Lineárne urýchľovače nabitých častíc. Ako urýchľovače častíc prác. Prečo urýchľovače častíc?

Urýchľovač nabitých častíc - zariadenie, v ktorom lúč elektricky nabitých atómových alebo elementárnych častíc, pohybujúcich sa takmer rýchlosťou. Základom jeho práca je nevyhnutné zvýšiť ich energiu v elektrickom poli a meniť trajektóriu - magnetický.

Aké sú urýchľovače častíc?

Tieto zariadenia sú široko používané v rôznych oblastiach vedy a priemyslu. K dnešnému dňu, po celom svete existuje viac ako 30 tisíc. Pre fyzikálne nabitých urýchľovače častíc slúžia ako nástroj základného výskumu na štruktúru atómov, povahy jadrových síl a jadrových vlastnosti, ktoré sa nevyskytujú prirodzene. Medzi ne patrí transuránových a iné nestabilné elementy.

S trubice výbojky stalo možné určiť konkrétne náboj. Nabité urýchľovače sa používajú aj na výrobu rádioizotopov, v priemyselnej rádiografia, rádioterapia, pre sterilizáciu biologického materiálu, a v analýze rádiokarbónová. Najväčšie jednotky sa používajú pri štúdiu základných interakcií.

Životnosť nabitých častíc v pokoji vzhľadom k urýchľovača je menšia ako častice urýchli na rýchlosť blízko k rýchlosti svetla. To potvrdzuje relatívne malom množstve času staníc. Napríklad, v CERNu bolo dosiahnuté zvýšenie životnosti mión rýchlosti 0,9994c 29 krát.

Tento článok sa zameriava na to, čo je vo vnútri, a pracuje urýchľovač častíc, jeho vývoj, rôzne typy a rôzne funkcie.

princípy akcelerácia

Bez ohľadu na to, aký druh nabitých urýchľovačov častíc viete, že všetci majú spoločné prvky. Po prvé, musí mať zdroj elektrónov v prípade televíznej obrazovky alebo elektrónov, protónov a ich antičastíc v prípade väčších inštalácií. Okrem toho musia všetci majú elektrické polia s cieľom urýchliť častice a magnetické polia riadiť ich trajektóriu. Okrem toho sa podtlak v nabitých častíc, urýchľovač (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimálne množstvo zvyškového vzduchu, je nutné pre zaistenie dlhej životnosti lúče. A konečne, všetky zariadenia musia mať registračné prostriedky, počítanie a meranie urýchlených častíc.

generácie

Elektróny a protóny, ktoré sú najčastejšie používané v urýchľovačoch, sa nachádzajú vo všetkých materiáloch, ale najprv musí vybrať z nich. Elektróny sú obvykle generované rovnakým spôsobom ako v obrazovky - v zariadení, ktoré sa nazýva "zbraň". Je to katóda (záporná elektróda) vo vákuu, ktorá sa zahreje na stave, v ktorom elektróny začnú odlepovať atómy. Negatívne nabité častice sú priťahované k anóde (kladnej elektróde) a prechádzajú cez výstup. Samotná zbraň je najjednoduchšie ako akcelerátor, pretože elektróny sa pohybujú pod vplyvom elektrického poľa. Napätie medzi katódou a anódou, typicky v rozmedzí 50-150 kV.

Okrem elektrónov vo všetkých materiáloch obsiahnuté protóny, ale iba jeden protón jadro skladá z atómov vodíka. Preto je zdroj častíc pre protónovej urýchľovača je plynný vodík. V tomto prípade je plyn ionizovaný a protóny sú umiestnené priechodný otvor. Vo veľkých urýchľovače protónov sú často tvorené vo forme záporných iónov vodíka. Predstavujú ďalší elektrón z atómov, ktoré sú produktom ionizácie diatomic plynu. Vzhľadom k tomu, negatívne nabitých iónov vodíka v počiatočných fázach práca jednoduchšia. Potom prechádzajú tenké fólie, ktorá je zbavuje elektrónov pred záverečnú fázu zrýchlenia.

