Linjäracceleratorer av laddade partiklar. Som partikelacceleratorer arbete. Varför partikelacceleratorer?

Acceleratorn av laddade partiklar - en anordning där en stråle av elektriskt laddade atom- eller subatomära partiklar som färdas vid nästan hastigheten. Grunden för hans arbete är nödvändigt att öka sin energi genom ett elektriskt fält och ändra banan - magnetiska.

Vad är partikelacceleratorer?

Dessa enheter används ofta inom olika områden av vetenskap och industri. Hittills i världen finns det mer än 30 tusen. För fysiken i laddade partikelacceleratorer tjäna som ett verktyg för grundforskning på strukturen hos atomer, naturen av kärnvapen och nukleära egenskaper, som inte förekommer naturligt. De senare inkluderar transuranic och andra instabila element.

Med utloppsröret har blivit möjligt att bestämma den specifika laddningen. Laddade partikelacceleratorer används också för produktion av radioisotoper, i industriell radiografi, radioterapi, för sterilisering av biologiska material, och i radiocarbon analys. De största enheterna används i studien av fundamental växelverkan.

Livslängden på de laddade partiklarna i vila i förhållande till acceleratorn är mindre än den för partiklarna accelereras till hastigheter nära ljusets hastighet. Detta bekräftar relativt liten mängd tid stationer. Till exempel vid CERN har uppnåtts en ökning av livslängden för myonen 0,9994c hastighet 29 gånger.

Den här artikeln tittar på vad som finns inuti och arbetspartikelaccelerator, dess utveckling, olika typer och olika funktioner.

accelerations principer

Oavsett vilken typ av laddade partikelacceleratorer ni vet, de har alla gemensamma element. Först måste de ha en källa av elektroner i fallet med en TV-bildrör eller elektroner, protoner och deras antipartiklar när det gäller större installationer. Dessutom måste de alla har elektriska fält för att accelerera partiklar och magnetfält för att styra sin bana. Dessutom undertrycket i den laddade partikelaccelerator (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. En minsta mängd av kvarvarande luft, krävs för att säkerställa en lång livslängd balkar. Slutligen måste alla anläggningar har registreringsmedel, räkningen och mätning av accelererade partiklar.

generationen

Elektroner och protoner, som oftast används i acceleratorer, finns i alla material, men först måste de välja mellan dem. Elektroner normalt genereras på samma sätt som i bildröret - i en anordning som kallas en "gun". Det är en katod (negativ elektrod) i vakuum, som upphettas till ett tillstånd där elektroner börjar lossna atomerna. Negativt laddade partiklarna attraheras till anoden (positiv elektrod) och passera genom utloppet. Vapnet själv är enklast som acceleratorn eftersom elektronerna rör sig under inverkan av ett elektriskt fält. Spänningen mellan katoden och anoden, typiskt i området 50-150 kV.

Bortsett från elektroner i alla material innehöll protoner, men endast en enda proton kärna sammansatt av väteatomer. Därför är partikelkälla för proton acceleratorer vätgas. I detta fall är gasen joniseras och proton finns genomgående hål. I stora acceleratorer protoner ofta bildas i form av negativa vätejoner. De representerar en extra elektron från atomer som är produkten av en diatomiskt gas jonisering. Eftersom de negativt laddade vätejoner i det inledande skedet av arbetet lättare. Då de passerar genom en tunn folie, som berövar dem av elektroner innan det slutliga steget av acceleration.

acceleration

Som partikelacceleratorer arbete? En viktig del av dem alla är det elektriska fältet. Det enklaste exemplet - den enhetliga statiskt fält mellan de positiva och negativa elektriska potentialer, liknande den som föreligger mellan terminalerna hos det elektriska batteriet. Detta elektron fält bär en negativ laddning utsätts för en kraft som leder till en positiv potential. Den accelererar det, och om det finns något som skulle stå i vägen, sin snabbhet och kraft ökar. Elektroner som rör sig mot den positiva potentialen på viran eller i luften, och kolliderar med atomerna förlorar energi, men om de är belägna i vakuum, accelereras därefter när de närmar sig anoden.

