Linearni akceleratori nabijenih čestica. Kao akceleratori čestica rada. Zašto akceleratori čestica?

Akcelerator nabijenih čestica - uređaj, naznačen time, što snop električki nabijenih atomskih ili subatomske čestice putuju gotovo brzinom. Osnova njegovog rada je potrebno povećati svoju energiju električnog polja i promijeniti putanju - magnetski.

Što su akceleratori čestica?

Ovi uređaji su naširoko koristi u raznim područjima znanosti i industrije. Do danas, u svijetu postoji više od 30 tisuća. Za fizike nabijenih čestica akceleratori poslužiti kao sredstvo za temeljna istraživanja o strukturi atoma, prirode nuklearnih sila i nuklearnih svojstava, koje se ne pojavljuju prirodno. Potonji su transuranijskih i druge nestabilne elemente.

S Cijev za odvod postalo je moguće odrediti određeni naboj. Nabijena čestica akceleratori se koriste i za proizvodnju radioaktivnih izotopa u industrijsku radiografiju, radioterapije, za sterilizaciju biološkog materijala, te u radioaktivnog ugljika analize. Najveće jedinice se koriste u proučavanju temeljnih interakcija.

Vijek trajanja od nabijenih čestica u mirovanju u odnosu na gas je manja od čestica ubrzava do brzine bliske brzini svjetlosti. To potvrđuje relativno malu količinu vremena postaja. Na primjer, u CERN-u je postignuto povećanje trajanja muon 0,9994c brzinom 29 puta.

Ovaj članak izgleda na ono iznutra i radi akcelerator čestica, njegov razvoj, različite vrste i različite značajke.

načela ubrzanja

Bez obzira na to kakav nabijenih čestica akceleratori znaš, svi oni imaju zajedničke elemente. Prvo, oni moraju imati izvor elektrona u slučaju katodne cijevi televizije ili elektrona, protona i njihovih antiparticles u slučaju veće instalacije. Osim toga, oni moraju svi imaju električna polja za ubrzavanje čestica i magnetska polja kontrolirati njihovu putanju. Osim toga, vakuum u napunjenom akceleratora (10 ^-11 mm Hg, V.), M. E. minimalna količina zaostalog zraka, potrebna je da se osigura dugi vijek trajanja vremena grede. Na kraju, sve instalacije moraju imati registraciju sredstva, brojenje i mjerenje ubrzanog čestica.

generacija

Elektroni i protoni koji se najčešće koriste u akceleratorima, nalaze se u svim materijalima, ali prvo moraju birati između njih. Elektroni se obično nastaju na isti način kao u katodne cijevi - na uređaj koji se naziva „pištolj”. To je katoda (negativna elektroda) u vakuumu, koja je zagrijana na stanje u kojem se elektroni početi ispasti atome. Negativno nabijene čestice privlači anode (pozitivna elektroda) i dolazi do izlaza. Sam pištolj je najjednostavnije što gasa jer se elektroni kreću pod utjecajem električnog polja. Napon između katode i anode, obično u rasponu od 50-150 kV.

Osim elektrona u sve materijale sadržane protona, već samo jedan proton jezgra se sastoji od atoma vodika. Stoga, izvor čestica za protonske akceleratora je plin vodik. U tom slučaju, plin se ionizira i protoni se nalaze kroz rupu. U velikim ubrzivača protoni su često oblikovani u obliku negativnih vodikovih iona. Predstavljaju dodatnu elektron iz atoma koji su produkt dvoatomsku ionizacije plina. Od negativno nabijenih vodikovih iona u početnim fazama posao lakšim. Onda oni prolaze kroz tanku foliju, koja ih lišava elektrona prije završne faze ubrzanja.

ubrzanje

Kao akceleratori čestica poslu? Ključno obilježje svih njih je električno polje. Najjednostavniji primjer - jedinstvena statičko polje između pozitivnih i negativnih električnih potencijala, slična onoj koja postoji između stezaljke električnog akumulatora. Ova elektronska polje nosi negativni naboj je izložen sili koja ga usmjerava na pozitivnom potencijalu. Ona ga ubrzava, a ako postoji nešto što bi stajati na putu, njegova brzina i snaga raste. Elektroni se kreću prema pozitivnom potencijalu na žici ili u zraku, te se sudaraju sa atomima gube energiju, ali ako se nalaze u vakuumu, a zatim ubrzano kao što su pristup anoda.

