Linearnih akceleratora nabijenih čestica. Kao akceleratori čestica rad. Zašto akceleratori čestica?

Akcelerator nabijenih čestica - uređaj u kojem se snop električno naelektrisanog ili subatomske čestice putuju na skoro brzinom. Osnova njegovog rada je potrebno povećanje njihove energije električnog polja i promijeniti putanju - magnetski.

Koji su akceleratori čestica?

Ovi uređaji su naširoko koristi u različitim područjima znanosti i industrije. Do danas, u svijetu postoji više od 30 tisuća. Za fiziku naplaćuje akceleratora čestica služi kao sredstvo osnovnih istraživanja o strukturi atoma, priroda nuklearnih sila i nuklearnih svojstva, koja se ne događaju prirodno. Potonji uključuju transuranskih i druge nestabilne elemente.

Uz cijev pražnjenja postalo moguće utvrditi konkretnu optužbu. Optužen akceleratori se koriste za proizvodnju radioizotopa, u industrijskim radiografija, radioterapija, za sterilizaciju biološkog materijala, te u analizi radioaktivnog. Najveći jedinice se koriste u istraživanju fundamentalnih interakcija.

Trajanja nabijene čestice u mirovanju u odnosu na akcelerator je manja od one čestica ubrzan na brzinama blizu brzine svjetlosti. To potvrđuje relativno malu količinu vremena stanica. Na primjer, u CERN-u je postignut porast trajanja miona brzine 0,9994c 29 puta.

Ovaj članak izgleda na ono što je unutra i radi akcelerator čestica, njegov razvoj, različitih tipova i različite mogućnosti.

načela ubrzanje

Bez obzira na to kakav je optužen akceleratora čestica znaš, svi oni imaju zajedničke elemente. Prvo, oni moraju imati izvor elektrona u slučaju televizijskog slike cijevi ili elektrona, protona i njihove antičestice u slučaju većih instalacija. Osim toga, oni moraju svi imaju električna polja za ubrzavanje čestica i magnetska polja da kontrolišu svoju putanju. Osim toga, vakuum u tereti akcelerator čestica (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimalnu količinu zaostalog zraka, potrebna je kako bi se osiguralo dugo greda život. Na kraju, sve instalacije moraju imati registraciju sredstva, prebrojavanje i mjerenje ubrzanog čestica.

generacija

Elektrona i protona, koji se najčešće koriste u akceleratorima, nalaze se u sve materijale, ali prvo moraju izabrati od njih. Elektroni obično se stvaraju na isti način kao u cijevi slika - u uređaj koji se zove "pištolj". To je katoda (negativna elektroda) u vakuumu, koja se zagrijava do stanja gdje elektroni počinju da siđe s atoma. Negativno nabijene čestice privlače anode (pozitivna elektroda) i prolaze kroz izlaz. Sama pištolj je najjednostavniji kao akcelerator jer elektroni se kreću pod utjecajem električnog polja. Napon između katode i anode, obično u rasponu od 50-150 kV.

Osim elektroni u svim materijalima sadržani protona, ali samo jedan proton jezgra sastoji od atoma vodika. Stoga, izvor čestica za proton akceleratore je vodonika. U ovom slučaju, gas jonizovan i protoni se nalaze kroz rupu. U velikim akceleratorima protoni se često formiraju u obliku negativnih jona vodonika. Oni predstavljaju dodatni elektron iz atoma koji su proizvod diatomski plina ionizacije. S obzirom da je negativno napunjena jona vodonika u početnim fazama rada lakše. Onda oni prolaze kroz tanke folije, koja ih lišava elektrona prije završne faze ubrzanja.

ubrzanje

Kao akceleratori čestica posao? Ključna karakteristika svih njih je električno polje. Najjednostavniji primjer - uniformu statičkog polje između pozitivnog i negativnog električnog potencijala, slična onoj koja postoji između terminala električnog akumulatora. Ovaj elektron polje nosi negativni naboj je izložena sile koja ga usmjerava na pozitivan potencijal. To ubrzava, a ako postoji nešto što će stajati na putu, njegova povećanje brzine i snage. Elektroni kreću prema pozitivno potencijal na žice ili u zraku, a sudaraju sa atomima gube energiju, ali ako se oni nalaze u vakuumu, a zatim ubrzan dok prilaze anoda.