Spänningar mellan start- och slutposition för elektron definierar köpte dem energi. Vid förflyttning genom en potentialskillnad på 1 V är lika med en elektronvolt (eV). Detta är ekvivalent med 1,6 x 10 ^-19 joule. Energin i en flygande mygga biljoner gånger mer. I bildrör elektroner accelereras spänning över 10 kV. Många acceleratorer nå mycket högre energier uppmätta mega, giga och tera-elektronvolt.

arter

Några av de tidigaste typerna av partikelacceleratorer, såsom spänningsmultiplikatorn och generatorn Van de Graaff-generator, med användning av ett konstant elektriskt fält som genereras av potentialerna upp till en miljon volt. Med sådana höga spänningar fungerar lätt. Ett mer praktiskt alternativ är den upprepade verkan av svaga elektriska fält producerade låga potentialer. Denna princip används i de två typerna av moderna acceleratorer - linjära och cykliska (huvudsakligen cyklotroner och synkrotroner). Linjära partikelacceleratorer, kort sagt, passerade dem en gång genom den sekvens av accelererande fält, medan de cykliskt många gånger de röra sig i en cirkulär bana genom den relativt lilla elektriska fältet. I båda fallen, den slutliga energin hos partiklarna beror på den totala verksamhetsområde, så att många små "bulor" adderas tillsammans för att ge den kombinerade effekten av en enda stor.

Den repetitiva strukturen av en linjär accelerator för att alstra elektriska fält på ett naturligt sätt är att använda AC, inte DC. De positivt laddade partiklarna accelereras till den negativa potentialen och få nya impulser om passera positiva. I praktiken måste spänningen ändras mycket snabbt. Till exempel, vid en energi av 1 MeV proton rör sig med mycket hög hastighet är ljusets hastighet av 0,46, som passerar 1,4 m av 0,01 ms. Detta innebär att i den återkommande strukturen hos ett par meter lång, måste de elektriska fälten ändrar riktning vid en frekvens av minst 100 MHz. Linjära och cykliska acceleratorer partiklar vanligtvis dispergera dem med det elektriska växelfältet frekvens från 100 MHz till 3000, t. E. I området av radiovågor för mikrovågor.

Den elektromagnetiska vågen är en kombination av oscillerande elektriska och magnetiska fält oscillerande i rät vinkel mot varandra. Den viktigaste punkten är att justera acceleratorvågen så att vid ankomsten av partiklarna det elektriska fältet är riktat i enlighet med accelerationsvektor. Detta kan göras genom att använda en stående våg - kombinationen av vågor som färdas i motsatta riktningar i ett slutet utrymme, ljudvågorna i orgel. En alternativ utföringsform för att snabbt förflytta elektroner vilkas hastigheter som närmar sig ljusets hastighet, en vandringsvåg.

autophasing

En viktig effekt av acceleration i ett elektriskt växelfält är en "fasstabilitet". I passerar en oscillationscykel växelfält genom noll från det maximala värdet tillbaka till noll, minskar den till ett minimum och stiger till noll. Således passerar den två gånger genom det värde som krävs för acceleration. Om en partikel vars hastighet ökar, kommer för tidigt, kommer det inte att fungera ett fält med tillräcklig styrka och tryck kommer att vara svag. När den når nästa område, testet sent och mer effekt. Som ett resultat, själv-fasningen inträffar, kommer partiklarna att vara i fas med varje fält i den accelererande regionen. En annan effekt är den att gruppera dem i tid för att bilda ett koagel i stället för en kontinuerlig ström.

Riktningen av strålen

En viktig roll för hur de fungerar och partikelaccelerator, spela och magnetiska fält, eftersom de kan ändra riktningen på deras rörelse. Detta innebär att de kan användas för "böjning" av strålen i en cirkulär bana, så att de upprepade gånger passera genom samma accelererande sektion. I det enklaste fallet, på en laddad partikel som rör sig med en rät vinkel mot riktningen för det homogena magnetfältet, en kraftvektor som är vinkelrät mot båda av dess rörelse, och till fältet. Detta orsakar strålen att röra sig i en cirkulär bana vinkelrätt mot fältet, tills det kommer ut ur sitt verksamhetsfält eller annan kraft börjar agera på det. Denna effekt används i cykliska acceleratorer såsom en synkrotron och cyklotron. I en cyklotron, är det konstanta fältet producerat av en stor magnet. Partiklar med ökande av sin energi flytta spiralformigt utåt accelereras med varje varv. Synkrotron proppar flytta runt ringen med en konstant radie, och det fält som alstras av elektromagneterna runt ringen ökar när partiklarna accelereras. Magneterna som tillhandahåller "böjning", representerar dipoler med nord- och Sydpoler, böjt i en hästskoform, så att strålen kan passera däremellan.

Den andra viktiga funktion elektromagneterna är att fokusera strålarna så att de är så smala och intensiv som möjligt. Den enklaste formen av en fokuseringsmagnet - med fyra poler (två norra och två södra) belägna mittemot varandra. De driva partiklarna till mitten i en riktning, men tillåter dem att fördelas i den vinkelräta. Kvadrupol magneter fokusera strålen horisontellt, att låta honom gå ur fokus vertikalt. För att göra detta måste de användas i par. För en mer exakt fokusering används också mer sofistikerade magneter med ett stort antal poler (6 och 8).