Napetost između početka i završetka položaja elektrona ih definira kupio energiju. Kad se kreće kroz potencijalnom razlikom od 1 V jednak 1 elektron-volti (eV). To je ekvivalent 1,6 × 10 ^-19 Joule. Energija leteći komarac bilijun puta više. U kinetoskop elektrona ubrzanog napon veći od 10 kV. Mnogi akceleratori mnogo veća energija mjerena mega, giga i tera elektron-volti.

vrsta

Neki od najranijih tipova akceleratori čestica, kao što je napona multiplikator i generatora Van de Graaff generator, upotrebom konstantnog električnog polja generira potencijala do milijun volti. S tako visokim naponima radi jednostavno. Više praktičnih alternativa je ponovio djelovanje slabih električnih polja koje proizvode niske potencijali. Ovaj princip se koristi u dvije vrste modernih akceleratora - linearni i ciklički (uglavnom ciklotron i sinhotrona). Linearni akceleratori čestica, ukratko, prošao ih jednom kroz slijed ubrzavaju polja, dok su ciklički mnogo puta kreću u kružnu stazu kroz relativno mali električnog polja. U oba slučaja, konačna energija čestica ovisi o ukupnom području djelovanja, tako da su mnogi mali „kvrga” dodaju zajedno kako bi zajednički učinak jedan veliki.

Repetitivna struktura linearnog akceleratora za generiranje električne polja na prirodan način je da koristite AC, a ne DC. Pozitivno nabijene čestice ubrzane na negativni potencijal i dobiti novi zamah, ako prođe pozitivno. U praksi, napon mora mijenjati vrlo brzo. Na primjer, kao energija od 1 MeV proton kreće u vrlo velikom brzinom je brzina svjetlosti 0,46, prolazeći 1.4 m od 0,01 ms. To znači da je u ponavljajuće strukture nekoliko metara dugim, električno polje mora promijeniti smjer na frekvenciji od najmanje 100 MHz. Linearni akceleratori i cikličkih čestice obično raspršuju ih s električnog polja izmjenične frekvenciji od 100 MHz do 3000, t, E. u rasponu od radio valova na mikrovalovima.

Elektromagnetski val je kombinacija oscilirajuća električna i magnetska polja oscilirajući pod pravim kutom u odnosu na svaki drugi. Ključna točka je da se prilagodi na papučicu val, tako da je na dolasku čestica je električno polje usmjereno prema vektor ubrzanja. To se može učiniti pomoću stojnog vala - kombinacija valova koji putuju u suprotnim smjerovima u zatvorenom prostoru, zvučnih valova u orgulje. Alternativna izvedba za brzo kretanje elektrona čija brzinama koje se približavaju brzini svjetlosti, putujućeg vala.

autophasing

Važan učinak ubrzanja u izmjeničnu električnog polja je „stabilnost faza”. U jednom oscilacije ciklus izmjenično polje prolazi kroz nulu od maksimalne vrijednosti natrag na nulu, to smanjuje na minimum i diže na nulu. Dakle, to prolazi dva puta kroz vrijednosti potrebne za ubrzanje. Ako čestica čija je brzina povećava, dolazi prerano, to neće raditi polje dovoljne čvrstoće, a guranje će biti slab. Kada dođe sljedeći prostor, test kasno i više utjecaja. Kao što se događa rezultat, samo-ukidanje, čestice će biti u fazi sa svakog polja u ubrzavanja regiji. Drugi efekt je grupirajući ih na vrijeme potrebno za stvaranje ugruška nego kontinuirani tok.