Tenzija između početka i kraja poziciju elektrona definiše ih kupili energije. Kada se kreću kroz potencijalna razlika od 1 V jednaka 1 elektron-volt (eV). Ovo je ekvivalentno 1,6 × 10 ^-19 Joule. Energija letećeg komaraca biliona puta više. U kinetoskop elektroni se ubrzavaju napona većeg od 10 kV. Mnogi akceleratore do mnogo više energije mjereno mega, giga i tera elektron-volti.

vrsta

Neki od najranijih vrsta akceleratora čestica, kao što su napon multiplikator i generator Van de Graaff generator, koristeći konstantan električno polje stvara potencijale do milion volti. Sa tako visoki napon posao lako. A više praktična alternativa je ponovio akciju slabih električnih polja proizvodi niske potencijale. Ovaj princip se koristi u dva tipa modernih akceleratora - linearno i ciklični (uglavnom ciklotroni i synchrotrons). Linearnih akceleratora čestica, ukratko, jednom prošli ih kroz slijed ubrzanja polja, dok je ciklično mnogo puta se kreću u kružnom stazom kroz relativno mali električno polje. U oba slučaja, finalne energije čestica zavisi od ukupnog polje djelovanja, tako da mnoge male "udaraca" se saberu dati kombinovanog efekta jedan veliki.

Ponovljenih struktura linearni akcelerator za proizvodnju električnih polja na prirodan način je da koristite AC, a ne DC. Pozitivno nabijene čestice se ubrzavaju na negativan potencijal i dobiti novi zamah, ako prođe pozitivno. U praksi, napon se mora promijeniti vrlo brzo. Na primjer, na energetskom od 1 MeV protona se kreće velikom brzinom je brzina svetlosti 0.46, prolazi 1,4 m od 0,01 ms. To znači da je u ponavljajuću strukturu nekoliko metara, električna polja mora promijeniti smjer na frekvenciji od najmanje 100 MHz. Linearna i ciklički akceleratora čestica ih obično raziđu sa izmjenične frekvencije električnog polja od 100 MHz do 3000, t. E. u rasponu od radio valova mikrovalne pećnice.

Elektromagnetskog vala je kombinacija oscilirajućih električnih i magnetskih polja oscilira pod pravim uglom jedni na druge. Ključna stvar je da se prilagodi akceleratora talas tako da je na dolazak čestica električnog polja je usmjerena u skladu sa ubrzanja vektora. To se može učiniti pomoću stojeći talas - kombinacija valova koji putuju u suprotnim smjerovima u zatvorenom prostoru, zvuk valova u orguljama. Alternativa utjelovljenje za brzo kreće elektrona čija je brzina približava brzini svjetlosti, putujući val.

autophasing

Važan učinak ubrzanja u izmjenične električnog polja je "faza stabilnost". U jednom oscilacije ciklusu naizmenično polje prolazi kroz nulu od maksimalne vrijednosti na nulu, to smanjuje na minimum, a raste na nulu. Dakle, prolazi dva puta kroz vrijednosti potrebne za ubrzanje. Ako čestice čija brzina raste, dolazi prerano, to neće raditi polje dovoljno jaka, a push će biti slab. Kada dođe do naredne područje, test kasno i više utjecaja. Kao što se dešava rezultat, samo-faze, čestice će biti u fazi sa svakom polju u ubrzavanju regiji. Drugi efekat je njihovim grupiranjem u vremenu da se formira ugrušak nego kontinuirani tok.

Pravac zraka

Važnu ulogu u tome kako se radi i akcelerator čestica, igrati i magnetska polja, jer oni mogu promijeniti smjer njihovog kretanja. To znači da se mogu koristiti za "savijanje" zraka u kružni put, tako da su u više navrata prošli kroz istu ubrzava sekciji. U najjednostavnijem slučaju, na nabijene čestice kreću pod pravim uglom u odnosu na pravac homogene magnetskog polja, sile vektor okomit na oba svoja kretanja, kao i na terenu. Ovo uzrokuje zrak da se kreće u kružni put okomito na terenu, dok se ne izlazi iz svoje oblasti djelovanja ili drugih sila počinje djelovati na njega. Ovaj efekt se koristi u cikličnim akceleratorima kao što su sinhrotron i ciklotron. U ciklotron, stalno na terenu se proizvodi veliki magnet. Čestice sa povećanjem svoje energije kreće spiralno spolja ubrzan sa svakom revolucije. U sinhrotron ugrušaka kretati po ringu sa stalnim radijus, i polje generiše elektromagneta oko prstena povećava kako se čestice se ubrzavaju. Magneti pružaju "savijanje", predstavljaju dipola sa severnom i južnom polu, savijena u oblik potkovice, tako da zrak može proći therebetween.

Drugi važan funkcija elektromagneta je da se fokusira na gredama, tako da su tako uske i intenzivan moguće. Najjednostavniji oblik fokusiranja magnet - sa četiri polova (dva sjeverni i dva južna) se nalazi nasuprot drugome. Guraju čestice u centar u jednom pravcu, ali im omogućiti da se distribuira u okomito. Quadrupole magneta fokusirati zrak horizontalno, što mu je omogućilo da izađe iz fokusa vertikalno. Da biste to učinili, oni se moraju koristiti u paru. Za preciznije fokusiranje se koriste sofisticiranije magnete sa velikim brojem polova (6 i 8).

