Linearni pospeševalniki nabitih delcev. Kot pospeševalnikov delcev dela. Zakaj pospeševalniki delcev?

Pospeševalnik nabitih delcev - napravo označen žarek električno nabitih atomskih ali subatomskih delcev, ki potujejo na skoraj hitrostjo. Osnova njegovega dela je potrebno povečanje svojo energijo z električnim poljem in spremembo usmeritve - magnetno.

Kaj so pospeševalniki delcev?

Te naprave se pogosto uporabljajo na različnih področjih znanosti in industrije. Do sedaj, po vsem svetu je več kot 30 tisoč. Za fizike zaračunavajo pospeševalnikih osnovnih delcev služijo kot orodje za osnovne raziskave o strukturi atomov, narave jedrskih sil in jedrskih lastnosti, ki se ne pojavljajo v naravi. Slednje vključuje transuranskih in drugih neobstojnih elementov.

Z je cev za odtok vode je postalo mogoče določiti poseben naboj. Nabitih delcev pospeševalci se uporabljajo tudi za proizvodnjo radioizotopov, v industrijsko radiografijo, radioterapija, za sterilizacijo biološko aktivnih snovi in analize radiokarbonsko. Največji enote so v študiji temeljnih interakcij.

Življenjska doba nabitih delcev v mirovanju glede na plin, manjši od delcev pospešena pri hitrostih blizu svetlobne hitrosti. To potrjuje relativno majhno količino časovnih postaj. Na primer, v CERN-u je bilo doseženo povečanje življenjske dobe Muon 0,9994c hitrosti 29-krat.

Ta članek se osredotoča na tisto, kar je notri in deluje pospeševalnik delcev, njen razvoj, različne vrste in različne funkcije.

načela pospešek

Ne glede na to, kakšne nabitih pospeševalnikih osnovnih delcev veste, vsi imajo skupne elemente. Najprej morajo imeti vir elektronov v primeru slikovne cevi televizije ali elektroni, protoni in njihovih antidelcev v primeru večjih naprav. Poleg tega morajo vsi električnega polja za pospešitev delce in magnetna polja, da nadzorujejo svoje usmeritve. Poleg tega je vakuum v napolnjeno pospeševalnik (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimalno količino preostalega zraka, ki je potrebna za zagotovitev Dolgo žarkov življenje. Na koncu je treba vse naprave imajo registracijo sredstva, štetje in merjenje pospešenih delcev.

generacija

Elektroni in protoni, ki se najpogosteje uporabljajo v pospeševalnikih, najdemo v vseh uporabljenih materialov, ampak najprej morajo izbrati iz njih. Elektroni običajno nastajajo na enak način kot na sliki cevi - v napravo, ki se imenuje "pištolo". Gre za katodo (negativna elektroda) v vakuumu, kar je segrejemo na stanje, kjer elektroni začnejo sname atome. Negativno nabiti delci privlači anode (pozitivne elektrode) in skozi odprtino. Pištola sam je najenostavnejši, kot je plin, ker se elektroni gibljejo pod vplivom električnega polja. Napetost med katodo in anodo, značilno v območju 50-150 kV.

Razen elektronov v vseh uporabljenih materialov vsebuje protone, temveč samo en proton jedro sestavljajo atomi vodika. Zato je vir delcev za protonskih pospeševalnike je vodikov plin. V tem primeru, se plin ionizira in protoni se nahajajo skozi luknjo. V velikih pospeševalci so protoni pogosto oblikujejo v obliki negativnih vodikovih ionov. Predstavljajo dodaten elektron izmed atomov, ki so proizvod dvoatomarnega plina ionizacije. Ker negativno nabitih vodikovih ionov v začetnih fazah dela lažje. Potem so skozi tanko folijo, ki jih je pred končni fazi pospeševanja prikrajša elektronov.

pospešek

Kot pospeševalnikov delcev dela? Ključna značilnost vse od njih je električno polje. Najenostavnejši primer - enotna statična polja med pozitivnimi in negativnimi električnih potencialov, podoben tistemu, ki obstaja med terminalih električnega akumulatorja. To elektronov polje nosi negativni naboj je izpostavljena sili, ki ga usmerja k pozitivnim potencialom. Prav tako pospešuje, in če je kaj, da stojijo na poti, njegove hitrosti in moči povečanje. Elektroni, ki se gibljejo v smeri pozitivnega potenciala na žici ali po zraku, in trčijo z atomi izgubili z energijo, če pa se nahajajo v vakuumu, nato pa pospešil, ko se približujejo anode.

