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

Un accelerator de particule încărcat este un dispozitiv în care un fascicul de încărcare electrică atomică sau particule subatomice,

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 de mii dintre ei în întreaga lume. Pentru fizică, acceleratoarele încărcate de particule servesc drept 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 încărcate sunt de asemenea utilizate pentru producerea de radioizotopi, în radiografia industrială, radioterapie, pentru sterilizarea materialelor biologice și în 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 particule care sunt accelerate 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 de particule încărcat, dezvoltarea, diferitele tipuri și caracteristicile distinctive sunt aranjate și funcționează.

Principiile de accelerare

Indiferent de ce acceleratoare de particule încărcate vă sunt cunoscute, toate au elemente comune. În primul rând, toți trebuie să aibă o sursă de electroni în cazul unui kinescope de televiziune 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, vidul în acceleratorul particulelor încărcate (10^-11 mm Hg. ), adică cantitatea minimă de aer rezidual, este necesară pentru a asigura o durată lungă de viață a grinzilor. Și, în sfârșit, toate instalațiile trebuie să aibă mijloacele de înregistrare, de numărare și de măsurare a particulelor accelerate.

generație

Electronii și protonii, utilizați cel mai adesea în acceleratoare, se găsesc în toate materialele, dar mai întâi trebuie să fie izolați de ele. Electronii, ca regulă, sunt generați exact la fel ca într-un kinescope - într-un dispozitiv numit "pistol". Este un catod (electrod negativ) într-un vid, care este încălzit într-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 unui câmp 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 proton este hidrogenul gazos. În acest caz, gazul este ionizat și protonii ieșesc prin orificiu. 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 ionii de hidrogen încărcați negativ în stadiile 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 oricăreia 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 și, dacă nu există nimic care să o împiedice, viteza și creșterea energiei. Electronii care se deplasează spre un potențial pozitiv de-a lungul unui fir sau chiar în aer se ciocnesc cu atomii 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, acesta este egal cu 1 electron-volt (eV). Aceasta este echivalentă cu 1,6 × 10^-19 Joule. Energia unui țânțar care zboară este de trei miliarde de ori mai mare. În tubul de imagine, electronii sunt accelerați de o tensiune mai mare de 10 kV. Mulți acceleratori ajung la energii mult mai mari, măsurate prin volți mega, giga și teraelectron.

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 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 folosit 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 multe "jiggarde" mici se adună împreună pentru a da efectul cumulat al unui mare.

Structura repetată a unui accelerator liniar pentru crearea câmpurilor electrice implică în mod natural utilizarea de tensiune alternativă, nu de tensiune constantă. Pozitiv încărcat de particule sunt accelerate la un potențial negativ și a obține o nouă împingere 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 mișcă la viteze foarte mari, reprezentând 0,46 ori viteza luminii, trecând 1,4 m în 0,01 msec. 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 undei astfel încât atunci când particulă ajunge, 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, cum ar fi 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 pentru accelerarea într-un câmp electric alternativ este "autofazarea". Într-un singur ciclu de oscilație, câmpul alternativ trece de la zero până 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 suficient de puternic 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 construit 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. In cel mai simplu caz, asupra unei particule încărcate se deplasează la un unghi drept față de direcția câmpului magnetic omogen, un vector forță perpendiculară atât mișcării sale, și în teren. 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 spirally spre exterior, accelerând cu fiecare viraj. Cheagurile sincrotron deplasa în jurul inelului cu o rază constantă, iar câmpul generat de electromagneții din jurul crește inel ca particulele sunt accelerate. Magneții care furnizează „îndoire“, reprezintă dipoli cu polii nord și sud, îndoit într-o 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 (doi la nord și doi la sud) opuși unul pe altul. 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 pe verticală. 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 folosită 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 întregului contur. Principalul avantaj al acestor sisteme este că, într-o energie de coliziune frontală de particule merge direct la energia de interacțiune între ele. Acest lucru contrastează cu ceea ce se întâmplă atunci când fasciculul se ciocnește cu un imagini staționare, caz în care cea mai mare parte din energia se duce la reducerea materialului 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 încărcarea opusă a particulei legate de ea. De exemplu, un pozitron este încărcat pozitiv, iar un electron este negativ. Aceasta înseamnă că câmpul care accelerează electronul încetinește poziționarea poziționării 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 îndoi spre stânga și un pozitiv la dreapta. Dar dacă poziția se mișcă să se întâlnească, calea ei va continua să devieze spre dreapta, dar pe aceeași curbă ca electronul. Împreună, aceasta înseamnă că aceste particule se pot deplasa 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 grinzile de coliziune, deoarece este necesar un singur inel de accelerație.