Budući da je energija povećava čestica, jačina magnetnog polja, upućujući ih povećava. Ovo održava zrak na istoj putanji. Je skuta se uvodi u ring i ubrzava do željene energije prije nego što se može povući i koristiti u eksperimentima. Savitljivo se postiže elektromagneti koji se aktiviraju da gurne čestice iz sinhrotron prsten.

sudar

Optužen akceleratori čestica koristi u medicini i industriji, uglavnom proizvode snop za određenu svrhu, npr, zračenje ili usađivanje iona. To znači da je čestica koristi jednom. Isto je bilo i akceleratora koji se koriste u osnovnim istraživanjima dugi niz godina. Ali prstenova razvijeni su 1970. godine, u kojem dvije grede cirkuliše u suprotnim smjerovima i sudaraju oko kruga. Glavna prednost takvog sistema je da u slučaju frontalnog energije sudara čestica ide direktno na energetske interakcije između njih. Ovo je u suprotnosti s onim što se događa kada zrak sudara sa stacionarnim slikama, u tom slučaju većina energije ide na smanjenje ciljane materijala u pokretu, u skladu s načelom očuvanja zamaha.

Neki uređaji s sudaraju grede su izgrađeni s dva prstena, ukrštaju u dva ili više mjesta, u kojima kruže u suprotnim smjerovima, čestice istog tipa. Češći sudarač čestica-antičestica. Antičestica ima suprotan zadužen povezanih čestica. Na primjer, pozitrona, pozitivno naplaćuje, a elektroni - negativno. To znači da polje koje ubrzava elektrona, pozitrona usporava, krećući se u istom smjeru. Ali ako ona kreće u suprotnom smjeru, to će ubrzati. Slično tome, elektron kreće kroz magnetno polje će kriva levo, i pozitrona - desno. Ali, ako pozitrona ide naprijed, a onda njegov put će nastaviti da odstupi sa desne strane, ali na istoj krivulji kao da je od elektrona. Međutim, to znači da čestice mogu kretati kroz prsten sinhrotron istog magneta i ubrzan od strane istog električnog polja u suprotnim smjerovima. Na ovaj princip stvorio mnoge moćne colliders sudaraju grede, t. To. Je potreban samo jedan prsten akceleratora.

Zrak u sinhrotron ne kreće neprekidno i integrisani u "grudve." Oni mogu biti nekoliko centimetara dužine i desetine milimetra u promjeru, a čine oko ¹² čestica ^oktobra. Ovaj niske gustoće, jer veličina takvog materijala sadrži oko ^{23 Oktobar} atoma. Stoga, kada se sudaraju grede seku, postoji samo mala vjerovatnoća da će čestice reagiraju jedni s drugima. U praksi ugrušaka nastavljaju da se kreću oko prstena i ponovo sresti. Visoki vakuum u akcelerator nabijenih čestica (10 ^-11 mm Hg. V.) je potrebna kako bi se čestice mogu cirkuliše mnogo sati bez sudara sa zračnim molekula. Stoga, prsten se naziva kumulativni, jer grede zapravo pohranjene u njemu za nekoliko sati.

registracija

Optužen akceleratori čestica u većini se mogu prijaviti se javlja kada čestice pogodi metu ili drugi zrak, kreće u suprotnom smjeru. U tubi televizije slika, elektroni iz pištolja na štrajk ekran fosfor na unutrašnjoj površini i emituju svjetlost, koja je time oživljava prenose sliku. U akceleratorima takve specijalizirane detektore reagirati na razbacane čestice, ali su obično dizajnirani za stvaranje električne signale koji se može pretvoriti u kompjuterskih podataka i analizirani pomoću kompjuterskih programa. Samo optužen elemenata proizvodnju električne signala koji prolaze kroz materijal, na primjer ionizacije ili pobude atoma, i mogu se direktno otkrivena. Neutralne čestice, kao što su neutroni ili fotoni može se otkriti indirektno kroz ponašanje nabijene čestice koje su u pokretu.

Postoji mnogo specijaliziranih detektorima. Neki od njih, kao što je brojač Geiger, a broj čestica, i druge svrhe, npr za snimanje staze ili mjerenje brzine energije. Moderni detektori veličine i tehnologije, mogu se razlikovati od malih punjenja u kombinaciji uređaja do velikih gasom komore sa žicama, koje otkrivaju jonizovanog staze proizvodi nabijenih čestica.

priča

Optužen akceleratori čestica uglavnom razvijen za studije svojstava atomskih jezgara i elementarnih čestica. Od otvaranja britanski fizičar Ernest Rutherford 1919. godine, reakcija jezgra dušika i alfa čestice, sva istraživanja u području nuklearne fizike iz 1932. izvršena s helijem jezgra, koje je objavio propadanja prirodnih radioaktivnih elemenata. Prirodne alfa-čestice imaju kinetičku energiju od 8 MeV, ali Rutherford vjeruje da oni moraju biti vještački ubrzan do još veće vrijednosti za praćenje propadanja teška jezgra. U to vrijeme činilo teško. Međutim, proračun je u 1928. Georgiem Gamovym (na Sveučilištu u Göttingenu, Njemačka), pokazala je da je iona može se koristiti na mnogo nižim energijama, i to je stimulirana pokušaja da se izgradi objekat koji pruža zrak dovoljan za nuklearna istraživanja.