Eftersom energin av ökningarna partikel, styrkan av magnetfältet, styra dem ökar. Detta håller balken på samma bana. Ostmassan införes i ringen och accelereras till en önskad energi innan den kan tas ut och användas i experiment. Tillbakadragning åstadkommes genom elektromagneter vilka aktiveras för att trycka partiklarna från synkrotronen ringen.

kollision

Laddade partikelacceleratorer som används inom medicin och industri, huvudsakligen producerar en stråle för ett särskilt syfte, t ex bestrålning eller jonimplantation. Detta innebär att partiklarna användas en gång. Detsamma gällde för acceleratorer som används inom grundforskningen i många år. Men ringarna utvecklades i 1970, där två strålar som cirkulerar i motsatta riktningar och kolliderar runt kretsen. Den största fördelen med sådana system är att vid en frontalkollision energi av partiklar går direkt till interaktionsenergin mellan dem. Detta i kontrast till vad som händer när strålen kolliderar med en stationär bilder, i vilket fall större delen av energin går till reduktionen av målmaterialet i rörelse, i enlighet med principen om bevarande av rörelsemängd.

Vissa maskiner med kolliderande strålar är konstruerade med två ringar, som skär i två eller flera ställen, i vilka cirkuleras i motsatta riktningar, partiklarna av samma typ. Vanligare collider partikelantipartikel. Antipartikel har motsatt laddning av de associerade partiklarna. Till exempel positron, positivt laddad och elektroner - negativt. Detta innebär att ett fält som accelererar elektrons, saktar positron ner, rör sig i samma riktning. Men om den senare rör sig i motsatt riktning, kommer det att accelerera. På liknande sätt, en elektron rör sig genom ett magnetiskt fält kommer kurvan till vänster, och positron - höger. Men om positron går framåt, då hans väg kommer att fortsätta att avvika till höger, men på samma kurva som den elektron. Detta innebär dock att partiklarna kan röra sig genom ringen av synkrotron samma magneterna och accelereras av samma elektriska fält i motsatta riktningar. På skapade denna princip många kraftfulla colliders kolliderande strålar, t. Om du vill. Det kräver endast en ring accelerator.

Beam i synkrotronen inte rör sig kontinuerligt och integreras i "klumpar". De kan vara flera centimeter i längd och en tiondels millimeter i diameter, och innefattar ca 10 ¹² partiklar. Denna låga densitet, eftersom storleken av sådant material innehåller cirka 10 ²³ atomer. Därför, när en kolliderande strålar skär varandra, finns det bara en liten sannolikhet att partiklarna kommer att reagera med varandra. I praktiken proppar fortsätter att röra sig runt ringen och träffas igen. Högt vakuum i accelerator av laddade partiklar (10 ^-11 mm Hg. V.) krävs för att partiklarna kan cirkulera i många timmar utan kollisioner med luftmolekyler. Därför är ringen även kallad kumulativa, eftersom strålar faktiskt lagras däri under flera timmar.

registrering

Laddade partikelacceleratorer i majoriteten kan registrera inträffar när partiklarna träffa målet eller den andra strålen, som rör sig i motsatt riktning. I en televisionsbildrör, att elektroner från pistolen träffa fosforskärmen på den inre ytan och avge ljus, vilket därigenom återskapar den överförda bilden. I acceleratorer reagerar sådana specialiserade detektorer till spridda partiklar, men de är oftast utformade för att skapa elektriska signaler som kan omvandlas till datordata och analyserade med hjälp av datorprogram. Bara debiteras elementen producerar elektriska signaler som passerar genom materialet, exempelvis genom jonisering eller excitering av atomer, och kan detekteras direkt. De neutrala partiklar såsom neutroner eller fotoner kan detekteras indirekt genom beteendet hos laddade partiklar att de är i rörelse.

