Линейни ускорители на заредени частици. Как ускорители на заредени частици. Защо имаме нужда от ускорители на заредени частици?

Акселератор на заредените частици е устройство, в което сноп от електрически заредени атомни или субатомни частици,

Защо имаме нужда от ускорители на заредени частици?

Тези устройства са намерили широко приложение в различни области на науката и индустрията. Към днешна дата има повече от 30 хил. Души по света. За физиката, ускорителите на заредени частици служат като инструмент за фундаментални изследвания на структурата на атомите, характера на ядрените сили и свойствата на ядрата, които не се срещат в природата. Последните включват трансраниум и други нестабилни елементи.

С помощта на изпускателна тръба стана възможно да се определи специфичното зареждане. Ускорителите на заредените частици също се използват за производството на радиоизотопи, в индустриалната радиография, радиотерапията, за стерилизация на биологични материали и в радиоактивен анализ. Най-големите инсталации се използват в изследванията на фундаменталните взаимодействия.

Животът на заредените частици, които са в покой в ​​сравнение с ускорителя, е по-малък, отколкото за частиците, които се ускоряват до скорости близки до скоростта на светлината. Това потвърждава относителността на времевите интервали на SRT. Например, в CERN животът на муона се увеличава с коефициент 29 при скорост 0.9994c.

Тази статия разглежда начина, по който акселератора на заредените частици, неговото развитие, различни видове и отличителни характеристики са подредени и функционират.

Принципи на ускоряване

Независимо от това, кои ускорители на заредени частици са ви известни, те всички имат общи елементи. Първо, всички те трябва да имат електронен източник в случай на телевизионен кинескоп или електрони, протони и техните античастици в случай на по-големи инсталации. Освен това всички те трябва да имат електрически полета, за да ускорят частиците и магнитните полета, за да контролират своята траектория. В допълнение, вакуумът в ускорителя на заредените частици (10^-11 mm Hg. ), т.е. минималното количество остатъчен въздух, е необходимо, за да се осигури дълъг живот на гредите. И накрая, всички съоръжения трябва да имат средства за записване, отчитане и измерване на ускорените частици.

поколение

Електроните и протоните, които най-често се използват в ускорители, се намират във всички материали, но първо трябва да бъдат изолирани от тях. Електроните, по правило, се генерират точно същите като в кинескоп - в устройство, наречено "пистолет". Той е катод (отрицателен електрод) във вакуум, който се загрява до състояние, в което електроните започват да се отделят от атомите. Отрицателно заредените частици се привличат към анода (положителен електрод) и преминават през изхода. Самият пистолет е най-простият ускорител, тъй като електроните се движат под действието на електрическо поле. Напрежението между катода и анода като правило е в рамките на 50-150 kV.

В допълнение към електроните, всички материали съдържат протони, но само единични ядра от водородни атоми се състоят от единични протони. Ето защо източникът на частици за ускорители на протон е водород. В този случай газът е йонизиран и протоните излизат през отвора. При големите ускорители често протоните се образуват под формата на отрицателни водородни йони. Те са атоми с допълнителен електрон, които са продукт на йонизирането на диатомичен газ. С отрицателно заредени водородни йони в началните етапи е по-лесно да се работи. След това те преминават през тънко фолио, което ги лишава от електрони преди крайния етап на ускоряване.

ускорение

Как работят ускорителите на заредените частици? Основна характеристика на всяко от тях е електрическото поле. Най-простият пример - еднаквото статичен областта между положителните и отрицателните електрически потенциал, подобна на тази, която съществува между клемите на електрическа батерия. В такова поле електрон, носещ отрицателен заряд, е подложен на действието на сила, която го насочва към положителен потенциал. Той го ускорява и ако няма нищо, което да го предотврати, скоростта и енергията му се увеличават. Електроните се движат към положителен потенциал на жицата или във въздуха, и се сблъскват с атомите губят енергия, но ако те са разположени във вакуум, след ускорени тъй като те подход анода.

Напрежението между началната и крайната позиция на електрона определя енергията, която е придобила. При преминаване през потенциална разлика от 1 V, тя е равна на 1 електрон-волт (eV). Това е еквивалентно на 1,6 × 10^-19 джаул. Енергията на летящ комар е трилиони пъти по-голяма. В епруветката на картината, електроните се ускоряват от напрежение по-високо от 10 kV. Много ускорители достигат много по-високи енергии, измерени от мега, гига и тераелектрон волта.

