Linearni pospeševalniki nabitih delcev. Kako pospeševalci nabitih delcev. Zakaj potrebujemo pospeševalnike nabitih delcev?

Zaračunani pospeševalnik delcev je naprava, v kateri je gred električno nabitega atomskega ali subatomske delce,

Zakaj potrebujemo pospeševalnike nabitih delcev?

Te naprave so našli široko uporabo na različnih področjih znanosti in industrije. Do danes je več kot 30 tisoč od njih po vsem svetu. Za fizike zaračunavajo pospeševalnikih osnovnih delcev služijo kot orodje za osnovne raziskave o strukturi atomov, narave jedrskih sil in jedrskih lastnosti, ki se ne pojavljajo v naravi. Slednje vključujejo transuranium in druge nestabilne elemente.

S pomočjo izpustne cevi je bilo mogoče določiti specifično obremenitev. Pospeševalci nabitih delcev se uporabljajo tudi za proizvodnjo radioizotopov, industrijske radiografije, radioterapije, sterilizacije bioloških materialov in radiokarbonske analize. Največji objekti se uporabljajo v študijah temeljnih interakcij.

Življenjska doba napolnjenih delcev, ki so v mirovanju glede na pospeševalnik, je manjša kot pri delcih, ki se pospešijo do hitrosti blizu hitrost svetlobe. To potrjuje relativnost časovnih intervalov SRT. Na primer, pri CERN-u se je življenjska doba muiona povečala za faktor 29 s stopnjo 0,9994c.

Ta članek obravnava, kako so urejeni in delujoči pospeševalnik delcev, njegov razvoj, različne vrste in značilnosti.

Načela pospeševanja

Ne glede na to, kateri znani pospeševalci nabitih delcev, imajo vsi skupni elementi. Prvič, vsi morajo imeti elektronski vir v primeru televizijskega kineskopa ali elektronov, protona in njihovih antipartiklov v primeru večjih naprav. Poleg tega morajo vsi imeti električna polja za pospeševanje delcev in magnetnih polj za nadzor njihove poti. Poleg tega vakuum v pospeševalniku napolnjenih delcev (10^-11 mm Hg. ), tj. najmanjša količina preostalega zraka je potrebna, da se zagotovi dolga življenjska doba žarkov. In, končno, morajo imeti vsi objekti sredstva za snemanje, štetje in merjenje pospešenih delcev.

Generacija

Elektroni in protoni, ki se najpogosteje uporabljajo pri pospeševalcih, najdemo v vseh materialih, vendar jih je treba najprej izolirati. Elektroni se praviloma ustvarjajo popolnoma enaki kot v kineskopu - v napravi, ki se imenuje "pištola". Gre za katodo (negativno elektrodo) v vakuumu, ki se segreva v stanje, kjer se elektroni začnejo odvajati od atomov. Negativno nabite delce pritegnejo anodo (pozitivna elektroda) in potujejo skozi izpust. Sama orožja je tudi najpreprostejši pospeševalec, saj se elektroni premikajo pod vplivom električnega polja. Napetost med katodo in anodo je praviloma v območju od 50-150 kV.

Poleg elektronov vsi materiali vsebujejo protone, vendar samo ene jedre atoma vodika sestavljajo en sam proton. Zato je vir delcev za protonske pospeševalce plin vodika. V tem primeru je plin ioniziran in protoni izstopajo skozi luknjo. Pri velikih pospeševalnikih so protoni pogosto oblikovani v obliki negativnih vodikovih ionov. So atomi z dodatnim elektronom, ki je produkt ionizacije diatomskega plina. S negativno nabitimi vodikovimi ioni v začetnih fazah je lažje delati. Nato jih preidejo skozi tanko folijo, ki jim pred elektricno izgubo pred zadnjo stopnjo pospeši.