Drugih događaja ovog perioda pokazalo je principe po kojima je optužen akceleratori čestica se grade na ovaj dan. Prvi uspješan eksperimenti sa umjetno ubrzanog iona održano Cockroft i Walton 1932. na Univerzitetu u Kembridžu. Pomoću napona multiplikator, protoni se ubrzavaju do 710 keV, a pokazala je da je potonji reaguju sa litijum da se formiraju dvije alfa čestice. Do 1931. godine, na Princeton University u New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatičkog pojas izgradio prvi velikim potencijalom generator. Napon multiplikator Cockcroft-Walton generatora i generatora Van de Graaff se još uvijek koristi kao izvor energije za akceleratore.

Princip linearnih rezonantnih akcelerator je pokazao Rolf Widerøe u 1928. Rajna-vestfalski Tehničko sveučilište u Aachenu, Njemačka, koristio je visok izmjenični napon da se ubrza natrija i kalija joni energije u više od dva puta da im kažem. 1931. godine u Sjedinjenim Američkim Državama Ernest Lourens i njegov pomoćnik David Sloan na University of California, Berkeley, koristio polja visoke frekvencije da ubrza živu joni energije veće od 1,2 MeV. Ovaj rad je upotpunjen akcelerator teških nabijenih čestica Wideröe, ali ionsko grede nisu korisni u nuklearna istraživanja.

Magnetna rezonanca akcelerator ili ciklotron, zamišljen je kao modifikacija Lawrence Wideröe instalacije. Student Lawrence Livingston demonstrirao princip ciklotron 1931. godine, čime je joni sa energetskim od 80 keV. 1932., Lawrence i Livingston najavio ubrzanje protona do više od 1 MeV. Kasnije, u 1930-ih, energija ciklotroni dostigao oko 25 MeV, a Van de Graaff - oko 4 MeV. 1940. godine, Donald Kerst, primjenjujući rezultate pažljivog proračuna orbite na magnet strukture, izgrađen na University of Illinois, prva Betatron, magnetne indukcije akcelerator elektrona.

Moderne fizike: akceleratori čestica

Nakon Drugog svjetskog rata došlo je brz napredak u nauci ubrzanja čestica visokih energija. Počelo je Edwin McMillan u Berkeleyu i Vladimir Veksler u Moskvi. Godine 1945., obojica su nezavisno jedan od drugog su opisali princip faze stabilnosti. Ovaj koncept nudi sredstva za održavanje stabilne orbite čestica u kružni akcelerator koji uklanjaju ograničenja na proton i pomogao stvoriti magnetne rezonance akceleratore (synchrotrons) za elektrone. Autophasing, provedba načela faze stabilnosti, potvrđeno je nakon izgradnje malog sinhrociklotron na Univerzitetu u Kaliforniji i sinhrotron u Engleskoj. Ubrzo nakon toga, prvi proton linearne rezonantne akcelerator je stvoren. Ovaj princip se koristi u svim većim proton synchrotrons izgrađen od tada.

Godine 1947., William Hansen, na Univerzitetu Stanford u Kaliforniji, izgradio prvi elektron linearni akcelerator na putovanja val, koji koristi mikrovalnu tehnologiju koja je razvijena za radar za vrijeme Drugog svjetskog rata.

Napredak u istraživanju je omogućena kroz povećanje energetske protona, što je dovelo do izgradnje sve većih akceleratora. Ovaj trend je od visokih troškova proizvodnje ogroman magnet prsten je zaustavljen. Najveći teži oko 40.000 tona. Metode za povećanje energetske bez rasta veličine mašina prikazani su u oko 1952 godu Livingstone, Courant i Snyder tehniku naizmjeničnog fokusiranja (ponekad se naziva jak fokusiranje). Synchrotrons rade na ovom principu, koriste magnete 100 puta manje nego ranije. Takva fokusiranje se koristi u svim modernim synchrotrons.

1956. Kerst shvatio da ako se dva seta čestice zadržavaju na seku orbita, možete gledati ih sudariti. Primjenu ove ideje potrebne akumulacije ubrzan grede u ciklusima, pod nazivom kumulativni. Ova tehnologija je postigao maksimalnu energetsku interakcije čestica.