Acceleratoare liniare ale particulelor încărcate. Cum acționează acceleratoarele încărcate ale particulelor. De ce avem nevoie de acceleratoare de particule încărcate?

Acceleratorul particulelor încărcate este un dispozitiv în care se formează un fascicul de particule atomice sau subatomice încărcate electric, care se deplasează cu viteze apropiate de lumină. Baza muncii sale este de a-și crește energia printr-un câmp electric și de a schimba traiectoria - magnetică.

De ce avem nevoie de acceleratoare de particule încărcate?

Aceste dispozitive au găsit o largă aplicare în diferite domenii ale științei și industriei. Până în prezent, există peste 30.000 dintre ei în întreaga lume. Pentru fizică, acceleratoarele încărcate de particule servesc ca un instrument pentru studiile fundamentale ale structurii atomilor, natura forțelor nucleare și proprietățile nucleelor care nu apar în natură. Acestea din urmă includ transuranium și alte elemente instabile.

Cu ajutorul unui tub de evacuare, a fost posibilă determinarea încărcării specifice. Acceleratoarele de particule sunt de asemenea utilizate pentru producerea de radioizotopi, radiografii industriale, radioterapie, sterilizarea materialelor biologice și analiza radiocarbonului. Cele mai mari instalații sunt utilizate în studiile privind interacțiunile fundamentale.

Durata de viață a particulelor încărcate, care sunt în repaus față de accelerator, este mai mică decât pentru particulele dispersate la viteze apropiate de viteza luminii. Aceasta confirmă relativitatea intervalelor de timp ale SRT. De exemplu, la CERN, durata de viață a muonului a crescut cu un factor de 29 la o rată de 0.9994c.

Acest articol se referă la modul în care acceleratorul încărcat al particulelor, dezvoltarea, diferitele tipuri și caracteristicile distinctive sunt aranjate și funcționează.

Principiile de accelerare

Indiferent de ce acceleratoare de particule încărcate vă sunt cunoscute, ele au toate elementele comune. În primul rând, toți trebuie să aibă o sursă de electroni în cazul unui tub de imagine televizor sau electroni, protoni și antiparticulele lor în cazul instalațiilor mai mari. În plus, toți trebuie să aibă câmpuri electrice pentru a accelera particulele și câmpurile magnetice pentru a-și controla traiectoria. În plus, este necesar un vacuum al acceleratorului pentru particulele încărcate ( ^10-11 mm Hg), adică cantitatea minimă de aer rezidual, pentru a asigura o lungă durată de viață a grinzilor. Și, în sfârșit, toate facilitățile trebuie să aibă mijloacele de înregistrare, de numărare și măsurare a particulelor accelerate.

generație

Electronii și protonii, care sunt utilizați cel mai adesea în acceleratoare, se găsesc în toate materialele, dar mai întâi trebuie să fie izolați de ei. Electronii, ca regulă, sunt generați în același mod ca într-un kinescope - într-un dispozitiv numit "pistol". Acesta este un catod (electrod negativ) într-un vid, care este încălzit până la o stare în care electronii încep să se desprindă de atomi. Particulele încărcate negativ sunt atrase de anod (electrod pozitiv) și trec prin ieșire. Arma însăși este și cel mai simplu accelerator, deoarece electronii se mișcă sub acțiunea câmpului electric. Tensiunea dintre catod și anod, de regulă, este cuprinsă între 50-150 kV.

În plus față de electroni, toate materialele conțin protoni, dar numai singurele nuclee de atomi de hidrogen constau din protoni unici. Prin urmare, sursa de particule pentru acceleratoarele de protoni este gazul de hidrogen. În acest caz, gazul este ionizat și protonii ieșesc prin gaură. În acceleratoarele mari, protonii sunt adesea formați sub formă de ioni negativi ai hidrogenului. Aceștia sunt atomi cu un electron suplimentar, care sunt produsul ionizării unui gaz diatomic. Cu ioni de hidrogen încărcați negativ la etapele inițiale, este mai ușor să lucrați. Apoi, ele sunt trecute printr-o folie subțire, care le privează de electroni înainte de etapa finală de accelerare.

