Lineární urychlovače nabitých částic. Jako urychlovače částic prací. Proč urychlovače částic?

Urychlovač nabitých částic - zařízení, ve kterém paprsek elektricky nabitých atomových nebo elementárních částic, pohybujících se téměř rychlostí. Základem jeho práce je nezbytné zvýšit jejich energii v elektrickém poli a měnit trajektorii - magnetický.

Jaké jsou urychlovače částic?

Tato zařízení jsou široce používány v různých oblastech vědy a průmyslu. K dnešnímu dni, po celém světě existuje 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. Mezi ně patří transuranových a jiné nestabilní elementy.

S trubice výbojky stalo možné určit konkrétní náboj. Nabité urychlovače se používají také pro výrobu radioizotopů, v průmyslové radiografie, radioterapie, pro sterilizaci biologického materiálu, a v analýze radiokarbonovém. Největší jednotky se používají při studiu základních interakcí.

Životnost nabitých částic v klidu vzhledem k urychlovače je menší než částice urychlí na rychlost blízko k rychlosti světla. To potvrzuje relativně malém množství času stanic. Například, v CERNu bylo dosaženo zvýšení životnosti mion rychlosti 0,9994c 29 krát.

Tento článek se zaměřuje na to, co je uvnitř, a pracuje urychlovač částic, jeho vývoj, různé typy a různé funkce.

principy akcelerace

Bez ohledu na to, jaký druh nabitých urychlovačů částic víte, že všichni mají společné prvky. Za prvé, musí mít zdroj elektronů v případě televizní obrazovky nebo elektronů, protonů a jejich antičástic v případě větších instalací. Kromě toho musí všichni mají elektrická pole s cílem urychlit částice a magnetická pole řídit jejich trajektorii. Kromě toho se podtlak v nabitých částic, urychlovač (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimální množství zbytkového vzduchu, je nutné pro zajištění dlouhé životnost paprsky. A konečně, všechna zařízení musí mít registrační prostředky, počítání a měření urychlených částic.

generace

Elektrony a protony, které jsou nejčastěji používané v urychlovačích, se nacházejí ve všech materiálech, ale nejprve musí vybrat z nich. Elektrony jsou obvykle generovány stejným způsobem jako v obrazovky - v zařízení, které se nazývá „zbraň“. Je to katoda (záporná elektroda) ve vakuu, která se zahřeje na stavu, ve kterém elektrony začnou odlepovat atomy. Negativně nabité částice jsou přitahovány k anodě (kladné elektrodě) a procházejí skrz výstup. Samotná zbraň je nejjednodušší jako akcelerátor, protože elektrony se pohybují pod vlivem elektrického pole. Napětí mezi katodou a anodou, typicky v rozmezí 50-150 kV.

Kromě elektronů ve všech materiálech obsaženy protony, ale pouze jeden proton jádro skládá z atomů vodíku. Proto je zdroj částic pro protonové urychlovače je plynný vodík. V tomto případě je plyn ionizován a protony jsou umístěny průchozí otvor. Ve velkých urychlovače protonů jsou často tvořeny ve formě záporných iontů vodíku. Představují další elektron z atomů, které jsou produktem ionizace diatomic plynu. Vzhledem k tomu, negativně nabitých iontů vodíku v počátečních fázích práce jednodušší. Pak procházejí tenké fólie, která je zbavuje elektronů před závěrečnou fázi zrychlení.

akcelerace

Jako urychlovače částic práci? Klíčovým rysem všech z nich je elektrické pole. Nejjednodušším příkladem - rovnoměrné statické pole mezi pozitivními a negativními elektrických potenciálů, podobný tomu, který je mezi vývody elektrické baterie. Tento elektron pole nesoucí negativní náboj je vystaven síle, která se umisťuje na kladný potenciál. Urychluje to, a pokud existuje něco, co by stát v cestě, jeho zvýšení rychlosti a výkonu. Elektrony pohybující se směrem ke kladnému potenciálu na drát nebo ve vzduchu, a srážejí s atomy, ke ztrátě energie, ale v případě, že se nacházejí ve vakuu, poté se zrychlil, jak se přibližuje anodu.