Napetosti med začetnim in končnim položajem elektronov sl Določa jih kupili energije. Pri premikanju skozi potencialne razlike 1 v enaka 1 elektron voltov (eV). To ustreza 1,6 x 10 ^-19 Joule. Energija leteči komarja bilijon-krat več. V kinescope elektroni se pospešeno napetost večjo od 10 kV. Veliko pospeševalniki dosegli precej višje energije, izmerjene mega, giga in tera-elektron-voltov.

vrste

Nekateri od prvih vrst pospeševalnikih osnovnih delcev, kot so multiplikator napetosti in generator Van de Graaff generator, z uporabo konstantnega električnega polja, ki nastane potencialov do milijon voltov. Pri tako visokih napetosti delo enostavno. Bolj praktična alternativa je ponovijo delovanje šibkih električnih polj proizvaja nizko potenciali. To načelo se uporablja v dveh vrstah modernih pospeševalnikov - linearni in ciklični (predvsem ciklotrone in sinhrotroni). Linearni pospeševalniki delcev, skratka, jih opravili enkrat skozi zaporedje pospešujejo področij, medtem ko so ciklično večkrat se gibljejo v krožnici z razmeroma majhno električno polje. V obeh primerih je končna energija delcev je odvisna od celotnega področja delovanja, tako da je veliko malih "ovire" seštejejo, da skupni učinek en sam velik.

Ponavljajoče se struktura linearnega pospeševalnika za ustvarjanje električnih polj na naraven način je uporaba AC, ne DC. Pozitivno nabiti delci se pospešila na negativni potencial in dobili nov zagon, če mimo pozitiven. V praksi se mora napetost zelo hitro spremeni. Na primer, pri energijo 1 MeV protonskih premakne z zelo visoko hitrostjo je hitrost glede na 0,46, poteka 1,4 m od 0.01 ms. To pomeni, da v ponavljajočem strukturi nekaj metrov dolge, morajo električna polja spremeniti smer s frekvenco vsaj 100 MHz. Linearni in ciklični pospeševalniki delcev jih običajno razpršijo z izmenično frekvenco električnega polja od 100 MHz do 3000, t. E. V območju od radijskih valov z mikrovalovi.

Elektromagnetni val je kombinacija nihajnih električna in magnetna polja oscilirajočih pravokotno druga na drugo. Ključna točka je prilagoditi plin val, tako da ob prihodu delcev je električno polje usmerjeno v skladu z vektorjem pospeška. To je mogoče storiti s pomočjo stalnega val - kombinacijo valov, ki potujejo v nasprotni smeri v zaprtem prostoru, zvočnih valov na orgle. Alternativna izvedba za hitro premikanje elektronov, katerih hitrostih blizu svetlobe, potujočega vala.

autophasing

Pomemben učinek pospeška v izmenično električno polje je "faza stabilnost". V enem nihanje ciklus polja izmeničnega toka skozi ničlo iz maksimalne vrednosti nazaj na nič, se zmanjša na minimum in naraste na nič. Tako gre dvakrat skozi vrednost, ki je potrebna za pospeševanje. Če delec, katerega hitrost povečuje, je še prezgodaj, da ne bo delovalo polje dovolj moči, potisni bo šibka. Ko doseže naslednji območja, test pozno in večji učinek. Kot se pojavi rezultat, samo-opuščanja bodo delci v fazi vsako polje v pospešeno regiji. Drug učinek je da se jih združi v čas, da nastane strdek namesto neprekinjen tok.