accelerare

Cum acționează acceleratoarele încărcate de particule? O caracteristică cheie a oricăruia dintre acestea este câmpul electric. Cel mai simplu exemplu este un câmp static uniform între potențialele electrice pozitive și negative, similar celui care există între bornele unei baterii electrice. Într-un astfel de câmp, un electron care poartă o sarcină negativă este supus acțiunii unei forțe care o direcționează către un potențial pozitiv. Ea îl accelerează, iar dacă nu există nimic care să o împiedice, viteza și creșterea energiei. Electronii care se deplasează către un potențial pozitiv de-a lungul unui fir sau chiar în aer se ciocnesc cu atomi și pierd energie, dar dacă se află într-un vid, aceștia sunt accelerați atunci când se apropie de anod.

Tensiunea dintre poziția inițială și cea finală a electronului determină energia pe care a dobândit-o. Când treceți printr-o diferență de potențial de 1 V, este 1 electron-volt (eV). Aceasta este echivalentă cu 1,6 × 10 ^-19 jouli. Energia unui țânțar care zboară este de un miliard de ori mai mare. În kinescope, electronii sunt accelerați de o tensiune mai mare de 10 kV. Mulți acceleratori ating energii mult mai mari, măsurate prin volți mega-, giga- și tera-electron.

specie

Unele dintre cele mai vechi tipuri de acceleratoare de particule încărcate, cum ar fi multiplicatorul de tensiune și generatorul Van de Graaff, au folosit câmpuri electrice constante create de potențiale de până la un milion de volți. Cu astfel de tensiuni mari, nu este ușor să lucrați. O alternativă mai practică este acțiunea repetată a câmpurilor electrice slabe create de potențiale reduse. Acest principiu este utilizat în două tipuri de acceleratoare moderne - liniare și ciclice (în principal în ciclotroni și sincrotroni). Acceleratoarele liniare ale particulelor încărcate, pentru scurt timp, le sar peste o dată printr-o succesiune de câmpuri de accelerare, în timp ce în ciclic se deplasează în mod repetat de-a lungul unei traiectorii circulare prin câmpuri electrice relativ mici. În ambele cazuri, energia finală a particulelor depinde de acțiunea totală a câmpurilor, astfel încât numeroși "jiggari" mici se adună împreună pentru a da efectul cumulat al unei mari.

Structura repetată a unui accelerator liniar pentru crearea câmpurilor electrice implică în mod natural utilizarea de tensiune alternativă, nu de tensiune constantă. Pozitiv încărcate de particule sunt accelerate la un potențial negativ și a obține un nou impuls în cazul în care trece prin pozitiv. În practică, tensiunea ar trebui să se schimbe foarte repede. De exemplu, la o energie de 1 MeV, protonul se deplasează la viteze foarte mari, reprezentând 0,46 ori viteza luminii, trecând 1,4 m în 0,01 ms. Aceasta înseamnă că, într-o structură repetată de câțiva metri în lungime, câmpurile electrice trebuie să schimbe direcția cu o frecvență de cel puțin 100 MHz. Acceleratoarele liniare și ciclice ale particulelor încărcate, de regulă, le dispersează cu ajutorul câmpurilor electrice alternante cu frecvență de la 100 la 3000 MHz, adică de la unde radio la microunde.

Unda electromagnetică este o combinație de câmpuri electrice și magnetice alternante, care oscilează perpendicular unul pe celălalt. Punctul cheie al acceleratorului este reglarea undelor, astfel încât atunci când particulele sosesc, câmpul electric este direcționat în conformitate cu vectorul de accelerație. Acest lucru se poate face cu ajutorul unui val în picioare - o combinație de valuri care se mișcă în direcții opuse într-un spațiu închis, precum undele sonore în tubul de organe. O alternativă alternativă pentru electronii cu mișcare rapidă, a căror viteză se apropie de viteza luminii, este un val de călătorie.

autophasing

Un efect important în accelerația unui câmp electric alternativ este "autofazarea". Într-un singur ciclu de oscilație, câmpul alternativ trece de la zero la valoarea maximă din nou la zero, scade la minimum și crește la zero. Astfel, trece de două ori prin valoarea necesară pentru accelerare. Dacă o particulă a cărei viteză crește, ajunge prea devreme, atunci nu va avea un câmp de putere suficientă și împingerea va fi slabă. Când ajunge la următoarea secțiune, va întârzia și va avea un impact mai puternic. Ca urmare, se va produce autofazarea, particulele vor fi în fază cu câmpul din fiecare regiune de accelerare. Un alt efect va fi gruparea lor în timp cu formarea de cheaguri, mai degrabă decât un flux continuu.