Napětí mezi základní pozici a na konci elektronových definuje zakoupit jim energii. Při pohybu prostřednictvím potenciálního rozdílu 1 V je rovna 1 elektron-volt (eV). To se rovná 1,6 x 10 ^-19 joulů. Energie letícího komára bilionů krát více. V kineskop elektrony jsou urychlovány napětím větším než 10 kV. Mnoho urychlovače dosahují mnohem vyšších energií měřené mega, giga a Tera-elektronvoltů.

druh

Některé z prvních typů urychlovačů částic, například násobiče napětí a generátor Van de Graaff generátor, pomocí konstantní elektrické pole generované potenciálů až milion voltů. S takovými vysokého napětí pracovat snadno. Mnohem praktičtější alternativou je opakované působení slabých elektrických polí vytvářených nízké potenciály. Tento princip se používá v těchto dvou typů moderních urychlovačů - lineární a cyklické (zejména cyklotrony a synchrotrony). 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.

Opakující se struktura lineárního urychlovače pro generování elektrické pole v přirozenou cestou je použít AC, není DC. Kladně nabité částice jsou urychlovány na negativní potenciál a získat nové podněty, pokud předat pozitivní. V praxi musí být napětí změnilo velmi rychle. Například, při energii 1 MeV protonové pohybů při velmi vysoké rychlosti, je rychlost světla 0,46, kolem 1,4 m na 0,01 ms. To znamená, že v opakující se struktuře několik metrů dlouhé, elektrická pole musí změnit směr při frekvenci nejméně 100 MHz. Lineární a cyklické urychlovače částic obvykle rozptýlí jim střídavého elektrického pole frekvenci od 100 MHz do 3000, t. E. V rozsahu rádiových vln do mikrovlnné trouby.

Elektromagnetická vlna je kombinací kmitání elektrická a magnetická pole oscilující v pravém úhlu k sobě navzájem. Klíčovým bodem je, upravit akcelerace vlny tak, že při příchodu částic je elektrické pole je směrován v souladu s vektoru zrychlení. To lze provést pomocí stojaté vlnění - kombinace vlny cestují v opačných směrech v uzavřeném prostoru, zvukových vln ve varhan. Alternativní provedení pro rychle se pohybující elektrony, jejichž rychlost se blíží rychlosti světla, s postupnou vlnou.

fázování

Důležitý vliv zrychlení ve střídavém elektrickém poli je „stabilita fází“. V jednom kmitání cyklus střídavé pole prochází nulou z maximální hodnoty na nulu, se snižuje na minimum a stoupá na nulu. Proto projde dvakrát přes požadovanou hodnotu zrychlení. Je-li částice, jejichž rychlost se zvyšuje, je příliš brzy, nebude to fungovat pole s dostatečnou pevností, a tlak budou slabé. Když se dostane na další plochy, test pozdě a větší vliv. Jak k tomu dochází v důsledku, self-fázování, částice budou ve fázi s každé pole v zrychlujícím regionu. Dalším účinkem je jejich seskupení v čase pro vytvoření spíše než sraženinu nepřetržitý proud.

Směr paprsku

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 je použit v cyklických urychlovačů, jako je například synchrotronu a cyklotronu. V cyklotronu, konstanta pole je produkován ve velkém magnetu. Částice se zvyšující se jejich energie pohybující se spirálovitě směrem ven urychleno každé otáčce. 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 zaměření paprsků tak, že jsou tak úzké a intenzivní jak je to možné. Nejjednodušší formou zaostřovací magnet - se čtyřmi póly (dva severní a jižní dvě) se nachází naproti sobě. Tlačí částice centra v jednom směru, ale umožňují, aby byly distribuovány v kolmici. Čtyřpólový magnet zaměřit paprsek horizontálně, což mu umožnilo jít rozostřený vertikálně. Chcete-li to provést, musí být použity v párech. Pro přesnější zaostření se také používají sofistikovanější magnety s velkým počtem (6 a 8) pólů.