Overclocking

Kako delujejo pospeševalci delcev? Ključna značilnost katerega koli od teh je električno polje. Najenostavnejši primer je enotno statično polje med pozitivnimi in negativnimi električnimi potenciali, podobno tistemu, ki obstaja med priključki električnega akumulatorja. V takem polju je elektron, ki nosi negativni naboj, podvržen delovanju sile, ki jo usmeri v pozitivni potencial. To pospeši, če pa nič ne preprečuje, se njegova hitrost in energija povečata. Elektroni, ki se gibljejo v smeri pozitivnega potenciala na žici ali po zraku, in trčijo z atomi izgubili z energijo, če pa se nahajajo v vakuumu, nato pa pospešil, ko se približujejo anode.

Napetost med začetnim in končnim položajem elektrona določa energijo, ki jo je dobila. Pri gibanju skozi potencialno razliko 1 V je enako 1 elektronski volt (eV). To je enako 1,6 × 10^-19 joule. Energija letečega komarja je več kot trilijonkrat. V slikovni cevi se elektroni pospešijo z napetostjo večjo od 10 kV. Veliko pospeševalcev doseže veliko več energije, merjeno z mega, giga in teraelektronskimi volti.

Sorte

Nekatere najzgodnejše vrste pospeševalnikov pospešenih delcev, kot so množitelj napetosti in generator Van de Graaff, uporabljajo stalna električna polja, ki jih ustvarijo potenciali do milijona voltov. S tako visokimi napetostmi ni enostavno delovati. Bolj praktična alternativa je ponavljajoče se delovanje šibkih električnih polj, ki jih ustvarijo nizki potenciali. To načelo se uporablja v dveh vrstah modernih pospeševalcev - linearno in ciklično (predvsem v ciklonih in sinhrotronih). Linearni pospeševalniki delcev, skratka, jih opravili enkrat skozi zaporedje pospešujejo področij, medtem ko so ciklično večkrat se gibljejo v krožnici z razmeroma majhno električno polje. V obeh primerih je končna energija delcev odvisna od celotnega delovanja polj, tako da se mnogi majhni "kreteni" dodajajo skupaj, da bi dobili kumulativni učinek enega velikega.

Ponavljajoča se struktura linearnega pospeševalnika za ustvarjanje električnih polj seveda pomeni uporabo izmenične napetosti, ne konstantne napetosti. Pozitivno nabiti delci se pospešijo do negativnega potenciala in dobijo nov potisk, če gredo po pozitivnem. V praksi se napetost zelo hitro spremeni. Na primer pri energiji 1 MeV se proton premika z zelo visokimi hitrostmi, kar pomeni 0,46-kratno hitrost svetlobe, ki prehaja 1,4 m v 0,01 msec. To pomeni, da morajo električna polja v ponavljajoči strukturi dolžine več metrov spremeniti smer s frekvenco najmanj 100 MHz. Linearni in ciklični pospeševalniki delcev jih običajno razpršijo z izmenično frekvenco električnega polja od 100 MHz do 3000, t. E. V območju od radijskih valov z mikrovalovi.

Elektromagnetni val je kombinacija izmeničnih električnih in magnetnih polj, ki nihajo pravokotno drug na drugega. Ključna točka pospeševalnika je nastavitev valovanja tako, da ko prispeva delec, je električno polje usmerjeno v skladu s pospeševalnim vektorjem. To lahko storimo s pomočjo stalnega valovanja - kombinacije valov, ki se gibljejo v nasprotnih smereh v zaprtem prostoru, kot so zvočni valovi v cevki organa. Alternativna možnost za zelo hitro premikajoče se elektrone, katerih hitrost približuje hitrosti svetlobe, je potujoči val.

Avtomatizacija

Pomemben učinek pospeševanja v izmeničnem električnem polju je "avtomatizacija". V enem ciklu oscilacije izmenično polje prehaja iz nič skozi največjo vrednost znova na nič, pade na minimum in se dvigne na nič. Tako dvakrat prehaja skozi vrednost, potrebno za pospešek. Če delec, katerega hitrost se poveča, prispe prehitro, potem ne bo imela polja zadostne moči, potiskanje pa bo šibko. Ko doseže naslednji del, bo pozno in bo imelo močnejši učinek. Posledica tega je avtomatizacija, delci bodo v vsakem pospeševalnem območju v fazi s poljem. Drug učinek bo njihovo združevanje v času s tvorjenjem strdkov, ne pa z neprekinjenim tokom.

