Linearni akceleratori nabijenih čestica. Kako akceleratori napunjenih čestica. Zašto trebamo akceleratore nabijenih čestica?

Napunjeni akcelerator čestica je uređaj u kojemu je snop električno napunjenog atoma ili subatomske čestice,

Zašto trebamo akceleratore nabijenih čestica?

Ovi uređaji su pronašli široku primjenu u različitim područjima znanosti i industrije. Do danas, u svijetu je više od 30 tisuća. Za fiziku, akceleratori s napunjenim česticama služe kao alat za fundamentalne studije o strukturi atoma, prirodi nuklearnih sila i svojstvima jezgri koje se ne pojavljuju u prirodi. Potonji uključuju transurijanske i druge nestabilne elemente.

Pomoću cijevi za pražnjenje omogućeno je određivanje specifičnog naboja. Ubrzivači nabijenih čestica se također koriste za proizvodnju radioizotopa, u industrijskoj radiografiji, radioterapiji, sterilizaciji bioloških materijala i radiokarbonska analiza. Najveća postrojenja koriste se u istraživanjima temeljnih interakcija.

Životni vijek nabijenih čestica, koji su u mirovanju u odnosu na akcelerator, manji je nego kod čestica koje se ubrzavaju do brzina blizu brzina svjetlosti. To potvrđuje relativnost vremenskih intervala SRT-a. Na primjer, kod CERN-a, životni vijek muona povećan je za faktor 29 s brzinom od 0,9994c.

Ovaj članak govori o načinu na koji se naplaćuje akcelerator čestica, njegov razvoj, razne vrste i prepoznatljive osobine.

Načela ubrzanja

Bez obzira na to koji akceleratori nabijenih čestica su poznati, svi imaju zajedničke elemente. Prvo, svi moraju imati izvor elektrona u slučaju televizijskog kineskopa ili elektrona, protona i njihovih antičestica u slučaju većih instalacija. Osim toga, svi moraju imati električna polja za ubrzavanje čestica i magnetskih polja kako bi kontrolirali svoju putanju. Pored toga, vakuum u akceleratoru nabijenih čestica (10^-11 mm Hg. ), tj. minimalna količina preostalog zraka, potrebna kako bi se osigurao dug životni vijek greda. I konačno, svi objekti moraju imati sredstva za snimanje, brojanje i mjerenje ubrzanih čestica.

generacija

Elektroni i protoni, koji se najčešće koriste u akceleratorima, nalaze se u svim materijalima, ali prvo ih treba izolirati od njih. Elektroni, u pravilu, generiraju se točno onako kao u kinezu - u uređaju nazvanom "pištolj". To je katoda (negativna elektroda) u vakuumu, koja se zagrijava u stanje u kojem se elektroni počinju otrgnuti od atoma. Negativno nabijene čestice privlače anodu (pozitivna elektroda) i prolaze kroz izlaz. Sam pištolj je i najjednostavniji ubrzivač, jer se elektroni kreću pod djelovanjem električnog polja. Napon između katode i anode, u pravilu, iznosi 50-150 kV.

Osim elektrona, svi materijali sadrže protone, ali samo jedna jezgra vodikovih atoma sastoji se od jednog protona. Stoga je izvor čestica za akceleratore protona plin vodik. U tom slučaju plin je ioniziran i protoni izlaze kroz otvor. U velikim ubrzivačima, protoni su često formirani u obliku negativnih vodikovih iona. Oni su atomi s dodatnim elektronom, koji su proizvod ionizacije diatomskog plina. S negativnim nabojem vodikovih iona u početnim fazama lakše je raditi. Zatim ih prolaze kroz tanku foliju, koja im oduzima elektrone prije završne faze ubrzanja.

ubrzanje

Kako napunjeni akceleratori čestica rade? Ključna značajka bilo kojeg od ovih je električno polje. Najjednostavniji primjer je jednoobrazna statička polja između pozitivnih i negativnih električnih potencijala, sličnih onoj koja postoji između terminala električne baterije. U takvom polju, elektron koji nosi negativni naboj podliježe djelovanju sile koja ga usmjerava na pozitivan potencijal. To ga ubrzava, i ako nema ništa kako bi se spriječilo, njegova brzina i povećanje energije. 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.