akcelerácia

Ako urýchľovače častíc prácu? Kľúčovým rysom všetkých z nich je elektrické pole. Najjednoduchším príkladom - rovnomerné statické polia medzi pozitívnymi a negatívnymi elektrických potenciálov, podobný tomu, ktorý je medzi vývody elektrické batérie. Tento elektrón pole nesúci negatívny náboj je vystavený sile, ktorá sa umiestňuje na kladný potenciál. Urýchľuje to, a ak existuje niečo, čo by stáť v ceste, jeho zvýšenie rýchlosti a výkonu. Elektróny pohybujúce sa smerom ku kladnému potenciálu na drôt alebo vo vzduchu, a zrážajú s atómami, ku strate energie, ale v prípade, že sa nachádzajú vo vákuu, potom sa zrýchlil, ako sa približuje anódu.

Napätie medzi základnú pozíciu a na konci elektrónových definuje zakúpiť im energiu. Pri pohybe prostredníctvom potenciálneho rozdielu 1 V je rovná 1 elektrón-volt (eV). To sa rovná 1,6 x 10 ^-19 joulov. Energia letiaceho komára biliónov krát viac. V kineskopu elektróny sú urýchľované napätím väčším ako 10 kV. Mnoho urýchľovače dosahujú oveľa vyšších energií meranej mega, giga a Tera-elektrónvoltov.

druh

Niektoré z prvých typov urýchľovačov častíc, napríklad násobiča napätia a generátor Van de Graaff generátor, pomocou konštantný elektrické pole generované potenciálov až milión voltov. S takými vysokého napätia pracovať ľahko. Oveľa praktickejšie alternatívou je opakované pôsobenie slabých elektrických polí vytváraných nízke potenciály. Tento princíp sa používa v týchto dvoch typov moderných urýchľovačov - lineárne a cyklické (najmä cyklotróny a synchrotron). Lineárne urýchľovače častíc, stručne povedané, okolo nich raz prejsť sledom urýchľovacích poliach, zatiaľ čo cyklicky mnohokrát sa pohybujú po kruhovej dráhe cez relatívne malú elektrického poľa. V oboch prípadoch, finálna energie častíc závisí na celkovom oblasti činnosti, takže veľa malých "hrče" sa sčítajú, čím sa získa kombinovaný účinok jeden veľký.

Opakujúce sa štruktúra lineárneho urýchľovača pre generovanie elektrické pole v prirodzenou cestou je použiť AC, nie je DC. Kladne nabité častice sú urýchľované na negatívne potenciál a získať nové podnety, ak odovzdať pozitívne. V praxi musí byť napätie zmenilo veľmi rýchlo. Napríklad, pri energii 1 MeV protónovej pohybov pri veľmi vysokej rýchlosti, je rýchlosť svetla 0,46, okolo 1,4 m na 0,01 ms. To znamená, že v opakujúce sa štruktúre niekoľko metrov dlhé, elektrické polia musí zmeniť smer pri frekvencii najmenej 100 MHz. Lineárne a cyklické urýchľovače častíc zvyčajne rozptýli im striedavého elektrického poľa frekvenciách 100 MHz do 3000, t. E. V rozsahu rádiových vĺn do mikrovlnnej rúry.

Elektromagnetická vlna je kombináciou kmitania elektrické a magnetické polia oscilujúca v pravom uhle k sebe navzájom. Kľúčovým bodom je, upraviť akcelerácia vlny tak, že pri príchode častíc je elektrické pole je smerovaný v súlade s vektora zrýchlenia. To možno vykonať pomocou stojaté vlnenie - kombinácia vlny cestujú v opačných smeroch v uzavretom priestore, zvukových vĺn vo organov. Alternatívne prevedenie pre rýchlo sa pohybujúce elektróny, ktorých rýchlosť sa blíži rýchlosti svetla, s postupnou vlnou.

fázovanie

Dôležitý vplyv zrýchlenie v striedavom elektrickom poli je "stabilita fázou". V jednom kmitanie cyklus striedavé pole prechádza nulou z maximálnej hodnoty na nulu, sa znižuje na minimum a stúpa na nulu. Preto prejde dvakrát cez požadovanú hodnotu zrýchlenia. Ak je častice, ktorých rýchlosť sa zvyšuje, je príliš skoro, nebude to fungovať pole s dostatočnou pevnosťou, a tlak budú slabé. Keď sa dostane na ďalšie plochy, test neskoro a väčší vplyv. Ako k tomu dochádza v dôsledku, self-fázovanie, častice budú vo fáze s každé pole v zrýchľujúcim regióne. Ďalším účinkom je ich zoskupenie v čase pre vytvorenie skôr než zrazeninu nepretržitý prúd.