вид

Някои от най-ранните видове ускорители на частици, като множител на напрежение и генератор Генератор на Ван де Грааф на, с помощта на постоянно електрическо поле, генерирано от потенциала на до един милион волта. При такива високи напрежения не е лесно да се работи. По-практична алтернатива е повтарящото се действие на слабо електрическо поле, създадено от ниски потенциали. Този принцип се използва в два вида съвременни ускорители - линейни и циклични (главно в циклотрони и синхротрони). Линейни ускорители на частици, с една дума, да ги преминали веднъж през последователността на ускоряващи полета, а циклично много пъти те се движат в кръгова пътека през относително малкия електрическото поле. И в двата случая крайната енергия на частиците зависи от общия областта на действие, така че много малки "подутини" се добавят заедно, за да се получи комбиниран ефект на една голяма.

Повтарящата се структура на линеен ускорител за създаване на електрически полета естествено предполага използването на променливо напрежение, а не постоянно напрежение. Положително заредените частици се ускоряват до отрицателен потенциал и получават нов тласък, ако преминат положително. На практика напрежението трябва да се промени много бързо. Например, при енергия от 1 MeV, протонът се движи при много високи скорости, съставлявайки 0,46 пъти скоростта на светлината, преминавайки 1,4 м в 0,01 мсек. Това означава, че в повтаряща се структура от няколко метра дължина, електрическото поле трябва да променя посоката с честота от най-малко 100 MHz. Линейните и цикличните ускорители на заредените частици като правило ги разпръскват с помощта на редуващи се електрически полета с честота от 100 до 3000 MHz, т.е. от радиовълни до микровълни.

Електромагнитната вълна е комбинация от променливи електрически и магнитни полета, които се движат перпендикулярно една на друга. Ключовата точка на ускорителя е настройването на вълната по такъв начин, че при пристигането на частицата електричното поле да е насочено в съответствие с вектора на ускорението. Това може да се направи с помощта на постоянна вълна - комбинация от вълни, движещи се в противоположни посоки в затворено пространство, като звукови вълни в органната тръба. Алтернативна възможност за много бързо движещи се електрони, чиято скорост се приближава до скоростта на светлината, е вълна на пътуване.

autophasing

Важен ефект за ускорението на променливо електрическо поле е "автофоза". В един цикъл на трептене променливото поле преминава от нула през максималната стойност отново до нула, пада до минимум и се издига до нула. По този начин тя преминава два пъти през стойността, необходима за ускоряване. Ако частицата, чиято скорост се увеличава, пристига твърде рано, няма да има достатъчно поле, а тласъкът ще бъде слаб. Когато стигне до следващата секция, тя ще закъснее и ще има по-силно въздействие. В резултат на това ще се осъществи автофоза, частиците ще бъдат във фаза с полето във всеки ускоряващ регион. Друг ефект ще бъде тяхното групиране във времето с образуването на съсиреци, а не непрекъснат поток.

Посока на лъча

Важна роля в конструирането и работата на ускорителя на заредените частици играят магнитните полета, тъй като те могат да променят посоката на тяхното движение. Това означава, че те могат да бъдат използвани за "огъване" на гредите по кръгова траектория, така че те да преминават няколко пъти през същата ускоряваща секция. В най-простия случай силата, действаща перпендикулярно на вектора на изместване и на полето, действа върху заредена частица, движеща се под прав ъгъл спрямо посоката на еднородно магнитно поле. Това кара гредата да се движи по кръгова траектория, перпендикулярна на полето, докато не напусне зоната на действието си, или друга сила ще започне да действа върху нея. Този ефект се използва при циклични ускорители, като циклотрон и синхротрон. В циклотрон постоянно магнитно поле създава постоянно магнитно поле. Частиците, докато растат, се движат спирално навън, ускорявайки се с всеки ход. В синхротрона бунтовете се движат около пръстена с постоянен радиус и полето, създадено от електромагнитите около пръстена, се увеличава с ускоряването на частиците. Магнитите, които осигуряват "завой", са диполи със северните и южните полюси, огънати под формата на подкова, така че гредата да може да премине между тях.

Втората важна функция на електромагнитите е концентрацията на гредите, така че те да са възможно най-тесни и интензивни. Най-простата форма на магнита за фокусиране е с четири полюса (два северни и два южни) един срещу друг. Те насочват частиците към центъра в една посока, но им позволяват да се разпространяват в перпендикулярна посока. Квадруполните магнити фокусират лъча хоризонтално, което му позволява да излезе от фокуса вертикално. За това те трябва да се използват по двойки. За по-точно фокусиране се използват и по-сложни магнити с голям брой полюси (6 и 8).

