Lineêre versnellers van gelaaide deeltjies. Hoe werk opgelaaide deeltjiesversnellers. Waarom benodig ons versnellers van gelaaide deeltjies?

Die versneller van gelaaide deeltjies is 'n toestel waarin 'n bundel elektries gelaaide atoom- of subatomiese deeltjies geskep word, met nagenoeg ligte snelhede beweeg. Die basis van sy werk is om hul energie deur 'n elektriese veld te verhoog en die trajek magneties te verander.

Waarom benodig ons partikelversnellers?

Hierdie toestelle het wye toepassing in verskeie velde van wetenskap en bedryf gevind. Tot op datum is daar wêreldwyd meer as 30.000 van hulle. Vir fisika dien gelaaide deeltjiesversnellers as 'n instrument vir fundamentele studies van die struktuur van atome, die aard van kernkragte en die eienskappe van kerne wat nie in die natuur voorkom nie. Laasgenoemde sluit in transuraan en ander onstabiele elemente.

Met behulp van 'n ontslagbuis het dit moontlik geword om die spesifieke lading te bepaal. Partikelversnellers word ook gebruik vir die vervaardiging van radioisotope, industriële radiografie, bestralingsterapie, sterilisasie van biologiese materiale en radio-analise. Die grootste installasies word gebruik in studies van fundamentele interaksies.

Die leeftyd van gelaaide deeltjies, wat rustig is teenoor die versneller, is kleiner as vir deeltjies wat versprei word na snelhede naby die spoed van lig. Dit bevestig die relatiwiteit van die tydintervalle van SRT. Byvoorbeeld, by CERN is die lewensduur van die muon verhoog met 'n faktor van 29 teen 'n koers van 0,9994c.

Hierdie artikel handel oor hoe die gelaaide deeltjieversneller, die ontwikkeling daarvan, verskillende tipes en kenmerkende eienskappe gereël en bedryf word.

Beginsels van versnelling

Ongeag watter versnellers van gelaaide deeltjies vir jou bekend is, het hulle almal gemeenskaplike elemente. Eerstens moet hulle almal 'n elektronbron hê in die geval van 'n televisiestootbuis of elektrone, protone en hul antipartikels in die geval van groter installasies. Daarbenewens moet almal elektriese velde hê om deeltjies en magnetiese velde te versnel om hul trajek te beheer. Daarbenewens is die vakuum in die versneller van gelaaide deeltjies (10 ^-11 mm Hg), dit wil sê die minimum hoeveelheid residuele lug nodig om 'n lang leeftyd van die balke te verseker. En laastens moet alle geriewe die opname, tel en meet van versnelde deeltjies bevat.

generasie

Elektrone en protone, wat die meeste in versnellers gebruik word, word in alle materiale aangetref, maar eers moet hulle van hulle geïsoleer word. Elektrone word as 'n reël gegenereer op dieselfde manier as in 'n Chinese kop - in 'n toestel wat 'n geweer genoem word. Dit is 'n katode (negatiewe elektrode) in 'n vakuum wat verhit word tot 'n toestand waar die elektrone van die atome wegbreek. Negatief gelaaide deeltjies word aangetrek na die anode (positiewe elektrode) en gaan deur die uitlaat. Die geweer self is ook die eenvoudigste versneller, aangesien die elektrone onder die werking van die elektriese veld beweeg. Die spanning tussen die katode en die anode is gewoonlik 50-150 kV.

Benewens elektrone bevat alle materiale protone, maar slegs enkelkernen van waterstofatome bestaan uit enkele protone. Daarom is die bron van deeltjies vir proton versnellers waterstofgas. In hierdie geval word die gas geïoniseerd en die protone gaan deur die gat. In groot versnellers word protone dikwels gevorm in die vorm van negatiewe waterstofione. Hulle is atome met 'n bykomende elektron, wat die produk is van die ionisasie van 'n diatomiese gas. Met negatief gelaaide waterstofione in die aanvanklike stadiums is dit makliker om te werk. Dan word hulle deur 'n dun foelie gesleep, wat hulle van elektrone ontneem voor die finale stadium van versnelling.

versnelling

Hoe werk opgelaaide deeltjiesversnellers? 'N belangrike kenmerk van enige van hierdie is die elektriese veld. Die eenvoudigste voorbeeld is 'n eenvormige statiese veld tussen positiewe en negatiewe elektriese potensiale, soortgelyk aan die een wat tussen die terminale van 'n elektriese battery bestaan. In so 'n veld is 'n elektron wat 'n negatiewe lading dra, onderhewig aan die werking van 'n krag wat dit na 'n positiewe potensiaal lei. Dit versnel dit, en as daar niks is om dit te voorkom nie, word sy spoed en energie verhoog. Elektrone wat na 'n positiewe potensiaal beweeg langs 'n draad of selfs in die lug bots met atome en energie verloor, maar as hulle in 'n vakuum is, word hulle versnel terwyl hulle die anode nader.