Fasciculul în sincrotron nu se mișcă continuu, ci se combină în "cheaguri". Ele pot avea lungimi de câțiva centimetri și o zecime de milimetru în diametru și conțin aproximativ 10¹² particule. Aceasta este o densitate mică, deoarece într-o substanță de această dimensiune conține aproximativ 10²³ atomi. Prin urmare, atunci când fasciculele se intersectează cu fasciculele de coliziune, există doar o mică probabilitate ca particulele să interacționeze între ele. În practică, cheagurile continuă să se miște de-a lungul inelului și se întâlnesc din nou. Vacuum adânc în acceleratorul de particule încărcate (10^-11 mm Hg. Este necesar ca particulele să circule timp de 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 timp de mai multe ore.

Formular de înregistrare

Acceleratoarele particulelor încărcate în majoritatea cazurilor pot detecta ce se întâmplă atunci când particulele ating ținta sau într-un alt fascicul care se deplasează în direcția opusă. Într-un tub de televiziune, electronii din pistol sunt loviți în fosfor pe suprafața interioară a ecranului și emit lumină, ceea ce transformă astfel imaginea transmisă. În acceleratoare, acești detectori specializați reacționează la particule împrăștiate, dar sunt de obicei concepute pentru a genera semnale electrice care pot fi transformate în date de calculator și analizate utilizând 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 un contor Geiger, un număr de particule, și alte utilizări, de exemplu, pentru piese de înregistrare sau de măsurare a vitezei de energie. Detectoarele moderne în dimensiune și tehnologie, poate varia de la cuplaj de sarcină mici dispozitive la camere mari umplute cu gaz, cu fire care detectează piste ionizate produse de particule încărcate.

poveste

Acceleratoarele particulelor încărcate au fost dezvoltate în principal pentru studierea proprietăților nucleelor ​​atomice și ale particulelor elementare. De la descoperirea fizicianului britanic Ernest Rutherford în 1919, reacția godu de nuclee de azot și particule alfa, toate cercetările în domeniul fizicii nucleare au avut loc până la 1932 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. În acel moment părea dificilă. Cu toate acestea, calculul făcut în 1928 Georgy Gamow (In Gottingen University, Germania) a arătat că poate fi utilizat ioni cu o energie mult mai mici, iar acest lucru a stimulat eforturile de a construi o facilitate care asigură un fascicul care este suficientă pentru cercetarea nucleară.

Alte evenimente din această perioadă au demonstrat principiile prin care acceleratoarele particulelor încărcate sunt construite până în prezent. Primele experimente de succes cu ioni accelerat artificial au fost efectuate de Cockcroft și Walton în 1932 la Universitatea Cambridge. Folosind un multiplicator de tensiune, au accelerat protonii la 710 keV și au arătat că aceștia din urmă reacționează cu nucleul de litiu pentru a forma două particule alfa. În 1931, la Universitatea Princeton din New Jersey, Robert Van de Graaff a construit primul generator electrostatic de mare capacitate. Multiplicatoarele de tensiune Cokroft-Walton și generatoarele Van de Graaff sunt încă folosite 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, Ernest Lawrence 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. In anul 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: acceleratoarele particulelor încărcate

După cel de-al doilea război mondial, știința de accelerare a particulelor la energii înalte a făcut progrese rapide. A început cu Edwin Macmillan la Berkeley și Vladimir Veksler la Moscova. În 1945, ambii au descris independent principiul stabilității fazelor. 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. Curând după aceea, a fost creat primul accelerator de rezonanță liniară protonică. Acest principiu este folosit în toate sincrotronele de protoni mari 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 realizat că, dacă două seturi de particule sunt ținute în orbite încrucișate, se pot observa coliziunile lor. Aplicarea acestei idei a necesitat acumularea de fascicule accelerate în cicluri numite grinzi cumulative. Această tehnologie a făcut posibilă obținerea energiei maxime de interacțiune a particulelor.