С увеличаването на енергията на частиците се увеличава силата на магнитното поле, което ги води. Това държи лъча по същия път. Частта се вкарва в пръстена и се ускорява до необходимата енергия, преди да бъде изтеглена и използвана в експериментите. Оттеглянето се постига чрез електромагнити, които се включват, за да изтласкат частиците от синхротронния пръстен.

стълкновение

Ускорителите на частици, използвани в медицината и промишлеността, обикновено генерират лъч с определена цел, например за лъчева терапия или йонна имплантация. Това означава, че частиците се използват веднъж. В продължение на много години същото важи и за ускорителите, използвани в основното изследване. Но през 70-те години на миналия век са разработени пръстени, в които два гредоса циркулират в противоположни посоки и се сблъскват по целия контур. Основното предимство на тези инсталации е, че при сблъсък на главата енергията на частиците преминава директно в енергията на взаимодействие между тях. Това контрастира с това, което се случва, когато лъч се сблъска с материал в покой: в този случай по-голямата част от енергията се изразходва за привеждане на целевия материал в движение в съответствие с принципа на запазване на инерцията.

Някои машини със сблъскващи се греди са конструирани с два пръстена, пресичащи се на две или повече места, в които частици от същия тип циркулират в противоположни посоки. Колекторите с частици и античастици са по-чести. Античастикът има противоположен заряд на частицата, свързана с него. Например позитронът се зарежда позитивно, а електронът е отрицателен. Това означава, че полето, което ускорява електрона, забавя позиционирането на позитрона в същата посока. Но ако последната се движи в обратна посока, тя ще се ускори. По същия начин електронен, движещ се през магнитно поле, ще се огъне наляво и позитрон надясно. Но ако позитронът се движи да се срещне, пътят му ще продължи да се отклонява надясно, но по същата крива като електрона. Заедно това означава, че тези частици могат да се движат по синхротронния пръстен поради същите магнити и да бъдат ускорени от същите електрически полета в противоположни посоки. По този принцип се създават много мощни удари при сблъскващи се греди, тъй като се изисква само един ускорител.

Гредата в синхротрона не се движи непрекъснато, а се комбинира в "съсиреци". Те могат да имат дължина няколко сантиметра и десета от един милиметър в диаметър и да съдържат около 10¹² частици. Това е малка плътност, защото в вещество с такъв размер има около 10²³ атома. Следователно, когато гредите се пресичат със сблъскващи се греди, има малка вероятност частиците да взаимодействат един с друг. На практика, съсиреците продължават да се движат по протежение на пръстена и да се срещнат отново. Дълбок вакуум в акселератора на заредените частици (10^-11 mm Hg. Необходимо е частиците да циркулират в продължение на много часове, без да се сблъскват с въздушни молекули. Поради това пръстените се наричат ​​и кумулативни пръстени, тъй като гредите всъщност се съхраняват в тях за няколко часа.

Регистрационен формуляр

Ускорителите на заредените частици в повечето случаи могат да открият какво се случва, когато частиците ударят целта или в друг лъч, движещ се в обратната посока. В тръба за телевизионна картина, електроните от пистолета се удрят във фосфора на вътрешната повърхност на екрана и излъчват светлина, което по този начин пресъздава предаденото изображение. При ускорителите тези специализирани детектори реагират на разпръснати частици, но те обикновено са проектирани да генерират електрически сигнали, които могат да се преобразуват в компютърни данни и да се анализират чрез компютърни програми. Само заредените елементи създават електрически сигнали, преминаващи през материала, например чрез възбуждащи или йонизиращи атоми, и могат да бъдат открити директно. Неутралните частици, като неутроните или фотоните, могат да бъдат открити индиректно чрез поведението на заредените частици, които се задвижват от тях.

Има много специализирани детектори. Някои от тях, като Geiger брояча, просто броят частиците, докато други се използват, например, за записване на песни, измерване на скоростта или количеството енергия. Модерни детектори за размери и технологии варират от малки зарядни устройства до големи газови камери с проводници, които откриват йонизирани следи, създадени от заредени частици.