smer lúča

Dôležitú úlohu v tom, ako funguje a urýchľovač častíc, hrať a magnetických polí, pretože môžu zmeniť smer svojho pohybu. To znamená, že môžu byť použité pre "ohýbanie" nosníka v kruhovej dráhe, takže sa opakovane prechádza rovnakým urýchľovacej časti. V najjednoduchšom prípade, na nabité častice pohybujúce sa v pravom uhle k smeru homogénneho magnetického poľa, sila vektor kolmý k obom jeho pohybu, a na pole. To spôsobí, že lúč sa pohybovať po kruhovej dráhe kolmej k poľu, kým sa z jeho odboru činnosti alebo iná sila začne pôsobiť na neho. Tento účinok je použitý v cyklických urýchľovačov, ako je napríklad synchrotróne a cyklotrónu. V cyklotrónu, konštanta poľa je produkovaný vo veľkom magnetu. Častice so zvyšujúcou sa ich energia pohybujúce sa špirálovito smerom von urýchlené každej otáčke. Synchrotróne zrazeniny pohyb po kruhu s konštantným polomerom, a polia generované elektromagnety v okruhu, sa zväčší, zatiaľ čo častice sú urýchľované. Magnety poskytujúca "ohýbanie", predstavujú dipóly s severných a južných pólov, ohnuté v tvare podkovy tak, aby nosník môže prechádzať medzi nimi.

Druhou dôležitou funkciou elektromagnetov je zameranie lúčov tak, že sú tak úzke a intenzívne ako je to možné. Najjednoduchšou formou zaostrovací magnet - so štyrmi pólmi (dva severné a južné dve) sa nachádza oproti sebe. Tlačí častice centrá v jednom smere, ale umožňujú, aby boli distribuované v kolmicu. Štvorpólový magnet zamerať lúč horizontálne, čo mu umožnilo ísť rozostrený vertikálne. Ak to chcete urobiť, musí byť použité v pároch. Pre presnejšie zaostrenie sa tiež používajú sofistikovanejšie magnety s veľkým počtom (6 a 8) pólov.

Pretože energia sa zväčšuje častíc, na sile magnetického poľa, nasmerovaním zvyšuje. To udržuje lúč na rovnakej dráhe. Syrenina sa zavádza do kruhu a sa urýchli na požadovanú energiu, aby mohol byť stiahnutý a použitý v experimentoch. Spätný pohyb sa dosiahne tým, elektromagnety, ktoré sú aktivované tlačiť častice z synchrotron kruhu.

zrážka

Nabité urýchľovače častíc používané v medicíne a priemysle, predovšetkým výrobe nosníka pre daný účel, napríklad ožiarením alebo implantácie iónov. To znamená, že častice použitý iba raz. To isté platilo urýchľovačov používané v základnom výskume po mnoho rokov. Ale krúžky boli vyvinuté v roku 1970, v ktorom dva lúče cirkulujúci v opačných smeroch a zrazí okolo obvodu. Hlavnou výhodou týchto systémov je, že v prípade čelného nárazu energie častíc, ide priamo na energiu interakcie medzi nimi. To je v rozpore s tým, čo sa stane, keď sa lúč zrazí so stacionárne obrazy, a v tomto prípade väčšina energie vedie k zníženiu cieľového materiálu v pohybe, v súlade s princípom zachovania hybnosti.