Direcția bârnei

Un rol important în modul în care acceleratorul particulelor încărcate este aranjat și pus în funcțiune este jucat de câmpuri magnetice, deoarece acestea pot schimba direcția mișcării lor. Aceasta înseamnă că ele pot fi folosite pentru a "îndoi" grinzile de-a lungul unei traiectorii circulare astfel încât să circule de mai multe ori prin aceeași secțiune de accelerare. În cel mai simplu caz, o forță care acționează perpendicular pe vectorul de deplasare și pe câmp acționează asupra unei particule încărcate care se deplasează în unghi drept față de direcția unui câmp magnetic uniform. Acest lucru face ca fasciculul să se deplaseze de-a lungul unei traiectorii circulare perpendiculare pe câmp până când acesta părăsește zona acțiunii sale sau o altă forță începe să acționeze asupra acestuia. Acest efect este utilizat în acceleratoarele ciclice, cum ar fi ciclotron și synchrotron. Într-un ciclotron, un câmp magnetic constant creează un câmp magnetic constant. Particulele, pe măsură ce își dezvoltă energia, se mișcă spiralat spre exterior, accelerând cu fiecare viraj. În sincrotron, ciorchinii se mișcă în jurul inelului cu o rază constantă, iar câmpul creat de electromagneții din jurul inelului crește pe măsură ce particulele se accelerează. Magneții care oferă o "încovoiere" sunt dipoli cu polii nordici și sudici îndoiți sub formă de potcoavă, astfel încât fasciculul poate trece între ele.

Cea de-a doua funcție importantă a electromagneților este concentrația grinzilor, astfel încât acestea să fie cât mai înguste și mai intense. Cea mai simplă formă a unui magnet de focalizare este cu patru poli (două de nord și două de sud) situate unul față de celălalt. Acestea împing particule spre centru într-o singură direcție, dar le permit să se propaga într-o direcție perpendiculară. Magneții quadrupol focalizează fasciculul orizontal, permițându-i să iasă din focalizare vertical. Pentru aceasta, ele trebuie folosite în perechi. Pentru focalizarea mai precisă, sunt utilizați și magneți mai complexi, cu un număr mare de poli (6 și 8).

Odată cu creșterea energiei particulelor, intensitatea câmpului magnetic care le ghidează crește. Aceasta păstrează fasciculul pe aceeași cale. Banda este introdusă în inel și este accelerată până la energia necesară înainte de a fi extrasă și utilizată în experimente. Retragerea este realizată prin electromagneți, care sunt pornite pentru a scoate particulele din inelul sincrotron.

coliziune

Acceleratoarele de particule utilizate în medicină și industrie produc, în general, un fascicul pentru un anumit scop, de exemplu pentru radioterapie sau implantare ionică. Aceasta înseamnă că particulele se utilizează o singură dată. Timp de mulți ani, același lucru a fost valabil și pentru acceleratoarele utilizate în cercetarea de bază. Dar, în anii 1970, s-au dezvoltat inele în care două grinzi circulau în direcții opuse și se ciocnesc de-a lungul conturului. Principalul avantaj al unor astfel de instalații este că, într-o coliziune de cap, energia particulelor trece direct în energia de interacțiune dintre ele. Acest lucru contrastează cu ceea ce se întâmplă atunci când un fascicul se ciocnește cu un material în stare de repaus: în acest caz, cea mai mare parte a energiei merge pentru a aduce materialul țintă în mișcare, în conformitate cu principiul conservării impulsului.