Smer žarka

Pomembno vlogo pri tem, kako se dela in pospeševalnik, igrajo in magnetna polja, ki jih lahko spremenite smer njihovega gibanja. To pomeni, da se lahko uporablja za "upogibanje" grede v krožnici, zato so večkrat skozi isto pospeševanje oddelku. V najpreprostejšem primeru se na delec z nabojem premika pravokotno na smer homogene magnetnega polja, sila vektor pravokotno na obe njegovega gibanja, in do konca. To povzroči, da se žarek, da se premaknete v krožnici pravokotno na polju, dokler ne pride iz njegovega področja delovanja ali druge sile začne delovati na njem. Ta efekt se uporablja pri cikličnih pospeševalci, kot so sinhrotrona in ciklotronom. V ciklotronom, se konstantno polje, ki ga v veliki magnet. Delci s povečanjem njihove energije premikanje spiralno navzven pospešeno z vsako revolucijo. Sinhrotronskega strdkov premikajo okoli obroča s konstantnim polmerom, in polje, ki ga ustvarijo elektromagnetov okoli obroča povečuje od delcev pospešuje. Magneti, ki zagotavljajo "upogibanje", predstavljajo dipole s severnih in južnih polov, ukrivljene v obliko podkve, tako da se lahko žarek prehaja med njima.

Druga pomembna funkcija elektromagnetov je, da se osredotoči na žarke, tako da so tako ozke in intenzivno, kot je mogoče. Najenostavnejša oblika, ki se osredotoča magnet - s štirimi polov (dve severni in dva južna), ki se nahajajo nasproti drug drugemu. Ti premikajo delce s središčem v eni smeri, ampak da se lahko razdeli na navpičnico. Kvadrupolnim magneti osredotoči pramen vodoravno, ki mu omogoča, da gredo iz fokusa navpično. Če želite to narediti, jih je treba uporabiti v paru. Za bolj natančno se uporabljajo tudi bolj prefinjene magnetov z velikim številom polov (6 in 8) s poudarkom.

Ker je energija povečuje delcev, jakost magnetnega polja, usmerjanjem poveča. Ta ohranja žarek na isti poti. Sirnina se uvede v ring in se pospešeno na želeno energije, preden se lahko umakne in se uporabljajo v poskusih. Retrakcijska dosežemo z elektromagneti, ki se aktivirajo potisniti delcev iz sinhrotronskega obroča.

trčenje

Nabitih delcev pospeševalniki uporabljajo v medicini in industriji, večinoma proizvajajo žarek za določen namen, npr obsevanja ali ionskega vnašanja. To pomeni, da so delci uporabljeni enkrat. Enako velja za pospeševalnike, ki se uporabljajo v temeljne raziskave, za več let. Vendar so obroči razvili leta 1970, pri čemer sta gredi kroži v nasprotni smeri in zadenejo okoli vezje. Glavna prednost teh sistemov je, da je v čelnem trčenju energije delcev gre neposredno za energijo interakcije med njimi. To je v nasprotju s tem, kar se zgodi, ko žarek trči s stacionarnim slik, pri čemer večina energije gre k zmanjšanju ciljne materiala v gibanju, v skladu z načelom ohranjanja zagona.

Nekateri stroji z trka tramovi so izdelani z dvema obročema in se sekata v dveh ali več mestih, v katerih kroži v nasprotni smeri, delce iste vrste. Bolj pogosti trkalnik delcev antidelec. Antidelec ima nasproten naboj pridruženih delcev. Na primer, tomografijo, je pozitivno nabita, in elektroni - negativno. To pomeni, da je področje, ki pospešuje elektron je pozitron upočasni, ki se gibljejo v isti smeri. Ampak, če ta giblje v nasprotni smeri, se bo pospešila. Podobno, elektron premika skozi magnetno polje bo krivulje v levo, in pozitrona - desno. Ampak, če je pozitron premika naprej, potem njegova pot bo še naprej zavije desno, ampak na isti krivulji kot da elektrona. Vendar pa to pomeni, da se delci premikajo skozi obroč sinhrotronskega istih magneti in pospešena z enakimi električnega polja v nasprotnih smereh. Na to načelo ustvarili veliko močnih colliders trka tramovi, t. Da. Zahteva le en prstan plin.