Protože energie se zvětšuje částic, na síle magnetického pole, nasměrováním zvyšuje. To udržuje paprsek na stejné dráze. Sýřenina se zavádí do kruhu a se urychlí na požadovanou energii, aby mohl být stažen a použit v experimentech. Zpětný pohyb je dosaženo tím, elektromagnety, které jsou aktivovány tlačit částice z synchrotron kruhu.

srážka

Nabité urychlovače částic používané v lékařství a průmyslu, především výrobě nosníku pro daný účel, například ozářením nebo implantace iontů. To znamená, že částice použit pouze jednou. Totéž platilo urychlovačů používané v základním výzkumu po mnoho let. Ale kroužky byly vyvinuty v roce 1970, ve kterém dva paprsky cirkulující v opačných směrech a srazí kolem obvodu. Hlavní výhodou těchto systémů je, že v případě čelního nárazu energie částic, jde přímo na energii 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 kolidujících trámy jsou konstruovány se dvěma kruhy, se protínají ve dvou nebo více místech, ve kterých cirkuluje v opačných směrech, částice stejného typu. Běžnější srážeč částic antičástice. Antičástice má opačný náboj spojených částic. Například pozitron, se kladně nabité a elektrony - negativně. To znamená, že pole, které urychluje elektron, positron zpomaluje, pohybující se ve stejném směru. Ale pokud mu stát se pohybuje v opačném směru, to bude zrychlovat. Podobně, elektrony pohybující se křivky magnetické pole na levé straně, a positron - vpravo. Ale v případě, že pozitron se pohybuje vpřed, pak jeho cesta bude i nadále odchylovat se po pravé straně, ale na stejnou křivku jako v případě elektronu. To však znamená, že částice mohou pohybovat kruhu synchrotronu stejných magnetů a urychlovány stejných elektrických polí v opačných směrech. Na tomto principu vytvořeno mnoho výkonných urychlovačích konfliktních paprsky, t. K. Vyžaduje pouze jeden kruhový urychlovač.

Paprsek v synchrotronu se nepohybuje plynule a integrovány do „shluky“. Mohou být několik centimetrů na délku a desetin milimetru v průměru, a obsahují asi ^{12 října} částice. Tato nízká hustota, protože velikost tohoto materiálu obsahuje asi ²³ atomů ^října. Z tohoto důvodu, když srážející se paprsky protínají, je jen malá pravděpodobnost, že částice spolu reagují. V praxi sraženiny nadále pohybovat kolem kruhu a setkat se znovu. Vysoký podtlak v urychlovače nabitých částic (10 ^-11 mm Hg. V.), je nutné, aby částice mohou obíhat po mnoho hodin bez kolizí se molekuly vzduchu. Z tohoto důvodu je tento kruh také nazývá kumulativní, protože paprsky ve skutečnosti v nich uloženy po dobu několika hodin.

registrace

Nabité urychlovače částic ve většině mohou registrovat dochází, když částice narazí na cíl nebo druhý paprsek, pohybující se v opačném směru. V televizní obrazovky, elektrony z pistole udeřit fosforové stínítko na vnitřním povrchu a vyzařovat světlo, které tak obnoví vysílaného obrazu. V urychlovači tyto specializované detektory reagují na rozptýlených částic, ale jsou obvykle navrženy tak, aby vytváření elektrických signálů, které mohou být přeměněny na počítačových dat a analyzována pomocí počítačových programů. Pouze nabité prvky výrobě elektrických signálů procházejících přes materiál, například ionizací nebo excitaci atomů a mohou být detekovány přímo. Neutrální částice, jako jsou neutrony nebo fotonů může být detekován nepřímo prostřednictvím chování nabitých částic, které jsou v pohybu.