Unele mașini cu grinzi de coliziune sunt construite cu două inele care se intersectează în două sau mai multe locuri în care particule de același tip circulă în direcții opuse. Colizoarele cu particule și antiparticule sunt mai frecvente. Antiparticul are sarcina opusă a particulei legate de ea. De exemplu, pozitronul este încărcat pozitiv, iar electronul este negativ. Aceasta înseamnă că câmpul care accelerează electronul încetinește poziționarea pozitronului în aceeași direcție. Dar dacă acesta din urmă se mișcă în direcția opusă, va accelera. În mod similar, un electron care se deplasează printr-un câmp magnetic se va înclina spre stânga și poziția spre dreapta. Dar dacă pozitronul se mișcă să se întâlnească, calea lui va continua să devieze spre dreapta, dar pe aceeași curbă ca electronul. Împreună, aceasta înseamnă că aceste particule se pot mișca de-a lungul inelului sincrotron datorită acelorași magneți și pot fi accelerate de aceleași câmpuri electrice în direcții opuse. Prin acest principiu, multe colizoare puternice sunt create pe coloanele de coliziune, deoarece este necesar un singur inel de accelerație.

Fasciculul din sincrotron nu se mișcă continuu, ci este combinat în "cheaguri". Ele pot avea lungimi de câțiva centimetri și o diametru de zecime de milimetru și conțin circa 10 ¹² particule. Aceasta este o densitate mică, deoarece într-o substanță de dimensiuni similare conține aproximativ 10 ^{23 de} atomi. Prin urmare, atunci când fasciculele se intersectează cu fasciculele de coliziune, există doar o mică probabilitate ca particulele să interacționeze una cu cealaltă. În practică, cheagurile continuă să se miște de-a lungul inelului și se întâlnesc din nou. Un vid adânc într-un accelerator de particule încărcat ( ^10-11 mm Hg) este necesar pentru a permite particulelor să circule timp de mai multe ore fără a se ciocni cu moleculele de aer. Prin urmare, inelele sunt de asemenea numite inele cumulative, deoarece grinzile sunt de fapt stocate în ele pentru câteva ore.

Formular de înregistrare

Acceleratoarele particulelor încărcate în majoritatea cazurilor pot înregistra un eveniment la lovirea particulelor în țintă sau în alt pachet care se deplasează într-o direcție opusă. În tubul de imagine de televiziune, electronii din pistol sunt loviți în fosfor pe suprafața interioară a ecranului și emit lumină, ceea ce recreează imaginea transmisă. În acceleratoare, acești detectori specializați reacționează la particule împrăștiate, dar ele sunt de obicei concepute pentru a genera semnale electrice care pot fi transformate în date de calculator și analizate folosind programe de calculator. Numai elementele încărcate creează semnale electrice care trec prin material, de exemplu, prin atomi excitativi sau ionizatori, și pot fi detectați direct. Particulele neutre, cum ar fi neutronii sau fotonii, pot fi detectate indirect prin comportamentul particulelor încărcate care sunt conduse de ele.

Există multe detectoare specializate. Unele dintre ele, cum ar fi contorul Geiger, numără doar particulele, în timp ce altele sunt utilizate, de exemplu, pentru a înregistra piese, pentru a măsura viteza sau cantitatea de energie. Detectoarele și tehnologiile de dimensiuni moderne variază de la dispozitive mici de cuplare la încărcătoare la camere mari cu gaze cu fire care detectează urme ionizate create de particule încărcate.

poveste

acceleratori de particule încărcate dezvoltat în principal pentru studiul proprietăților nucleelor atomice și a particulelor elementare. De la deschiderea fizicianul britanic Ernest Rutherford în 1919, reacția nucleului de azot și o particulă alfa, toate cercetările în domeniul fizicii nucleare și până în 1932 au fost efectuate cu nuclee de heliu, eliberați prin dezintegrarea elementelor radioactive naturale. alfa-particule naturale au o energie cinetică de 8 MeV, dar Rutherford a crezut că acestea trebuie să fie în mod artificial accelerate valori chiar mai mari pentru monitorizarea dezintegrarea nucleelor grele. La momentul părea dificilă. Cu toate acestea, calculul efectuat în 1928 de către Georgiem Gamovym (la Universitatea din Gottingen, Germania), a arătat că ionii pot fi utilizate la energii mult mai mici, iar acest lucru a stimulat încercările de a construi o instalație care asigură un fascicul suficient pentru cercetare nucleară.