Širina v sinhrotrona se ne premika zvezno in je vključen v "grud." Te lahko nekaj centimetrov v dolžino in desetino milimetra v premeru, in obsegajo približno ^{12 Oktober} delce. Ta nizka gostota, saj je velikost takšnega materiala vsebuje okoli 10 ²³ atomov. Zato, ko je trk žarki križajo, obstaja le majhna verjetnost, da bodo delci reagirajo med seboj. V praksi strdki še naprej gibljejo okoli obroča in ponovno srečamo. Visoko vakuumske v pospeševalniku nabitih delcev (10 ^-11 mm Hg. V.) je potrebna, da bi lahko delci gibljejo več ur brez trkov z zračnimi molekulami. Zato je obroč imenuje tudi kumulativni, saj nosilci dejansko shrani v njej za nekaj ur.

registracija

Nabitih delcev pospeševalci v večini lahko registrirajo pojavi, kadar so delci zadeti tarčo ali druge pramen, ki se gibljejo v nasprotni smeri. V televizijski slike cevi, elektroni iz pištole do stavke zaslon fosforjevega na notranji površini in oddajajo svetlobo, ki tako poustvari posredovane podobe. V pospeševalnike takšne specializirane Detektorji reagirajo na razpršeni delci, ki pa so običajno zasnovani za ustvarjanje električne signale, ki se lahko pretvorijo v računalniške podatke in analizirane s pomočjo računalniških programov. Samo zaračuna elemente proizvaja električne signale, ki potujejo skozi material, na primer z ionizacijo ali vzbujanje atomov in lahko detektiramo direktno. Nevtralni delci kot nevtronov ali fotonov lahko zaznamo posredno prek obnašanju nabitih delcev, ki spadajo v gibanju.

Obstaja veliko specializiranih detektorji. Nekateri od njih, kot je Geiger števec, štetje delcev in druge namene, npr za evidentiranje tirov ali merjenje hitrosti energije. Sodobni detektorji velikosti in tehnologije lahko razlikujejo od majhnih nabojev naprav do velikih komor plinom napolnjeni z žicami, ki zaznavajo ionizirano skladbe, ki jih proizvaja nabitih delcev.

zgodba

Nabitih delcev pospeševalci predvsem razvit za študij lastnosti atomskih jeder in osnovnih delcev. Od začetka angleški fizik Ernest Rutherford leta 1919, reakcijo jedra dušika in alfa delcev, so bili izvedeni vsi raziskave na področju jedrske fizike do 1932 ven s helijem jedra, ki ga predlaga razpadom naravnih radioaktivnih elementov sproščen. Naravni alfa delci imajo kinetično energijo 8 MeV, toda Rutherford verjeli, da morajo biti umetno pospešeno celo višje vrednosti za spremljanje propadanje težkih jeder. Takrat se je zdelo težko. Vendar pa je izračun iz leta 1928, ki ga Georgiem Gamovym (na Univerzi v Göttingenu, Nemčija), ki je pokazala, da se ioni lahko uporablja na mnogo nižjih energij, in to je spodbudila poskuse za izgradnjo objekta, ki zagotavlja žarek dovolj za jedrske raziskave.

Drugi dogodki v tem obdobju je pokazala načela, po katerih se zaračunavajo pospeševalniki delcev zgrajena na ta dan. Prvi uspešni poskusi z umetno pospešenimi ioni so potekala Cockroftovi in Walton leta 1932 na Univerzi v Cambridgeu. Z uporabo napetosti multiplikatorja, so protoni pospešila 710 keV, in so pokazale, da ta reagira z litijem, da se tvori dva delcev alfa. Do leta 1931 je na univerzi Princeton v New Jerseyu, Robert Van de Graaff elektrostatične pas zgradili prvo visoko-potencialni generator. Napetost multiplikator Cockcroft-Walton generatorji in Van de Graaff generator se še vedno uporablja kot vir energije za pospeševalnike.