Napon između početnog i konačnog položaja elektrona određuje energiju koju je stekao. Kada se kreće kroz potencijalnu razliku od 1 V, ona je jednaka 1 elektron-volt (eV). To je ekvivalent 1,6 × 10^-19 Joule. Energija letećeg komaraca trilijuna je puta veća. U slikovnoj cijevi se elektroni ubrzavaju naponom većim od 10 kV. Mnogi ubrzivači dostižu puno veće energije, izmjereni mega, giga i teraelectron volts.

vrsta

Neki od najranijih tipova akceleratori čestica, kao što je napon množitelj i generatora Van de Graaff generator, upotrebom konstantnog električnog polja generira potencijala do milijun volti. S takvim visokim naponom nije lako raditi. Više praktična alternativa je ponovljeno djelovanje slabih električnih polja stvorenih niskim potencijalima. Ovo načelo se koristi u dvije vrste modernih akceleratora - linearni i ciklički (uglavnom u ciklotrima i sinkrotronima). 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.

Ponovljena struktura linearnog akceleratora za stvaranje električnih polja prirodno podrazumijeva upotrebu izmjeničnog napona, a ne konstantnog napona. Pozitivno nabijene čestice se ubrzavaju do negativnog potencijala i dobivaju novi pritisak ako prolaze za pozitivnim. U praksi bi se napon trebao vrlo brzo promijeniti. 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 se u ponavljajućoj strukturi duljine nekoliko metara, električna polja moraju mijenjati smjer frekvencije 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 izmjeničnih električnih i magnetskih polja, osciliranih međusobno okomito. 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 opcija za vrlo brzo se kreće elektrona, čija je brzina približava brzini svjetlosti, putujući val.

autophasing

Važan učinak za ubrzanje u izmjeničnom električnom polju je "autofragiranje". U jednom ciklusu oscilacija, izmjenično polje prolazi od nule do maksimalne vrijednosti opet na nulu, pada na minimum i diže se na nulu. Tako dvaput prolazi kroz vrijednost potrebnu za ubrzanje. Ako čestica čija brzina raste, stiže prerano, onda neće imati polje dovoljne snage, a guranje će biti slab. Kada dosegne sljedeći odjeljak, kasni će i osjetit će snažniji utjecaj. Kao rezultat toga, doći će do automatskog širenja, čestice će biti u fazi s poljem u svakoj regiji za ubrzavanje. Drugi učinak će biti njihovo grupiranje u vremenu s formiranjem ugrušaka, a ne kontinuiranim protjecanjem.

Smjer zrake

Važnu ulogu u načinu na koji se akcelerator nabijenih čestica konstruira i upravlja djeluje magnetskim poljima, jer mogu mijenjati smjer njihova kretanja. To znači da se mogu koristiti za "savijanje" greda duž kružnog puta tako da putuju nekoliko puta kroz isti ubrzani odjeljak. U najjednostavnijem slučaju, sila koja djeluje okomito na vektor pomaka i na polje djeluje na napunjenu česticu koja se kreće pod pravim kutom prema smjeru jednolika magnetskog polja. To uzrokuje da se snop kretanja duž kružne putanje okomito na polje, sve dok ne napusti područje njezina djelovanja, ili druga sila počinje djelovati na njemu. Ovaj se efekt koristi u cikličkim ubrzivačima, kao što su ciklotron i sinhrotron. U ciklotrinu, stalno magnetsko polje stvara konstantno magnetsko polje. Čestice kao što rastu energiju kretljaju spiralno prema van, ubrzavaju se sa svakim skretanjem. U sinkrotronu, grozdovi kretati oko prstena konstantnim radijusom, a polje koje stvara elektromagnete oko prstena raste kada se čestice ubrzavaju. Magneti koji pružaju "zavoj" su dipoli s sjevernim i južnim polovima savijenim u obliku potkovice na takav način da zraka može proći između njih.

Druga važna funkcija elektromagneta je koncentracija greda, tako da su uske i intenzivne što je više moguće. Najjednostavniji oblik magnetiziranja fokusa je s četiri pola (dva sjevera i dva južna) nasuprot jedni drugima. Guraju čestice prema sredini u jednom smjeru, ali dopuštaju da se propagiraju u okomitom smjeru. Quadrupolni magneti fokusiraju snop vodoravno, dopuštajući da se okomito izlazi iz fokusa. Za to se moraju koristiti u parovima. Za preciznije fokusiranje koriste se složenije magnete s velikim brojem stupova (6 i 8).