Alte evenimente din această perioadă au demonstrat principiile prin care acceleratoare de particule incarcate sunt construite în ziua de azi. Primele experimente de succes cu ioni accelerate artificial au avut loc Cockroft și Walton în 1932 la Universitatea din Cambridge. Prin utilizarea unui multiplicator de tensiune, protoni sunt accelerate la 710 keV și a arătat că acesta din urmă reacționează cu litiu pentru a forma două particule alfa. Prin 1931, la Universitatea Princeton din New Jersey, Robert Van de Graaff centura electrostatică a construit primul generator de mare potențial. multiplicatoare de tensiune Generatoare Cockcroft-Walton și generator de Van de Graaff este încă folosit ca surse de energie pentru acceleratoare.

Principiul accelerator liniar de rezonanță a fost demonstrată Rolf Wideroe în 1928. Universitatea Tehnică din Renania-Westfalia din Aachen, Germania, a folosit o tensiune de curent alternativ de mare pentru a accelera de sodiu și de potasiu ioni la energii mai mari de două ori pentru a le spune. În 1931, în Statele Unite ale Americii Ernest Lourens și asistentul său David Sloan de la Universitatea din California, Berkeley, a folosit câmpurile de înaltă frecvență pentru a accelera ioni de mercur la energii mai mari de 1,2 MeV. Această lucrare este completată accelerator de particule grele încărcate Wideroe, dar fasciculele de ioni nu sunt utile în cercetarea nucleară.

accelerator de rezonanță magnetică sau ciclotron, a fost conceput ca o modificare a instalării Lawrence Wideroe. Student Lawrence Livingston a demonstrat principiul ciclotronului în 1931, ceea ce face ionii cu o energie de 80 keV. În 1932, Lawrence și Livingston a anunțat accelerarea protonilor până la mai mult de 1 MeV. Mai târziu, în 1930, ciclotroane de energie a ajuns la aproximativ 25 MeV, iar Van de Graaff - aproximativ 4 MeV. În 1940, Donald Kerst, aplicând rezultatele calculelor atente ale orbitei la structura magnet, construit de la Universitatea din Illinois, primul betatron, inducție magnetică de electroni de accelerație.

Fizica modernă: acceleratori de particule

După al doilea război mondial a existat un progres rapid în știința particulelor accelerate la energii înalte. A început Edwin McMillan la Berkeley și Vladimir Veksler la Moscova. In 1945, ele sunt atât în mod independent unul de altul au descris principiul stabilității fazei. Acest concept oferă un mijloc de a menține orbitele stabile ale particulelor într-un accelerator circular care eliminat restricțiile privind energia de protoni și a ajutat la crearea unei acceleratori de rezonanță magnetică (sincrotroni) pentru electroni. Autophasing, punerea în aplicare a principiului de stabilitate de fază, a fost confirmată după construirea unei sincrociclotron mici de la Universitatea din California si sincrotron din Anglia. La scurt timp după aceea, a fost creat acceleratorul de protoni rezonantă primul liniar. Acest principiu este utilizat în toate sincrotroni majore de protoni construite de atunci.

În 1947, William Hansen, de la Universitatea Stanford din California, a construit primul accelerator linear de electroni la undă, care a folosit tehnologia cu microunde, care a fost dezvoltat pentru radar în timpul al doilea război mondial.

Progresele în cadrul studiului a fost posibilă prin creșterea energiei de protoni, ceea ce a condus la construirea de acceleratoare tot mai mari. Această tendință este de cost ridicat de fabricație inel magnet imens a fost oprit. Cel mai mare are o greutate de aproximativ 40.000 de tone. Metode pentru creșterea energiei fără creșterea dimensiunii mașinii au fost proiectate în aproximativ 1952 godu Livingstone, Courant si Snyder o tehnica de focalizare alternativ (uneori numită puternică focalizare). Sincrotroni lucrează la acest principiu, utilizați magneți de 100 de ori mai mici decât înainte. Focusarea O astfel este folosit în toate sincrotroni moderne.

În 1956 Kerst a dat seama că, dacă cele două seturi de particule sunt reținute pe orbite se intersectează, puteți viziona se ciocnesc. Aplicarea acestei idei necesară acumularea accelerată grinzile în cicluri, numite cumulativ. Această tehnologie a atins un maxim de energie de particule de interacțiune.