningen på protonens energi og tillot dannelsen av magnetiske resonansakseleratorer (synkrotroner) for elektroner. Autophasing, implementeringen av prinsippet om fase stabilitet, ble bekreftet etter bygging av en liten synkroklotron ved University of California og synkrotron i England. Kort tid etter ble den første protonlinjære resonansakseleratoren opprettet. Dette prinsippet brukes i alle store proton synkrotroner som er bygget siden da.

I 1947, William Hansen, ved Stanford University i California, bygget den første lineære elektronen akselerator på en reise bølge, ved hjelp av mikrobølge teknologi, som ble utviklet for radar under andre verdenskrig.

Fremskritt i forskning ble gjort mulig ved å øke protonens energi, noe som førte til bygging av stadig større akseleratorer. Denne trenden ble stoppet av høye kostnader ved å lage store ringmagneter. Den største veier ca. 40.000 tonn. Metoder for å øke energi uten å øke dimensjonene på maskiner ble demonstrert i 1952 av Livingston, Courant og Snyder i teknikken til alternerende fokusering (noen ganger kalt sterk fokusering). Synkrotroner som arbeider med dette prinsippet, bruker magneter 100 ganger mindre enn tidligere. Slike fokusering brukes i alle moderne synkrotroner.

I 1956 skjønte Kerst at hvis to sett med partikler holdes i kryssende baner, kan man observere sine kollisjoner. Påføringen av denne ideen krevde akkumulering av akselererte bjelker i sykluser kalt kumulative bjelker. Denne teknologien har gjort det mulig å oppnå maksimal interaksjonsenergi av partiklene.