Lineární urychlovače nabitých částic. Jak urychlovače nabitých částic. Proč potřebujeme akcelerátory nabitých částic?

Akcelerátor nabitých částic je zařízení, ve kterém je paprsek elektricky nabitých atomových nebo subatomické částice,

Proč potřebujeme akcelerátory nabitých částic?

Tato zařízení jsou široce použitelná v různých oblastech vědy a průmyslu. K dnešnímu dni je na celém světě více než 30 tisíc. Pro fyzikální nabitých urychlovače částic slouží jako nástroj základního výzkumu na strukturu atomů, povahy jaderných sil a jaderných vlastnosti, které se nevyskytují přirozeně. Ty zahrnují transuranium a jiné nestabilní prvky.

S pomocí výbojky bylo možné určit konkrétní náboj. Urychlovače nabitých částic se také používají k výrobě radioizotopů, v průmyslové radiografii, radioterapii, sterilizaci biologických materiálů a radiokarbonová analýza. Největší instalace se používají při studiu základních interakcí.

Životnost nabitých částic, které jsou v klidu vzhledem k urychlovacímu zařízení, je menší než u částeček, které jsou zrychleny na rychlosti blízké rychlost světla. To potvrzuje relativitu časových intervalů SRT. Například v CERN byla doba života muonu zvýšena o faktor 29 při rychlosti 0.9994c.

Tento článek se zabývá tím, jak je urychlovač nabitých částic, jeho vývoj, různé typy a charakteristické rysy uspořádány a fungují.

Zásady zrychlení

Bez ohledu na to, jaké urychlovače nabitých částic jsou známé, mají všechny společné prvky. Za prvé, všichni musí mít zdroj elektronu v případě televizního kinezopu nebo elektronů, protonů a jejich antičástic v případě větších instalací. Kromě toho musí všichni mít elektrická pole k urychlení částic a magnetických polí ke kontrole jejich trajektorie. Navíc je podtlak v nabité částice v akcelerátoru (10^-11 mm Hg. ), tj. minimální množství zbytkového vzduchu, je nezbytné pro zajištění dlouhé životnosti nosníků. Konečně musí mít všechna zařízení prostředky k záznamu, počítání a měření zrýchlených částic.

Generování

Elektrony a protony, které se nejčastěji používají urychlovače, se nacházejí ve všech materiálech, ale nejprve je třeba je izolovat. Elektrony jsou zpravidla generovány přesně stejným způsobem jako u kinezkopu - v zařízení nazývaném "zbraň". Jedná se o katodu (zápornou elektrodu) ve vakuu, která je zahřátá na stav, kde se elektrony začínají odlomit od atomů. Záporně nabité částice jsou přitahovány k anodě (kladná elektroda) a procházejí výstupem. Samotná pistole je také nejjednodušší akcelerátor, protože elektrony se pohybují pod působením elektrického pole. Napětí mezi katodou a anodou je zpravidla v rozmezí 50-150 kV.

Kromě elektronů obsahují všechny materiály protony, ale jediné jádro atomů vodíku tvoří jediné protony. Proto je zdrojem částic pro urychlovače protonu plynný vodík. V tomto případě je plyn ionizován a protony protékají otvorem. U velkých urychlovačů se často vytvářejí protony ve formě negativních vodíkových iontů. Jsou to atomy s dalšími elektrony, které jsou výsledkem ionizace diatomického plynu. S negativně nabitými ionty vodíku v počátečních fázích je snadnější pracovat. Pak projdou přes tenkou fólii, která je zbaví elektronů před konečným stupněm zrychlení.

Přetaktování

Jak fungují akcelerátory nabitých částic? Klíčovým rysem kteréhokoli z nich je elektrické pole. Nejjednodušším příkladem je jednotné statické pole mezi kladným a záporným elektrickým potenciálem, podobné tomu, které existuje mezi svorkami elektrické baterie. V takovém poli je elektron, nesoucí záporný náboj, vystaven působení síly, která ho vede k pozitivnímu potenciálu. Zrychluje to a pokud tomu tak není, zabrání se jeho rychlosti a zvyšování energie. Elektrony, které se pohybují směrem k kladnému potenciálu podél drátu nebo dokonce ve vzduchu, se srazí s atomy a ztrácejí energii, ale pokud jsou ve vakuu, urychlují se, když se blíží k anodě.

Napětí mezi počáteční a konečnou polohou elektronu určuje získanou energii. Při pohybu potenciálním rozdílem 1 V se rovná 1 elektronovému napětí (eV). To odpovídá 1,6 × 10^-19 joule. Energie létajícího komára je biliónkrát větší. V obrazové trubici jsou elektrony zrychleny o napětí vyšší než 10 kV. Mnoho akcelerátorů dosahuje mnohem vyšších energií, měřených mega, giga a teraelektronovými volty.