Smjer snopa

Važnu ulogu u tome kako funkcionira i akcelerator čestica, igrati i magnetska polja, kao i oni mogu promijeniti smjer njihovog kretanja. To znači da se mogu koristiti za „savijanje” snopa u kružnoj putanji, pa su više puta prolazili kroz istu ubrzava dijelu. U najjednostavnijem slučaju, na nabijene čestice kreću pod pravim kutom u odnosu na smjer homogenog magnetskog polja, sila vektor okomit na oba njegova kretanja, a na terenu. To uzrokuje zraku da se presele u kružnu stazu okomito na terenu, dok se ne izlazi iz svog područja djelovanja ili druge sile počinje djelovati na njega. Taj efekt se koristi u cikličkim akceleratorima, kao što su i sinkrotron ciklotronu. U ciklotron, konstantna polje je proizveden od strane velikog magneta. Čestice s povećanjem njihove energije kreće spiralno prema van, ubrzan sa svakom okretaju. U sinkrotrone ugrušaka pomicanje prstena s konstantnog promjera, a polja generira elektromagnetskim oko prstena povećava kao čestice ubrzavaju. Magneti pružaju „savijanje”, predstavlja dipol sa Sjevernog i Južnog pola, savijena u obliku potkovice, tako da je snop može proći između njih.

Druga važna funkcija elektromagnetskim je fokusirati zrake, tako da su toliko uske i intenzivno moguće. Najjednostavniji oblik fokusiranja magneta - s četiri motke (dva sjeveru i dva južna) koji se nalaze jedan nasuprot drugome. Oni su gurnuti čestice u centar u jednom smjeru, ali dopustiti njihovu distribuciju u odnosu na vertikalu. Četveropolno magneti fokusirati zrake vodoravno, dopuštajući mu da ide izvan fokusa okomito. Da biste to učinili, moraju se koristiti u paru. Za točniji fokusiranje također se koriste sofisticiranije magnete s velikim brojem polova (6 i 8).

Budući da je energija povećava čestica, jakosti magnetskog polja, što im povećava. To drži snop na istoj putanji. Gruša se uvodi u ring i ubrzava do željenog energije prije nego što može biti povučena i koriste u pokusima. Povlačenje postiže elektromagneta koji se aktiviraju gurnuti čestice iz sinhrotronskog prstena.

sudar

Nabijeni akcelerator čestica koji se koriste u medicini i industriji, uglavnom proizvode snop za određenu svrhu, na primjer, ili ionsku ozračivanja implantacije. To znači da čestice koristiti samo jednom. Isto vrijedi i za akceleratori se koriste u temeljnim istraživanjima već dugi niz godina. Ali prstenovi su razvijene u 1970, u kojoj su dvije grede kruži u suprotnom smjeru i sudaraju oko krug. Glavna prednost takvih sustava je da u slučaju frontalnog sudara energija čestica ide izravno na interakcije energije između njih. Ovo je u suprotnosti s onim što se događa kada snop sudara s nepomičnim slikama, u tom slučaju većina energije odlazi na smanjenje ciljanih materijala u pokretu, u skladu s načelom očuvanja količine gibanja.

Neki strojevi s sudaraju grede su konstruirani s dva prstena, presijeca na dva ili više mjesta, u kojima cirkulira u suprotnim smjerovima, čestice iste vrste. Češći Farm čestica antičestica. Antičestica ima suprotan naboj od povezanih čestica. Na primjer, pozitron, pozitivno nabijen, a elektroni - negativno. To znači da je polje koje ubrzava elektrone je pozitron usporava, krećući se u istom smjeru. Ali, ako je potonji se kreće u suprotnom smjeru, to će ubrzati. Slično tome, elektron kreće kroz magnetsko krivulja će polje u lijevo i pozitrona - desno. No, ako je pozitron se kreće prema naprijed, a zatim njegov put i dalje će odstupiti s desne strane, ali na istoj krivulji kao i kod elektrona. Međutim, to znači da se čestice mogu kretati kroz prsten od sinkrotrone istim magnetima i ubrzana istim električnim poljima u suprotnim smjerovima. Na ovaj princip stvorio mnoge moćne colliders sudara zrake, t. Da. The zahtijeva samo jedan akcelerator zvona.