Niektoré stroje s kolidujúcich trámy sú konštruované s dvoma kruhmi, sa pretínajú v dvoch alebo viacerých miestach, v ktorých cirkuluje v opačných smeroch, častice rovnakého typu. Bežnejšie zrážač častíc antičastice. Antičastice má opačný náboj spojených častíc. Napríklad pozitrón, sa kladne nabité a elektróny - negatívne. To znamená, že pole, ktoré urýchľuje elektrón, Positron spomaľuje, pohybujúce sa v rovnakom smere. Ale ak mu stať sa pohybuje v opačnom smere, to bude zrýchľovať. Podobne, elektróny pohybujúce sa krivky magnetické pole na ľavej strane, a Positron - vpravo. Ale v prípade, že pozitrón sa pohybuje vpred, potom jeho cesta bude aj naďalej odchyľovať sa po pravej strane, ale na rovnakú krivku ako v prípade elektrónu. To však znamená, že častice môžu pohybovať kruhu synchrotróne rovnakých magnetov a urýchľované rovnakých elektrických polí v opačných smeroch. Na tomto princípe vytvorené mnoho výkonných urýchľovačoch konfliktných lúče, t. K. Vyžaduje iba jeden kruhový urýchľovač.

Lúč v synchrotróne sa nepohybuje plynulo a integrované do "zhluky". Môžu byť niekoľko centimetrov na dĺžku a desatín milimetra v priemere, a obsahujú asi 10 ¹² častíc. Táto nízka hustota, pretože veľkosť tohto materiálu obsahuje asi ²³ atómov ^októbra. Z tohto dôvodu, keď zrážajúca sa lúče pretínajú, je len malá pravdepodobnosť, že častice spolu reagujú. V praxi zrazeniny naďalej pohybovať okolo kruhu a stretnúť sa znova. Vysoký podtlak v urýchľovače nabitých častíc (10 ^-11 mm Hg. V.), je nutné, aby častice môžu obiehať po mnoho hodín bez kolízií sa molekuly vzduchu. Z tohto dôvodu je tento kruh tiež nazýva kumulatívne, pretože lúče v skutočnosti v nich uložené po dobu niekoľkých hodín.

registrácia

Nabité urýchľovače častíc vo väčšine môžu registrovať dochádza, keď častice narazí na cieľ alebo druhý lúč, ktorí sa pohybujú v opačnom smere. V televíznej obrazovky, elektróny z pištole udrieť fosforovej tienidlo na vnútornom povrchu a vyžarovať svetlo, ktoré tak obnoví vysielaného obrazu. V urýchľovači tieto špecializované detektory reagujú na rozptýlených častíc, ale sú zvyčajne navrhnuté tak, aby vytváranie elektrických signálov, ktoré môžu byť premenené na počítačových dát a analyzovaná pomocou počítačových programov. Iba nabité prvky výrobe elektrických signálov prechádzajúcich cez materiál, napríklad ionizáciou alebo excitáciu atómov a môžu byť detekované priamo. Neutrálne častice, ako sú neutróny alebo fotónov môže byť detekovaný nepriamo prostredníctvom správanie nabitých častíc, ktoré sú v pohybe.

Existuje veľa špecializovaných detektory. Niektoré z nich, ako je napríklad Geigerove počítač, je počet častíc, a ďalšie použitie, napríklad pre záznam stôp alebo meranie rýchlosti energie. Moderné detektory vo veľkosti a technológie, sa môže líšiť od malých Charge Coupled zariadení do veľkých plnených plynom komôr s vodičmi, ktoré detekujú ionizovanej vlečky vyrábané nabitými časticami.

príbeh

Nabité urýchľovače častíc vyvinuté predovšetkým pre štúdium vlastností atómových jadier a elementárnych častíc. Od otvorenia britského fyzik Ernest Rutherford v roku 1919, sa reakcia jadra dusíka a alfa častice, všetky výskum v oblasti jadrovej fyziky až 1932 boli vykonané s jadier hélia, uvoľnených rozkladom prírodných rádioaktívnych prvkov. Prírodné alfa-častice majú kinetickú energiu 8 MeV, ale Rutherford veril, že musí byť umelo zrýchlil na ešte vyššie hodnoty pre sledovanie rozkladu ťažkých jadier. V tej dobe sa zdalo ťažké. Avšak výpočet vykonaná v roku 1928 Georgijom Gamovym (na univerzite v Göttingene, Nemecko), ukázala, že ióny môžu byť použité pri oveľa nižších energií, čo podporuje pokusy na vybudovanie zariadenia, ktoré umožňuje lúč dostatočnú pre jadrový výskum.