Odrůdy

Některé z prvních typů urychlovačů částic, jako je násobič napětí a generátor Van de Graaff generátor, pomocí konstantní elektrické pole generované potenciálů až milion voltů. Při tak vysokém napětí není snadné pracovat. Praktičtější alternativou je opakované působení slabých elektrických polí vytvořených nízkými potenciály. Tento princip se používá ve dvou typech moderních akcelerátorů - lineárních a cyklických (hlavně v cyklotronách a synchrotronech). Lineární urychlovače částic, stručně řečeno, kolem nich jednou projít sledem urychlovacích polích, zatímco cyklicky mnohokrát se pohybují po kruhové dráze přes relativně malou elektrického pole. V obou případech, finální energie částic závisí na celkovém oblasti činnosti, takže mnoho malých „boule“ se sečtou, čímž se získá kombinovaný účinek jeden velký.

Opakovaná struktura lineárního akcelerátoru pro vytváření elektrických polí přirozeně znamená použití střídavého napětí, ne konstantního napětí. Pozitivně nabité částice jsou zrychleny na negativní potenciál a dostanou nový tlak, pokud projdou kladným. V praxi by se mělo napětí velmi rychle měnit. Například při energii 1 MeV se protón pohybuje při velmi vysokých rychlostech, což představuje 0,46násobek rychlosti světla a prochází 1,4 m za 0,01 ms. To znamená, že v opakující se struktuře o délce několika metrů musí elektrické pole měnit směr s frekvencí nejméně 100 MHz. Lineární a cyklické urychlovače nabitých částic zpravidla je dispergují pomocí střídavých elektrických polí s frekvencí od 100 do 3000 MHz, tj. Od rádiových vln po mikrovlny.

Elektromagnetická vlna je kombinací střídavých elektrických a magnetických polí, oscilujících kolmo na sebe. Klíčovým bodem urychlovače je ladění vlny takovým způsobem, že při příchodu částic je elektrické pole nasměrováno podle vektoru zrychlení. To lze provést pomocí stojaté vlny - kombinace vln, které se pohybují v opačném směru v uzavřeném prostoru, jako jsou zvukové vlny v varhany. Alternativní volbou pro velmi rychle se pohybující elektrony, jejichž rychlost se blíží rychlosti světla, je vlna cestování.

Autofází

Důležitým účinkem pro zrychlení střídavého elektrického pole je "autofázování". V jednom kmitání cyklus střídavé pole prochází nulou z maximální hodnoty na nulu, se snižuje na minimum a stoupá na nulu. Proto prochází dvakrát hodnotou potřebnou pro zrychlení. Je-li částice, jejichž rychlost se zvyšuje, je příliš brzy, nebude to fungovat pole s dostatečnou pevností, a tlak budou slabé. Když dosáhne další části, bude pozdě a bude mít silnější dopad. V důsledku toho dojde k autofázi, částice budou ve fázi s polí v každé zrychlující oblasti. Dalším účinkem bude jejich časové seskupení s tvorbou sraženin, spíše než souvislým tokem.

Směr posuvu

Důležitou roli v tom, jak funguje a urychlovač částic, hrát a magnetických polí, protože mohou změnit směr svého pohybu. To znamená, že mohou být použity pro „ohýbání“ nosníku v kruhové dráze, takže se opakovaně prochází stejným urychlovací části. V nejjednodušším případě, na nabité částice pohybující se v pravém úhlu ke směru homogenního magnetického pole, síla vektor kolmý k oběma jeho pohybu, a na pole. To způsobí, že paprsek se pohybovat po kruhové dráze kolmé k poli, dokud se z jeho oboru činnosti nebo jiná síla začne působit na něj. Tento účinek se používá u cyklických akcelerátorů, jako je cyklotron a synchrotron. V cyklotronu vytváří konstantní magnetické pole konstantní magnetické pole. Částice, jak rostou, se pohybují spirálovitě směrem ven a urychlují se každým otočením. Synchrotronu sraženiny pohyb po kruhu s konstantním poloměrem, a pole generované elektromagnety v okruhu, se zvětší, zatímco částice jsou urychlovány. Magnety poskytující „ohýbání“, představují dipóly s severních a jižních pólů, ohnuté ve tvaru podkovy tak, aby nosník může procházet mezi nimi.

Druhou důležitou funkcí elektromagnetů je koncentrace nosníků tak, aby byly co nejmenší a nejintenzivnější. Nejjednodušší forma zaměřovacího magnetu je se čtyřmi póly (dvěma severními a dvěma jihovými) proti sobě. Vytlačují částice směrem ke středu v jednom směru, ale umožňují jejich šíření v kolmém směru. Čtyřnásobné magnety zaostřují paprsek vodorovně a umožňují tak svislé vystupování z ohniska. K tomu musí být použity ve dvojicích. Pro přesnější zaostření se používají také složitější magnety s velkým počtem pólů (6 a 8).