Det finns många specialiserade detektorer. Vissa av dem, såsom en geigermätare, en partikelräkning, och andra användningar, t ex för inspelningsspår eller hastighetsmätning av energi. Moderna detektorer i storlek och teknik, kan variera från små laddningskopplade enheter till stora gasfyllda kammare med trådar som detekterar joniserade spår producerade av laddade partiklar.

berättelse

Acceleratorer av laddade partiklar utvecklades huvudsakligen för studier av atomkärnans egenskaper och elementära partiklar. Sedan upptäckten av den brittiska fysikern Ernest Rutherford 1919 genomfördes reaktionerna av kväve- och alfapartiklarna, all forskning i kärnfysik fram till 1932 utfördes med heliumkärnor frigjorda som ett resultat av sönderfall av naturliga radioaktiva ämnen. Naturliga alfapartiklar har en kinetisk energi av 8 MeV, men Rutherford trodde att för att observera sönderfallet av tunga kärnor är det nödvändigt att artificiellt accelerera dem till ännu större värden. Vid den tiden verkade det svårt. Beräkningen gjord 1928 av Georgy Gamow (vid universitetet i Göttingen, Tyskland) visade emellertid att joner med mycket lägre energier kan användas, och detta stimulerade försök att bygga en anläggning som gav en stråle tillräcklig för kärnforskning.

Andra händelser under denna period visade de principer med vilka acceleratorer av laddade partiklar är byggda för denna dag. De första framgångsrika experimenten med artificiellt accelererade joner gjordes av Cockcroft och Walton 1932 vid Cambridge University. Med hjälp av en spänningsmultiplikator accelererade de protonerna till 710 keV och visade att de senare reagerade med litiumkärnan för att bilda två alfapartiklar. Vid 1931, vid universitetet i Princeton i New Jersey, byggde Robert Van de Graaf den första bandet elektrostatiska generatorn med hög potential. Cokroft-Waltons spänningsmöjligheter och Van de Graaff-generatorer används fortfarande som energikällor för acceleratorer.

Principen för en linjär resonansaccelerator demonstrerades av Rolf Wideröe 1928. Vid Rhine-Westphalian Technical University i Aachen, Tyskland, använde han en hög växelspänning för att påskynda natrium- och kaliumjoner till energier två gånger som rapporterades till dem. 1931, i USA, Ernest Lawrence och hans assistent David Sloan vid University of California, Berkeley, använde högfrekventa fält för att accelerera kvicksilverjoner till energier som överstiger 1,2 MeV. Detta arbete kompletterades med acceleratorn av tungladdade partiklar Wideröe, men jonbalkar var inte användbara vid kärnforskning.

En magnetisk resonansaccelerator, eller cyklotron, uppfattades av Lawrence som en modifiering av Wideröe-installationen. En student av Lawrence Livingston demonstrerade cyklotronprincipen 1931 och producerar joner med en energi på 80 keV. År 1932 meddelade Lawrence och Livingston accelerationen av protoner till mer än 1 MeV. Senare på 1930-talet nådde cyklotronenergin omkring 25 MeV, och van de Graaff genererar cirka 4 MeV. År 1940 byggde Donald Kerst, med hjälp av resultaten av noggranna beräkningar av banan till magnets design, den första betatronen vid University of Illinois, en magnetisk induktionselektronaccelerator.

Modern fysik: acceleratorer av laddade partiklar

Efter andra världskriget har vetenskapen om accelererade partiklar till höga energier gjort snabba framsteg. Han började Edwin Macmillan i Berkeley och Vladimir Veksler i Moskva. År 1945 beskrivna de båda oberoende av principen om fasstabilitet. Detta koncept erbjuder medel för att bibehålla stabila banor av partiklar i en cyklisk accelerator, som avlägsnade begränsningen av protonens energi och möjliggjorde skapandet av magnetiska resonansacceleratorer (synkrotroner) för elektroner. Autofasing, genomförandet av principen om fasstabilitet, bekräftades efter konstruktionen av en liten synkroklotron vid University of California och synkrotron i England. Snart efter detta skapades den första protonlinjära resonansacceleratorn. Denna princip används i alla stora protonsynkrotroner som byggts sedan dess.

1947 byggde William Hansen vid Stanford University i Kalifornien den första linjära elektronacceleratorn på en resande våg med hjälp av mikrovågsteknik som utvecklades för radar under andra världskriget.

Framsteg i forskning gjordes genom att öka protonens energi, vilket ledde till att allt större acceleratorer byggdes. Denna trend stoppades av den höga kostnaden för att göra stora ringmagneter. Den största väger cirka 40 000 ton. Metoder för att öka energi utan att öka maskindimensionerna demonstrerades 1952 av Livingston, Courant och Snyder i tekniken för växlande fokusering (ibland kallad stark fokusering). Synkrotroner som arbetar med denna princip använder magneter 100 gånger mindre än tidigare. Sådan fokusering används i alla moderna synkrotroner.

1956 insåg Kerst att om två uppsättningar partiklar hålls i skärande banor kan man observera sina kollisioner. Tillämpningen av denna idé krävde ackumulering av accelererade strålar i cykler kallad kumulativa strålar. Denna teknik har gjort det möjligt att uppnå partikelns maximala interaktionsenergi.