Existuje mnoho specializovaných detektory. Některé z nich, jako je například Geigerův počítač, je počet částic, a další použití, například pro záznam stop nebo měření rychlosti energie. Moderní detektory ve velikosti a technologie, se může lišit od malých Charge Coupled zařízení do velkých plněných plynem komor s vodiči, které detekují ionizované vlečky vyráběných nabitými částicemi.

příběh

Nabité urychlovače částic vyvinuty především pro studium vlastností atomových jader a elementárních částic. Od otevření britského fyzik Ernest Rutherford v roce 1919, se reakce jádra dusíku a alfa částice, všechny výzkum v oblasti jaderné fyziky až 1932 byly provedeny 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. V té době se zdálo obtížné. Avšak výpočet provedena v roce 1928 Georgiem Gamovym (na univerzitě v Göttingen, Německo), ukázala, že ionty mohou být použity při mnohem nižších energií, což podporuje pokusy na vybudování zařízení, které umožňuje paprsek dostatečnou pro jaderný výzkum.

Jiné události tohoto období prokázala principy, kterými jsou nabité urychlovače částic postavené až do dnešního dne. První úspěšné pokusy s uměle urychlených iontů byly drženy Cockroft a Walton v roce 1932 na univerzitě v Cambridge. Použitím násobič napětí, protony jsou urychlovány na 710 keV, a ukázal, že tyto reagují s lithiem za vzniku dvou alfa částice. V roce 1931, na Princeton University v New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatický pás stavěl první vysoký potenciál generátoru. Násobič napětí Cockcroft-Walton generátory a Van de Graaff generátor se stále používá jako zdroj energie pro urychlovače.

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 Lourens a jeho asistent David Sloan z University of California, Berkeley, který se používá 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.

Magnetická rezonance urychlovač nebo cyklotronu, byl koncipován jako modifikace zařízení Lawrence Wideroe. Student Lawrence Livingston demonstroval princip cyklotronu v roce 1931, což se ionty s energií 80 keV. V roce 1932, Lawrence a Livingston oznámila zrychlení protonů až do více než 1 MeV. Později v roce 1930, energetické cyklotrony dosáhla asi 25 MeV, a Van de Graaff - asi 4 MeV. V roce 1940, Donald Kerst, aplikovat výsledky pečlivých výpočtů oběžné dráhy na strukturu magnetu, postavené na University of Illinois, první betatronu, magnetické indukci urychlovače elektronů.

Moderní fyzika: urychlovače částic

Po druhé světové válce tam byl rychlý pokrok ve vědě urychlování částic na vysoké energie. Začalo to Edwin McMillan v Berkeley a Vladimir Veksler v Moskvě. V roce 1945, které jsou obě nezávisle na sobě 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. Krátce nato byl vytvořen první proton lineární urychlovač rezonanční. Tento princip se používá ve všech hlavních protonových synchrotrons postavených od té doby.

V roce 1947, William Hansen, na Stanford University v Kalifornii, stavěl první elektronový lineárního urychlovače na postupnou vlnou, který používal mikrovlnné technologie, která byla vyvinuta pro radar v průběhu druhé světové války.

Pokrok v této studii byl umožněn zvýšením energie protonu, který vedl ke konstrukci stále větších urychlovačů. Tento trend je vysoká výrobní náklady obrovský magnet kroužek byl zastaven. Největší váží kolem 40.000 tun. Metody pro zvýšení energie bez růstu velikosti stroje byly testovány v asi 1952 godu Livingstone, Courant a Snyder techniky střídavého zaostřování (někdy označovaný jako silné zaostřování). Synchrotrony pracující na tomto principu, pomocí magnetů 100krát menší než dříve. Takový zaostření se používá ve všech moderních synchrotrons.

V roce 1956 Kerst si uvědomil, že v případě, že dvě sady částic jsou zadrženy na protínajících se drahách, můžete sledovat jim srazí. Uplatnění této myšlenky nutná akumulační zrychlil paprsky v cyklech, tzv kumulativní. Tato technologie je dosaženo maximální energii interakce částic.