Smer žarka

Pomembno vlogo pri oblikovanju in upravljanju pospeševalnika polnjenih delcev so magnetna polja, saj lahko spremenijo smer njihovega gibanja. To pomeni, da jih je mogoče uporabiti za "upogibanje" žarkov vzdolž krožne poti, tako da večkrat potujejo skozi isti pospeševalni del. V najpreprostejšem primeru sila, ki deluje pravokotno na vektor premika in na polje deluje na napolnjenem delčku, ki se premika pravokotno v smeri enotnega magnetnega polja. To povzroči, da se žarek giblje vzdolž krožne smeri, ki je pravokotna na polje, dokler ne zapusti območja svojega delovanja, ali pa začne delovati druga sila. Ta učinek se uporablja pri cikličnih pospeševalnikih, kot so ciklotron in sinhrotron. V ciklonu konstantno magnetno polje ustvarja konstantno magnetno polje. Delci, ko rastejo svojo energijo, se spiralno premikata navzven in pospešijo z vsakim obratom. V sinhrotronu se grozdi premikajo okoli obroča s konstantnim polmerom, polje, ki ga ustvarijo elektromagneti okrog prstana, se povečuje, ko se delci pospešijo. Magneti, ki zagotavljajo "upogibanje", predstavljajo dipole s severnih in južnih polov, ukrivljene v obliko podkve, tako da se lahko žarek prehaja med njima.

Druga pomembna funkcija elektromagnetov je koncentracija žarkov, tako da so čim bolj ozka in intenzivna. Najpreprostejša oblika fokusnega magneta je s štirimi polovi (dva proti severu in dva proti jugu) drug proti drugemu. Delce potisnejo proti središču v eni smeri, vendar jim omogočajo propagiranje v pravokotni smeri. Čvrsti magneti štirikolesno usmerijo žarek vodoravno, kar omogoča, da se izstopi iz fokusa navpično. Za to morajo biti uporabljeni v parih. Za bolj natančno fokusiranje se uporabljajo tudi bolj kompleksni magneti z velikim številom polov (6 in 8).

Ker se energija delcev povečuje, se poveča moč magnetnega polja, ki jih vodijo. To drži žarek na isti poti. Kupček se vnese v obroč in pospeši na zahtevano energijo, preden se umakne in se uporabi v poskusih. Umik se doseže z elektromagneti, ki se vključijo, da izločijo delce iz sinhrotronskega obroča.

Collision

Pospeševalniki delcev, ki se uporabljajo v medicini in industriji, na splošno proizvajajo žarek za določen namen, na primer za radioterapijo ali ionsko implantacijo. To pomeni, da se delci uporabljajo enkrat. Že vrsto let je enako veljalo za pospeševalnike, ki se uporabljajo pri osnovnih raziskavah. Toda v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so bili razviti obroči, v katerih dva žarka krožita v nasprotnih smereh in se trkajo po celotni konturi. Glavna prednost takšnih naprav je, da se v trčenju z energijo delcev neposredno prenese v energijo medsebojnega delovanja. To se razlikuje od tistega, kar se zgodi, ko se žarek trči z mirovanjem na materialu: v tem primeru se večina energije porabi za približevanje ciljnega materiala v skladu z načelom ohranjanja zagona.

Nekateri stroji s trčenjem tramov so izdelani z dvema obročema, ki se sekata na dveh ali več mestih, v katerih delci iste vrste krožijo v nasprotnih smereh. Colliders z delci in antiparticles so bolj pogosti. Antipartikel ima nasprotno polnjenje delca, ki je vezan nanjo. Na primer, pozitron se zaračuna pozitivno in elektron je negativen. To pomeni, da polje, ki pospešuje elektron, upočasni pozitron v isti smeri. Ampak, če se slednji premika v nasprotni smeri, se bo pospešil. Podobno se bo elektron, ki se giblje skozi magnetno polje, upognjen v levo in pozitron v desno. Ampak, če se positron premakne, se bo njegova pot še naprej oddaljila desno, vendar ob isti krivulji kot elektron. Skupaj to pomeni, da se ti delci lahko gibljejo vzdolž sinhronskega obroča zaradi istih magnetov in se pospešijo z enakimi električnimi polji v nasprotnih smereh. Po tem načelu se na stojnih tramih ustvarjajo številni močni kolesci, saj je potreben le en pospešek.