Širina u sinkrotron ne kreće neprekidno i integrirani u „grude”. Oni mogu biti nekoliko centimetara u duljinu i desetina milimetra u promjeru, i sadrže oko ^{12 listopada} čestice. To niske gustoće, jer je veličina takvog materijala sadrži oko ²³ atoma ^listopada. Stoga, kada se sudaraju grede sijeku, postoji samo mala vjerojatnost da će se čestice reagiraju jedni s drugima. U praksi ugrušci i dalje kretati u ring i ponovno sresti. Visoki vakuum u akcelerator nabijenih čestica (10 ^-11 mm Hg. V.) potreban da bi se čestice mogu prometovati mnogo sati bez sudara s molekula zraka. Dakle, prsten se također naziva kumulativno, jer zrake zapravo pohranjene u njemu za nekoliko sati.

registracija

Nabijeni akceleratori čestica u većini se registrirati događa kada čestice ostvario cilj ili drugu gredu, kreće u suprotnom smjeru. U televizija katodne cijevi je, elektroni iz pištolja na štrajk zaslon fosforom na unutarnjoj površini i emitiraju svjetlo, koje na taj način kreira prenose sliku. U akceleratorima takve specijalizirane detektori reagiraju na raspršenih komadića, ali oni su obično dizajnirani za stvaranje električne signale koji se mogu pretvoriti u računalnih podataka i analizirani pomoću računalnih programa. Teretiti samo elementi proizvodnju električne signale koji prolaze kroz materijal, na primjer ionizacijom ili pobudom atoma, i može se detektirati direktno. Neutralni čestice, kao što neutronima ili fotona se mogu otkriti posredno preko ponašanju nabijenih čestica koje se nalaze u kretanju.

Postoje mnoge specijalizirane detektore. Neki od njih, kao što je Geigerov brojač, drži čestice i druge svrhe, na primjer, za snimanje pjesama ili mjerenje brzine energije. Moderni detektori u veličini i tehnologiji, mogu se razlikovati od malih Charge Coupled uređaja do velikih ispunjenih plinom komora sa žicama koje otkrivaju ioniziranih pjesme koje proizvodi nabijenih čestica.

priča

Nabijena čestica akceleratori uglavnom razvijen za istraživanja svojstava atomske jezgre i elementarnih čestica. Od otvaranja British fizičar Ernest Rutherford 1919., reakcija jezgre dušika i alfa čestice, sve istraživanja u području nuklearnih fizike do 1932 provedeni su s alfa jezgre, koje je objavio propadanje prirodnih radioaktivnih elemenata. Prirodni alfa-čestice imaju kinetičku energiju od 8 MeV, ali Rutherford vjeruje da oni moraju biti umjetno ubrzati kako bi se još više vrijednosti za praćenje propadanje teških jezgara. U to vrijeme činilo teško. Međutim, izračun napravljen 1928. Georgiem Gamovym (na Sveučilištu u Göttingenu, Njemačka), pokazalo je da su ioni mogu koristiti na mnogo nižim energijama, a to je potaknulo pokušaja za izgradnju objekta koji pruža zraku dovoljan za nuklearna istraživanja.