Kako se energija čestica povećava, povećava se snaga magnetskog polja koje ih vodi. Ovo drži zraku na istom putu. Grupa se unosi u prsten i ubrzava do potrebne energije prije nego što se povuče i koristi u eksperimentima. Povlačenje se postiže pomoću elektromagneta, koji su uključeni kako bi izbacili čestice iz sinkrotronskog prstena.

sudar

Akceleratori čestica koji se koriste u medicini i industriji općenito proizvode zračenje za određenu svrhu, na primjer za terapiju zračenjem ili ionsku implantaciju. To znači da se čestice koriste jednom. Istina je već godinama bila važna za ubrzivače koji se koriste u temeljnim istraživanjima. No, 1970-ih su razvijeni prstenovi u kojima dvije grede cirkuliraju u suprotnim smjerovima i sudaraju se cijelim konturama. Glavna prednost takvih instalacija je da se, u sudaru, energija čestica izravno prenosi u energiju interakcije između njih. To je u suprotnosti s onim što se događa kada se zraka sukobljava s materijalom u mirovanju: u ovom slučaju, većina energije se troši na dovođenje ciljanog materijala u pokret, u skladu s načelom očuvanja zamaha.

Neki strojevi s sudarajućim gredama su konstruirani s dva prstena koji se križaju na dva ili više mjesta u kojima čestice iste vrste cirkuliraju u suprotnim smjerovima. Uobičajeni su sudari s česticama i antičesticama. Antičestica ima suprotnu naboj čestice koja je vezana za njega. Na primjer, pozitron se naplaćuje pozitivno, a elektron je negativan. To znači da polje koje ubrzava elektron usporava da pozitron pomiče u istom smjeru. Ali ako se potonji kreće u suprotnom smjeru, to će ubrzati. Slično tome, elektron koji se kreće kroz magnetsko polje savit će lijevo, a pozitron s desne strane. Ali ako se pozitron pomiče u susret, put će nastaviti odstupati udesno, ali uz istu krivulju poput elektrona. Zajedno, to znači da se te čestice mogu kretati duž sinhrotronskog prstena zbog istih magneta i da se ubrzavaju isti električni polja u suprotnim smjerovima. Ovim se načelom stvaraju mnogi snažni sudari na sudarima, jer je potreban samo jedan prsten akceleracije.

Trag u sinhrotrinu se ne kreće kontinuirano, već se kombinira u "ugruške". Mogu imati nekoliko centimetara duljine i deset milimetara u promjeru, a sadrže oko 10¹² čestice. To je mala gustoća, jer u tvari ove veličine sadrži oko 10²³ atoma. Stoga, kada se grede presijecaju s sudarajućim gredama, postoji samo mala vjerojatnost da će čestice međusobno djelovati. U praksi se ugrušci nastavljaju kretati po prstenu i ponovno se sastati. Dubinski vakuum u akceleratoru nabijenih čestica (10^-11 mm Hg. Potrebno je da čestice cirkuliraju mnogo sati bez sudara s molekulama zraka. Dakle, prstenovi se nazivaju i kumulativni prstenovi, budući da se grede zapravo pohranjuju u njima nekoliko sati.

Obrazac za prijavu

Ubrzivači nabijenih čestica u većini slučajeva mogu otkriti što se događa kada čestice udari u cilj ili u drugu zraku koja se kreće u suprotnom smjeru. U televizijskoj epruveti, elektroni iz pištolja udari se u fosfor na unutarnjoj površini zaslona i emitiraju svjetlost, što tako stvara prenesenu sliku. U akceleratorima, specijalizirani detektori reagiraju na raspršene čestice, no obično su dizajnirani za generiranje električnih signala koji se mogu pretvoriti u računalne podatke i analizirati pomoću računalnih programa. Samo nabijeni elementi stvaraju električne signale koji prolaze kroz materijal, na primjer, uzbudljivim ili ionizirajućim atomima i mogu se izravno otkriti. Neutralne čestice, kao što su neutroni ili fotoni, mogu se otkriti neizravno kroz ponašanje nabijenih čestica koje ih pokreću.