Žarek v sinhrotronu se ne premika nenehno, temveč se združuje v "strdke". Imajo lahko dolge centimetre in desetino premera milimetra ter vsebujejo približno 10^{12. mesto} delci. To je majhna gostota, ker v snovi te velikosti vsebuje okoli 10²³ atomi. Zato, ko se žarki križajo s trkom, obstaja le majhna verjetnost, da bodo delci medsebojno delovali. V praksi se strdki še naprej premikajo po obroču in se ponovno srečajo. Globinski vakuum v pospeševalniku napolnjenih delcev (10^-11 mm Hg. Potrebno je, da delci kroži več ur, ne da bi se trčili z molekulami zraka. Zato so obroči prav tako imenovani kumulativni obročki, saj so gredi dejansko shranjeni v njih več ur.

Prijavni obrazec

Pospeševalci nabranih delcev v večini primerov lahko zaznajo, kaj se zgodi, ko delci zadenejo v tarčo ali v drugo smer, ki se premika v nasprotni smeri. V televizijski slikovni cevi se elektroni iz pištole udari v fosfor na notranji površini zaslona in oddajajo svetlobo, kar s tem ustvari preneseno sliko. V pospeševalnikih ti specializirani detektorji reagirajo na razpršene delce, vendar so običajno namenjeni ustvarjanju električnih signalov, ki jih je mogoče pretvoriti v računalniške podatke in analizirati z uporabo računalniških programov. Le zaračunani elementi ustvarjajo električne signale, ki potujejo skozi material, na primer z razburljivimi ali ionizirajočimi atomi in jih je mogoče neposredno zaznati. Nevtralne delce, kot so nevtroni ali fotoni, lahko zaznamo posredno preko obnašanja napolnjenih delcev, ki jih poganjajo.

Obstaja veliko specializiranih detektorjev. Nekateri od njih, kot je števec Geiger, preprosto štejejo delce, medtem ko se drugi uporabljajo, na primer, za snemanje skladb, merjenje hitrosti ali količine energije. Sodobni detektorji velikosti in tehnologije segajo od majhnih naprav, ki so napolnjene z napetostjo, do velikih plinskih polnilnih kamer z žicami, ki zaznavajo ionizirane sledi, ki jih ustvarijo nabiti delci.

Zgodovina

Pospeševalci nabitih delcev so razvili predvsem za proučevanje lastnosti atomskih jeder in osnovnih delcev. Od odkritja britanskega fizika Ernest Rutherford leta 1919, reakcija jedra dušika in alfa delcev, vse preiskave s področja jedrske fizike do leta 1932 so bile izvedene z jedri helija, ki so se sprostili zaradi razpada naravnih radioaktivnih elementov. Naravni alfa delci imajo kinetično energijo 8 MeV, vendar je Rutherford verjel, da je za opazovanje razpadanja težkih jeder potrebno umetno pospešiti na še večje vrednosti. Takrat se je zdelo težko. Vendar pa je bil izračun iz leta 1928 Georgy Gamow (na Univerzi v Göttingenu v Nemčiji), pokazala, da se lahko uporabljajo ionov z bistveno nižjimi energijami, kar je spodbudilo poskuse izgradnje objekta, ki je zagotovil dovolj velik nosilec za jedrske raziskave.