Ostali događaji tog razdoblja pokazali načela po kojima se naplaćuju akceleratori čestica izgrađena do danas. Prvi uspješni eksperimenti s umjetno ubrzanih iona održano Cockroft i Walton je 1932. na Sveučilištu u Cambridgeu. Pomoću napona množitelj, protoni ubrzavaju do 710 keV i pokazali da potonji reagira s litij u obliku dva alfa čestice. Do 1931. godine, na Sveučilištu Princeton u New Jerseyu, Robert Van de Graaff elektrostatski pojas izgrađen prvi visokog potencijala generator. Napon množitelj Cockcroft-Walton generatori i Van de Graaff generator još uvijek se koristi kao izvor energije za akceleratorima.

Princip linearnog akceleratora rezonantnog je pokazao Rolf Widerøe 1928. na Tehničkom sveučilištu Rajne-Vestfalije u Aachenu, Njemačka, on koristi visoki izmjenični napon da se ubrza natrijeve i kalijeve ione na energijama iznad dva puta da im kažem. Godine 1931. u SAD Ernest Lourens i njegov pomoćnik David Sloan s University of California, Berkeley, koristili polja visoke frekvencije za ubrzavanje žive iona na energijama većim od 1,2 MeV. Ovaj rad se nadopunjuje akcelerator teških nabijenih čestica Wideröe, ali ionske zrake nisu korisni u nuklearna istraživanja.

Magnetska rezonanca ili akceleratora ciklotron, zamišljen je kao modifikacija Lawrence Wideröe instalacije. Studentski Lawrence Livingston demonstrirao princip ciklotron 1931. godine, što iona s energijom od 80 keV. Godine 1932., Lawrence i Livingston najavio ubrzanje protona do više od 1 MeV. Kasnije u 1930, energetski ciklotron dosegnula oko 25 MeV, i Van de Graaff - oko 4 MeV. Godine 1940., Donald Kerst, primjenjujući rezultate oprezni izračuna orbite na strukturu magneta, izgrađen na Sveučilištu u Illinoisu, prvi betatron magnetske indukcije elektrona akceleratora.

Moderne fizika: čestica akceleratori

Nakon Drugog svjetskog rata došlo je do naglog napretka u znanosti o ubrzavanju čestica visokih energija. Počelo Edwina McMillana na Berkeley i Vladimir Veksler u Moskvi. 1945., oba su nezavisno jedan od drugog su opisali načelo stabilnosti faze. Ovaj koncept nudi sredstva za održavanje stabilne orbite čestica u kružnu akceleratora koji uklanjaju ograničenja na protona energije i pomogao stvoriti magnetska rezonancija ubrzivače (sinhotrona) za elektrone. Autophasing, provedba načela stabilnosti faza, potvrđeno je nakon izgradnje malog sinkrociklotron na Sveučilištu u Kaliforniji i sinkrotron u Engleskoj. Ubrzo nakon toga, prvi proton linearni akcelerator rezonantna je izrađen. Ovaj princip se koristi u svim većim protonske sinhotrona izgrađena od tada.

Godine 1947., William Hansen, na Sveučilištu Stanford u Kaliforniji, izgrađen prvi elektron linearni akcelerator na putujućeg vala, koji koristi mikrovalnu tehnologiju koji je razvijen za radar za vrijeme Drugog svjetskog rata.

Napredak u istraživanju omogućila je povećanje protona energije, što je dovelo do izgradnje sve većih akceleratorima. Ovaj trend je od visoke troškove proizvodnje ogroman magnet prsten je zaustavljen. Najveći teži oko 40.000 tona. Metode za povećanje energije bez rasta veličine stroja su prikazani na oko 1952 godu Livingstone, Courant i Snyder tehniku naizmjeničnog fokusiranja (ponekad se naziva jaka fokusiranje). Sinhotrona rade na ovom principu, koriste magneti 100 puta manje nego prije. Takvo fokusiranje koristi u svim modernim sinhotrona.

Godine 1956. Kerst shvatio da ako su dvije grupe čestica zadržao na sijeku orbita, možete gledati ih sudariti. Primjena ove ideje potrebna akumulacija ubrzan grede u ciklusima, pod nazivom kumulativni. Ova tehnologija je postigao maksimalnu energiju čestica interakcije.