Jak se energie částic zvyšuje, síla magnetického pole, která je vede, se zvětšuje. To udržuje paprsek na stejné cestě. Svazek se zavádí do kruhu a zrychluje se na požadovanou energii, než se stáhne a použije v experimentech. Odběr je dosažen pomocí elektromagnetů, které jsou zapnuty, aby vyloučily částice ze synchronizačního kroužku.

Kolize

Urýchlovače částic používané v medicíně a průmyslu obecně vytvářejí paprsek pro určitý účel, například pro radiační terapii nebo iontovou implantaci. To znamená, že částice se používají jednou. Po mnoho let, to samé platí u akcelerátorů používaných v základním výzkumu. Ale v sedmdesátých letech 20. století vznikly prstence, ve kterých dva paprsky kolovaly v opačném směru a narazily po celém obrysu. Hlavní výhodou takových instalací je to, že při čelní srážce energie částic prochází přímo do energie interakce mezi nimi. To je v rozporu s tím, co se stane, když se paprsek srazí se stacionární obrazy, a v tomto případě většina energie vede ke snížení cílového materiálu v pohybu, v souladu s principem zachování hybnosti.

Některé stroje s kolizními nosníky jsou konstruovány se dvěma kroužky protínajícími se na dvou nebo více místech, ve kterých částice stejného typu cirkulují v opačných směrech. Kalkulátory s částicemi a antičásticemi jsou častější. Antipartikul má opačný náboj částice svázané s ním. Například pozitron je nabitý pozitivně a elektron je negativní. To znamená, že pole, které zrychluje elektron, zpomaluje positron pohybujícím se stejným směrem. Pokud se však tento pohybuje v opačném směru, urychlí. Podobně se elektronek pohybující se magnetickým polem ohne doleva a positron napravo. Pokud se však positron posune, jeho cesta se bude i nadále odchylovat napravo, ale podél stejné křivky jako elektron. Společně to znamená, že tyto částice se mohou pohybovat podél synchrotronového kroužku kvůli stejným magnetům a být zrychleny stejnými elektrickými poli v opačných směrech. Tímto principem vzniká mnoho srážek při srážkách, protože je vyžadován pouze jeden urychlovací kroužek.

Trám v synchrotronu se nehýbe nepřetržitě, ale je spojen do "sraženin". Mohou mít několik centimetrů v délce a desetinu milimetru v průměru a obsahují asi 10^12. částice. Jedná se o malou hustotu, protože v této velikosti obsahuje asi 10²³ atomů. Proto, když se paprsky protínají s kolizními paprsky, existuje jen malá pravděpodobnost, že částice budou vzájemně ovlivňovat. V praxi se sraženiny dále pohybují po kruhu a znovu se setkají. Hluboké vakuum v akcelerátoru nabitých částic (10^-11 mm Hg. Je nezbytné, aby částice procházely po mnoho hodin bez kolize s molekulami vzduchu. Proto jsou prsteny také nazývány kumulativními kroužky, protože trámy jsou skutečně uloženy v nich několik hodin.

Registrační formulář

Urychlovače nabitých částic ve většině případů mohou zjistit, co se stane, když částice zasáhnou cíl nebo do jiného paprsku pohybujícího se v opačném směru. V televizní obrazovce jsou elektrony z pistole zasaženy ve fosforu na vnitřním povrchu obrazovky a vyzařují světlo, které tak přenáší přenášený obraz. V urychlovačích tyto specializované detektory reagují na rozptýlené částice, ale jsou obvykle navrženy tak, aby generovaly elektrické signály, které mohou být přeměněny na počítačová data a analyzovány pomocí počítačových programů. Pouze nabité prvky vytvářejí elektrické signály, které procházejí materiálem, například vzrušujícími nebo ionizujícími atomy, a mohou být přímo detekovány. Neutrální částice, například neutrony nebo fotony, mohou být detekovány nepřímo chováním nabitých částic, které jsou poháněny jimi.

Existuje mnoho specializovaných detektorů. Některé z nich, jako je Geigerova přepážka, prostě počítají částice, zatímco jiné se používají například k záznamu stop, měření rychlosti nebo množství energie. Moderní detektory velikosti a technologie se pohybují od malých zařízení s nábojem až po velké plynové kamery s dráty, které detekují ionizované stopy vytvořené nabitými částicemi.