Drugi dogodki tega obdobja so pokazali načela, s katerimi se do danes gradijo pospeševalci nabitih delcev. Prve uspešne poskuse z umetno pospešenimi ioni so Cockcroft in Walton leta 1932 izvedli na Univerzi Cambridge. Z uporabo napetostnega multiplikatorja so protoni pospešili na 710 keV in pokazali, da slednji reagirajo z litijskim jedrom, da tvorijo dva alfa delca. Do leta 1931 je na univerzi v Princetonu v New Jerseyju Robert Van de Graaff zgradil prvi visokozmogljiv elektrostatični generator. Cokroft-Waltonovi napetostni množitelji in generatorji Van de Graaff se še vedno uporabljajo kot energetski viri za pospeševalnike.

Načelo linearne resonančne pospeševalnik so dokazali Rolf Widerøe v 1928. The Porenje-Westfalec Tehnični univerzi v Aachnu v Nemčiji, je uporabil visoko izmenično napetost pospešiti ione natrija in kalija do energije, ki presegajo dva krat, da jim povem. Leta 1931 je v Združenih državah Amerike, Ernest Lawrence in njegov pomočnik David Sloan iz University of California, Berkeley, ki se uporablja polja visokofrekvenčnih za pospešitev živega srebra ione energije večjim od 1,2 MeV. To delo je dopolnjena pospeševalnika težkih nabitih delcev Wideröe, vendar ionski žarki niso uporabne pri jedrskih raziskavah.

Pospeševalec magnetnega resonanca ali ciklotron je Lawrence zasnoval kot modifikacijo instalacije Wideröe. Študent Lawrence Livingston je leta 1931 pokazal ciklotronsko načelo, s čimer je proizvedel ione z energijo 80 keV. Leta 1932 sta Lawrence in Livingston napovedala pospešek protona več kot 1 MeV. Kasneje v tridesetih letih je ciklonska energija dosegla približno 25 MeV, generatorja Van de Graaff pa približno 4 MeV. Leta 1940 je Donald Kerst z rezultati natančnih izračunov orbite na oblikovanje magnetov zgradil prvi betatron na Univerzi Illinois, magnetni indukcijski elektronski pospeševalnik.

Moderna fizika: pospeševalci nabitih delcev

Po drugi svetovni vojni se je znanost o pospeševanju delcev do visokih energij hitro napredovala. V Berkeleyju je začel Edwin Macmillan in Vladimir Veksler v Moskvi. Leta 1945 sta obe samostojno opisali načelo fazne stabilnosti. Ta koncept nudi sredstva za ohranjanje stabilnih krožnih delcev v cikličnem pospeševalniku, ki je odstranil omejitev energije protona in omogočil ustvarjanje pospeševalcev magnetnega resonanca (sinhrotronov) za elektrone. Autophasing, izvajanje načela fazne stabilnosti, smo potrdili po izgradnji majhnega sinkrociklona na Univerzi v Kaliforniji in sinhrotronu v Angliji. Kmalu zatem je nastal prvi protonski linearni resonančni pospeševalnik. To načelo se uporablja v vseh velikih protonskih sinhrotronih, ki so bile zgrajene od takrat.

Leta 1947 je William Hansen, na univerzi Stanford v Kaliforniji, zgrajen prvi elektron linearni pospeševalnik na potujoči val, ki se uporablja mikrovalovno tehnologijo, ki je bil razvit za radar med drugo svetovno vojno.

Napredek pri raziskavah je bil omogočen z večanjem protonske energije, kar je pripeljalo do izgradnje vedno večjih pospeševalcev. Ta trend je ustavil visok strošek izdelave ogromnih magnetov. Največji tehta okoli 40.000 ton. Metode povečevanja energije brez povečanja velikosti strojev so leta 1952 pokazali Livingston, Courant in Snyder v tehniki izmeničnega fokusiranja (včasih se imenujejo močno usmerjanje). Synchrotroni, ki delajo na tem principu, uporabljajo magnete 100-krat manj kot prej. To usmeritev se uporablja v vseh sodobnih sinhrotronih.

Leta 1956 je Kerst spoznal, da če se v križanih orbitih držijo dve skupini delcev, lahko opazimo njihove trke. Uporaba te ideje je zahtevala kopičenje pospešenih nosilcev v ciklu, ki se imenujejo kumulativni tramovi. Ta tehnologija je omogočila doseganje maksimalne interakcije energije delcev.