Postoje mnogi specijalizirani detektori. Neki od njih, poput Geigerova brojača, jednostavno računaju čestice, dok se drugi koriste, na primjer, za snimanje staza, mjerenje brzine ili količine energije. Moderni dimenzijski detektori i tehnologije kreću se od malih uređaja s nabojom do velikih plinovitih kamera s žicama koje detektiraju ionizirane tragove stvorene napunjenim česticama.

priča

Ubrzivači nabijenih čestica uglavnom su razvijeni za proučavanje svojstava atomske jezgre i elementarnih čestica. Od otkrića britanskog fizičara Ernest Rutherford 1919. godine, reakcija jezgre dušika i alfa čestica, sva istraživanja na polju nuklearne fizike do 1932. provedena su s jezgrama helija oslobođenog kao posljedica propadanja prirodnih radioaktivnih elemenata. Prirodne alfa čestice imaju kinetičku energiju od 8 MeV, ali Rutherford je smatrao da bi, kako bi se promatrali propadanje teških jezgara, potrebno ih je umjetno ubrzati na još veće vrijednosti. U to je vrijeme teško. Međutim, izračun je napravljen 1928. godine Georgy Gamow (na Sveučilištu u Göttingenu, Njemačka), pokazalo je da bi se mogli koristiti iona s znatno nižim energijama, što je potaknulo pokušaj izgradnje objekta koji je osigurao zraku dovoljnu za nuklearno istraživanje.

Drugi događaji ovog razdoblja pokazali su načela kojima akceleratori nabijenih čestica grade do danas. Prvi uspješni pokusi s umjetno ubrzanim ionima proveli su Cockcroft i Walton 1932. na Sveučilištu Cambridge. Korištenjem naponskog množitelja, oni su ubrzali protone na 710 keV i pokazali da potonji reagiraju s litijevom jezgrom i tvore dvije alfa čestice. Do 1931., na Sveučilištu Princeton u New Jerseyju, Robert Van de Graaff izgradio je prvi elektrostatski generator visokog kapaciteta. Cokroft-Waltonovi multiplikatori napona i generatori Van de Graaff-a još uvijek se koriste kao izvori energije za akceleratore.

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 Sjedinjenim Američkim Državama, Ernest Lawrence i njegov pomoćnik David Sloan s University of California, Berkeley, koriste 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.

Akcelerator za magnetsku rezonancu, ili ciklotron, koncipirao je Lawrence kao modifikacija Wideröe instalacije. Student Lawrencea Livingstona 1931. demonstrirao je ciklotronski princip, stvarajući iona s energijom od 80 keV. Godine 1932. Lawrence i Livingston najavili su ubrzanje protona na više od 1 MeV. Kasnije 1930-ih, ciklotronska energija dosegla je oko 25 MeV, a generatori Van de Graaffa oko 4 MeV. Godine 1940. Donald Kerst, koristeći rezultate pažljivih proračuna orbite za projektiranje magneta, sagradio je prvi betatron na Sveučilištu Illinois, magnetski indukcijski elektronski akcelerator.

Moderna fizika: akceleratori nabijenih čestica

Nakon Drugog svjetskog rata znanost o ubrzavanju čestica visokim energijama napravila je brz napredak. Počeo je Edwin Macmillan u Berkeley i Vladimir Veksler u Moskvi. Godine 1945. oboje su samostalno opisali princip stabilnosti faza. Ovaj koncept nudi sredstva za održavanje stabilnih putanja čestica u cikličkom akceleratoru, što je uklonilo ograničenje energije protona i omogućilo stvaranje akcelerata magnetske rezonance (synchrotrons) za elektrone. Autophasing, provedba načela faze stabilnosti, potvrđena je nakon izgradnje malog synchrocyclotron na Kalifornijskom sveučilištu i synchrotron u Engleskoj. Ubrzo nakon toga stvoren je prvi proton linearni rezonantni akcelerator. Ovo načelo se koristi u svim velikim protonskim sinkrotrima izgrađenima 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 omogućen je povećanjem energije protona, što je dovelo do izgradnje sve većih akceleratora. Taj je trend zaustavljen visokim troškovima izrade ogromnih magnetskih prstenova. 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). Sinkrotroni koji rade na ovom načelu koriste magnete 100 puta manji nego prije. Ovo fokusiranje se koristi u svim modernim sinkrotronima.

Godine 1956. Kerst je shvatio da ako se u križnim orbiterima drži dva čestica, može se promatrati njihov sudar. Primjena te ideje zahtijevala je akumulaciju ubrzanih greda u ciklusima nazvanim kumulativnim gredama. Ova tehnologija omogućila je postizanje maksimalne energije interakcije čestica.