история

Ускорителите на заредените частици са разработени главно за изследване на свойствата на атомните ядра и елементарните частици. От откриването на английския физик Ърнест Ръдърфорд през 1919 г. реакцията на ядрото на азот и алфа частици, всички изследвания в областта на ядрената физика до 1932 г. са проведени с хелиеви ядра, освободени в резултат на разпадането на природни радиоактивни елементи. Естествените алфа частици имат кинетична енергия от 8 MeV, но Ръдърфорд вярва, че за да наблюдава спада на тежките ядра, е необходимо изкуствено да ги ускори до още по-големи стойности. По онова време изглеждаше трудно. Изчислението обаче е направено през 1928 г. Георги Гамоу (в Университета в Гьотинген, Германия) показа, че могат да се използват йони със значително по-ниски енергии и това стимулира опитите за изграждане на съоръжение, което осигурява достатъчно лъч за ядрени изследвания.

Други събития от този период демонстрират принципите, чрез които се усвояват ускорители на заредени частици и до днес. Първите успешни експерименти с изкуствено ускорени йони бяха проведени от Коккрофт и Уолтън през 1932 г. в Кеймбриджския университет. Използвайки множител на напрежението, те ускоряват протоните до 710 keV и показват, че последните реагират с литиевото ядро, за да образуват две алфа частици. До 1931 г. в Принстънския университет в Ню Джърси Робърт Ван де Грааф изгражда първия електростатичен генератор с голям капацитет. Коефициентите на напрежение на Cokroft-Walton и генераторите на Van de Graaff все още се използват като източници на енергия за ускорители.

Принципът на линеен ускорител резонансната се демонстрира Rolf Widerøe през 1928 г. Рейн-Вестфалия Техническия университет в Aachen, Германия, той използва високо напрежение за ускоряване на натриеви и калиеви йони на енергия в повече от два пъти, за да ги покаже. През 1931 г. в САЩ, Ърнест Лоурънс и неговия помощник Дейвид Слоун от Университета на Калифорния, Бъркли, използвани полета с висока честота, за да се ускори живачни йони до енергии по-големи от 1.2 MeV. Тази работа се допълва ускорител на тежки заредени частици Wideröe, но йонни лъчи не са полезни в областта на ядрените изследвания.

Магнитен резонансен ускорител, или циклотрон, е замислен от Лорънс като модификация на инсталацията на Wideröe. Студент на Лорънс Ливингстън демонстрира принципа на циклотрон през 1931 г., като произвежда йони с енергия от 80 keV. През 1932 г. Лорънс и Ливингстън обявиха ускоряването на протоните до повече от 1 MeV. По-късно през 1930-те, циклотронната енергия достига около 25 MeV, а генераторите на Van de Graaff - около 4 MeV. През 1940 г. Доналд Кест, използвайки резултатите от внимателните изчисления на орбитата за проектирането на магнити, построи първия бетатрон в Университета на Илинойс, магнитен индукционен електрон ускорител.

Съвременна физика: ускорители на заредени частици

След Втората световна война науката за ускоряване на частиците до високи енергии постигна бърз напредък. Той започва Едуин Макмилан в Бъркли и Владимир Весслер в Москва. През 1945 г. и двамата самостоятелно описват принципа на стабилност на фазите. Тази концепция предлага средствата за поддържане на стабилни орбити на частици в цикличен ускорител, който премахва ограничението на енергията на протоните и позволява създаването на ускорители на магнитен резонанс (синхротрони) за електрони. Autofasing, прилагането на принципа на стабилност на фазите беше потвърдено след изграждането на малък синхроциклотрон в Калифорнийския университет и синхротрон в Англия. Скоро след това беше създаден първия протонен линеен резонансен ускорител. Този принцип се използва във всички големи синтетични протони, изградени оттогава.

През 1947 г. Уилям Хансен, в Станфордския университет в Калифорния, построен първият електронен линеен ускорител на вълната на движение, което се използва микровълнова технология, която е разработена за радар по време на Втората световна война.

Напредъкът в научните изследвания беше постигнат чрез увеличаване на протонната енергия, което доведе до изграждането на все по-големи ускорители. Тази тенденция беше спряна от високата цена на изработването на огромни магнитни пръстени. Най-големият тежи около 40 000 тона. Методите за увеличаване на енергията без увеличаване на размера на машините са демонстрирани през 1952 г. от Livingston, Courant и Snyder в техниката на редуване на фокусирането (понякога наричано силно фокусиране). Синхротроните, работещи по този принцип, използват магнити 100 пъти по-малки от преди. Това фокусиране се използва във всички съвременни синхротрони.

През 1956 г. Керст осъзнал, че ако две части от частици се държат на кръстосани орбити, човек може да наблюдава сблъсъците им. Прилагането на тази идея изисква натрупването на ускорени греди в цикли, наречени кумулативни греди. Тази технология е направила възможно постигането на максимална енергия на взаимодействие на частиците.