Načelo linearne resonančne pospeševalnik so dokazali Rolf Widerøe v 1928. The Porenje-Westfalec Tehnični univerzi v Aachnu v Nemčiji, je uporabil visoko izmenično napetost pospešiti ione natrija in kalija do energije, ki presegajo dva krat, da jim povem. Leta 1931 je v ZDA Ernest Lourens in njegov pomočnik David Sloan iz University of California, Berkeley, uporabljena polja visokofrekvenčnih za pospešitev živega srebra ione energije večjim od 1,2 MeV. To delo je dopolnjena pospeševalnika težkih nabitih delcev Wideröe, vendar ionski žarki niso uporabne pri jedrskih raziskavah.

Magnetna resonanca pospeševalnika ali ciklotron, je zasnovan kot spremembo obrata Lawrence Wideröe. Študent Lawrence Livingston dokazal načelo ciklotronom leta 1931, zaradi česar ionov z energijo 80 keV. Leta 1932, Lawrence in Livingston napovedal pospeševanje protonov do več kot 1 MeV. Kasneje leta 1930, energetska ciklotrone dosegel okoli 25 MeV, in Van de Graaff - približno 4 MeV. Leta 1940, Donald Kerst, uporabo rezultatov skrbne izračune orbiti na strukturo magnet, zgrajenih na Univerzi v Illinoisu, prvi Betatron, magnetni indukciji elektronov pospeševalnika.

Sodobna fizika: pospeševalniki delcev

Po drugi svetovni vojni je bil hiter napredek v znanosti pospeševanja delcev visokih energij. Začelo se je Edwin McMillan na Berkeleyju in Vladimir Veksler v Moskvi. Leta 1945 sta oba neodvisno drug od drugega sta opisana načela stabilnosti faze. Ta koncept nudi sredstvo, da se ohrani stabilne orbite delcev v krožnem pospeševalniku da odstranijo omejitve protonski energije in pomagali ustvarjajo magnetno pospeševalnike resonance (sinhrotroni) za elektronov. Autophasing, izvajanje načela stabilnosti faze, je bil potrjen po izgradnji manjšega synchrocyclotron na Univerzi v Kaliforniji in sinhrotrona v Angliji. Kmalu zatem je nastal prvi protonske linearni resonančna pospeševalnika. To načelo se uporablja v vseh večjih protonske sinhrotroni zgrajena od takrat.

Leta 1947 je William Hansen, na univerzi Stanford v Kaliforniji, zgrajen prvi elektron linearni pospeševalnik na potujoči val, ki se uporablja mikrovalovno tehnologijo, ki je bil razvit za radar med drugo svetovno vojno.

Napredek v študiji je bilo mogoče s povečanjem energije protonov, ki je privedla do gradnje vedno večjih pospeševalnikov. Ta trend je visoki proizvodni stroški velik magnet prstan je bilo ustavljeno. Največji tehta okoli 40.000 ton. Metode za povečanje energije brez rasti velikosti stroj so bili pregledani v približno 1952 godu Livingstone, Courant in Snyder s tehniko izmenično fokusiranje (včasih imenovana močna poudarkom). Sinhrotroni, ki delujejo na tem principu, magneti 100-krat manjša kot prej. Takšna usmerimo se uporablja v vseh modernih sinhrotroni.

Leta 1956 Kerst spoznal, da če sta dva niza delcev obdrži na sekajo orbit, si lahko ogledate, da trčijo. Uporaba te ideje zahteva akumulacijo pospešiti tramovi v ciklih, ki se imenuje seštevajo. Ta tehnologija je dosegla najvišjo energijo interakcije delcev.