Historie

Urychlovače nabitých částic byly vyvinuty hlavně pro studium vlastností atomových jader a elementárních částic. Od objevu britského fyzika Ernest Rutherford 1919 godu reakcí dusíku jader a částic alfa, všechny výzkumy v oblasti jaderné fyziky byly drženy až do 1932 s jader hélia, uvolněných rozkladem přírodních radioaktivních prvků. Přírodní alfa-částice mají kinetickou energii 8 MeV, ale Rutherford věřil, že musí být uměle zrychlil na ještě vyšší hodnoty pro sledování rozkladu těžkých jader. Tehdy to bylo těžké. Výpočet byl proveden v roce 1928 Georgy Gamow (Gottingen University, Německo), ukázala, že mohou být použity ionty s podstatně nižší energií, což podporuje úsilí o vybudování zařízení, které poskytuje paprsek, který je dostatečný pro jaderný výzkum.

Další události tohoto období demonstrovaly principy, kterými jsou dnes urychlovače nabitých částic budovány. První úspěšné experimenty s uměle zrychlenými ionty vedly Cockcroft a Walton v roce 1932 na Cambridge University. Pomocí násobiče napětí zrychlovali protony na 710 keV a ukázali, že tyto protony reagují s lithiovým jádrem za vzniku dvou alfa částic. V roce 1931 postavil Robert Van de Graaff na Princetonské univerzitě v New Jersey první vysoce výkonný elektrostatický generátor. Násobiče napětí Cokroft-Walton a generátory Van de Graaff jsou stále používány jako zdroje energie pro akcelerátory.

Princip lineárního urychlovače rezonanční byla prokázána Rolf Wideroe v roce 1928. Rhein-vestfálského Technické univerzity v Aachen, Německo, se používají vysoké střídavé napětí, aby urychlily sodné a draselné ionty energie přesahující dvakrát říct jim. V roce 1931 ve Spojených státech, Ernest Lawrence a jeho asistent David Sloan z University of California, Berkeley, který se používá na vysokofrekvenční pole, aby urychlila rtuťové ionty energie větší než 1,2 MeV. Tato práce je doplněna urychlovače těžkých nabitých částic Wideroe, ale iontové paprsky nejsou užitečné v jaderném výzkumu.

Magnetický rezonanční akcelerátor nebo cyklotron byl pojat Lawrenceem jako modifikace instalace Wideröe. Student Lawrence Livingston prokázal princip cyklotronu v roce 1931 a produkoval ionty s energií 80 keV. V roce 1932 oznámily Lawrence a Livingston zrychlení protonů na více než 1 MeV. Pozdnější ve třicátých létech, cyklotron energie dosáhla asi 25 MeV, a Van de Graaff generátory asi 4 MeV. V roce 1940 založil Donald Kerst na základě výsledků pečlivých výpočtů oběžné dráhy design magnetů první betatron na univerzitě v Illinois, magnetický indukční elektronový akcelerátor.

Moderní fyzika: urychlovače nabitých částic

Po druhé světové válce vede věda o urychlení částic k vysokým energiám. Začal Edwin Macmillan v Berkeley a Vladimír Veksler v Moskvě. V roce 1945 oba nezávisle popsali princip fázové stability. Tento koncept nabízí prostředky pro udržování stabilní oběžné dráhy částic v kruhovém urychlovači, který odstraňuje omezení protonů energie a pomáhal vytvořit magnetické rezonance urychlovače (Synchrotrony) pro elektrony. Fázování, zavedení principu fázové stability, byla potvrzena po vybudování malého synchrocyclotron na University of California a synchrotronu v Anglii. Brzy poté byl vytvořen první protonový lineární rezonanční urychlovač. Tento princip se používá u všech velkých prottonových synchrotronů postavených od té doby.

V roce 1947 postavil William Hansen na Stanfordské univerzitě v Kalifornii první lineární urychlovač elektronů na cestující vlně pomocí mikrovlnné technologie, která byla vyvinutá pro radary během druhé světové války.

Pokrok ve výzkumu byl možný zvýšením protonové energie, což vedlo k výstavbě stále větších akcelerátorů. Tento trend byl zastaven vysokými náklady na výrobu obrovských kroužkových magnetů. Největší váží asi 40 000 tun. Metody zvyšování energie bez zvýšení velikosti strojů byly prokázány v roce 1952 Livingstone, Courant a Snyder v technice střídajících se zaostřování (někdy nazývané silné zaostřování). Synchrotrony pracující na tomto principu používají magnety 100 krát menší než dříve. Toto zaostřování se používá ve všech moderních synchronochrotonech.

V roce 1956 si Kerst uvědomil, že jestliže jsou dvě sady částic drženy v křížových dráhách, lze pozorovat jejich kolize. Aplikace této myšlenky vyžadovala akumulaci akcelerovaných svazků v cyklech nazývaných kumulativní paprsky. Tato technologie umožnila dosáhnout maximální interakční energie částic.