Iné udalosti tohto obdobia preukázala princípy, ktorými sú nabité urýchľovače častíc postavené až do dnešného dňa. Prvé úspešné pokusy s umelo urýchlených iónov boli držané Cockroft a Walton v roku 1932 na univerzite v Cambridge. Použitím násobič napätia, protóny sú urýchľované na 710 keV, a ukázal, že tieto reagujú s lítiom za vzniku dvoch alfa častice. V roku 1931, na Princeton University v New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatický pás staval prvý vysoký potenciál generátora. Násobič napätia Cockcroftovho-Walton generátory a Van de Graaff generátor sa stále používa ako zdroj energie pre urýchľovače.

Princíp lineárneho urýchľovača rezonančné bola preukázaná Rolf Wideroe v roku 1928. Rhein-vestfálskeho Technickej univerzity v Aachen, Nemecko, sa používajú vysoké striedavé napätie, aby urýchlili sodné a draselné ióny energie presahujúcej dvakrát povedať im. V roku 1931 v Spojených štátoch Ernest Lourens a jeho asistent David Sloan z University of California, Berkeley, ktorý sa používa vysokofrekvenčné pole, aby urýchlila ortuťové ionty energie väčší ako 1,2 MeV. Táto práca je doplnená urýchľovača ťažkých nabitých častíc Wideroe, ale iónové lúče nie sú užitočné v jadrovom výskume.

Magnetická rezonancia urýchľovač alebo cyklotrónu, bol koncipovaný ako modifikácie zariadenie Lawrence Wideroe. Študent Lawrence Livingston demonštroval princíp cyklotrónu v roku 1931, čo sa ióny s energiou 80 keV. V roku 1932, Lawrence a Livingston oznámila zrýchlenie protónov až do viac ako 1 MeV. Neskôr v roku 1930, energetické cyklotróny dosiahla asi 25 MeV, a Van de Graaff - asi 4 MeV. V roku 1940, Donald Kerst, aplikovať výsledky dôkladných výpočtov obežnej dráhy na štruktúru magnetu, postavené na University of Illinois, prvý betatróny, magnetickej indukcii urýchľovače elektrónov.

Moderné fyzika: urýchľovače častíc

Po druhej svetovej vojne tam bol rýchly pokrok vo vede urýchľovanie častíc na vysokej energie. Začalo to Edwin McMillan v Berkeley a Vladimir Veksler v Moskve. V roku 1945, ktoré sú obe nezávisle na sebe popísali princíp fázovej stability. Tento koncept ponúka prostriedky pre udržiavanie stabilnej obežnej dráhy častíc v kruhovom urýchľovači, ktorý odstraňuje obmedzenia protónov energie a pomáhal vytvárať magnetické rezonancie urýchľovača (synchrotron) pre elektróny. Fázovanie, zavedenie princípu fázové stability, bola potvrdená po vybudovaní malého synchrocyclotron na University of California a synchrotróne v Anglicku. Krátko nato bol vytvorený prvý protón lineárny urýchľovač rezonančné. Tento princíp sa používa vo všetkých hlavných protónových synchrotrons postavených od tej doby.

V roku 1947, William Hansen, na Stanford University v Kalifornii, staval prvé elektrónový lineárneho urýchľovača na postupnou vlnou, ktorý používal mikrovlnnej technológie, ktorá bola vyvinutá pre radar v priebehu druhej svetovej vojny.

Pokrok v tejto štúdii bol umožnený zvýšením energie protónu, ktorý viedol ku konštrukcii stále väčších urýchľovačov. Tento trend je vysoká výrobné náklady obrovský magnet krúžok bol zastavený. Najväčší váži okolo 40.000 ton. Metódy pre zvýšenie energie bez rastu veľkosti stroje boli testované v asi 1952 godu Livingstone, Courant a Snyder techniky striedavého zaostrovanie (niekedy označovaný ako silné zaostrovanie). Synchrotron pracujúce na tomto princípe, pomocou magnetov 100krát menší ako predtým. Takýto zaostrenie sa používa vo všetkých moderných synchrotrons.

V roku 1956 Kerst si uvedomil, že v prípade, že dve sady častíc sú zadržané na pretínajúcich sa dráhach, môžete sledovať im zrazí. Uplatnenie tejto myšlienky nutná akumulačná zrýchlil lúče v cykloch, tzv kumulatívne. Táto technológia je dosiahnutá maximálna energiu interakcie častíc.