Die spanning tussen die aanvanklike en finale posisie van die elektron bepaal die energie wat dit verkry het. Wanneer dit deur 'n potensiaalverskil van 1 V beweeg, is dit 1 elektronvolt (eV). Dit is gelyk aan 1,6 × 10 ^-19 joules. Die energie van 'n vlieënde muskiet is 'n triljoen keer groter. In die Chinese kop word elektrone versnel met 'n spanning van meer as 10 kV. Baie versnellers bereik baie hoër energieë, gemeet deur mega-, giga- en tera-elektron volt.

spesies

Van die vroegste soorte gelaaide deeltjiesversnellers, soos die spanningvermenigvuldiger en die Van de Graaff-kragopwekker, het konstante elektriese velde gebruik wat geskep is deur potensiaal van tot 'n miljoen volt. Met sulke hoë spannings is dit nie maklik om te werk nie. 'N meer praktiese alternatief is die herhaalde optrede van swak elektriese velde geskep deur lae potensiale. Hierdie beginsel word gebruik in twee soorte moderne versnellers - lineêr en siklies (hoofsaaklik in siklotrone en sinkronrotone). Lineêre versnellers van gelaaide deeltjies, kortliks, slaan hulle een keer deur 'n reeks versnellende velde, terwyl hulle in sikliese bewegings herhaaldelik beweeg deur 'n sirkelbaan deur relatief klein elektriese velde. In beide gevalle hang die finale energie van die deeltjies af van die totale werking van die velde, sodat baie klein "jerks" bymekaar getel word om die kumulatiewe effek van een groot te gee.

Die herhaalde struktuur van 'n lineêre versneller vir die skepping van elektriese velde impliseer natuurlik die gebruik van wisselstroom, nie konstante spanning nie. Positief gelaaide deeltjies word versnel tot 'n negatiewe potensiaal en kry 'n nuwe druk as hulle deur die positiewe verbygaan. In die praktyk moet die spanning baie vinnig verander. Byvoorbeeld, by 'n energie van 1 MeV beweeg die proton teen baie hoë spoed, wat 0,46 keer die spoed van lig uitmaak, 1,4 m in 0,01 ms verby. Dit beteken dat die elektriese velde in 'n herhalende struktuur van enkele meter lank die rigting moet verander met 'n frekwensie van minstens 100 MHz. Lineêre en sikliese versnellers van gelaaide deeltjies versprei hulle as 'n reël met behulp van alternatiewe elektriese velde met frekwensie van 100 tot 3000 MHz, dws van radiogolwe na mikrogolwe.

Elektromagnetiese golf is 'n kombinasie van wisselende elektriese en magnetiese velde, wat loodreg op mekaar skommel. Die sleutelpunt van die versneller is die afstemming van die golf sodat wanneer die deeltjie aankom, die elektriese veld volgens die versnellingsvektor gerig word. Dit kan gedoen word met behulp van 'n staande golf - 'n kombinasie van golwe wat in 'n geslote ruimte in teenoorgestelde rigtings beweeg, soos klankgolwe in die orgaanbuis. 'N Alternatiewe opsie vir baie vinnig bewegende elektrone, waarvan die snelheid die spoed van lig nader, is 'n bewegende golf.

autophasing

'N belangrike effek in versnelling in 'n alternatiewe elektriese veld is "outofasing". In een ossillasie siklus, beweeg die wisselende veld vanaf nul deur die maksimum waarde weer na nul, daal tot 'n minimum en styg tot nul. Dus, dit slaag twee keer deur die waarde wat nodig is vir versnelling. As 'n deeltjie waarvan die spoed toeneem, te vroeg kom, sal dit nie 'n veld van voldoende krag hê nie, en die druk sal swak wees. Wanneer dit die volgende afdeling bereik, sal dit laat wees en sal 'n sterker impak ervaar. As gevolg hiervan, sal autophasing voorkom, die deeltjies sal in fase wees met die veld in elke versnellende streek. Nog 'n effek sal hul groepering betyds wees met die vorming van stolsels, eerder as 'n deurlopende vloei.

Beam rigting

'N Belangrike rol in hoe die versneller van gelaaide deeltjies gereël en bedryf word, word deur magnetiese velde gespeel, aangesien hulle die rigting van hul beweging kan verander. Dit beteken dat hulle gebruik kan word om die balke langs 'n sirkelvormige pad te buig sodat hulle verskeie kere deur dieselfde versnelde gedeelte beweeg. In die eenvoudigste geval tree 'n krag wat loodreg op beide die verplasingsvektor en die veld optree op 'n gelaaide deeltjie wat reghoekig beweeg na die rigting van 'n eenvormige magnetiese veld. Dit veroorsaak dat die balk langs 'n sirkelvormige pad loodreg op die veld beweeg, totdat dit die area van sy aksie verlaat, of 'n ander krag begin daarop reageer. Hierdie effek word gebruik in sikliese versnellers, soos siklotron en sinchrotron. In 'n siklotron skep 'n konstante magnetiese veld 'n konstante magnetiese veld. Partikels terwyl hulle hul energie groei, beweeg spiraal uitwaarts en versnel met elke beurt. In die sinchrotron beweeg die trosse om 'n konstante radius om die ring, en die veld wat deur die elektromagnete om die ring geskep word, neem toe namate die deeltjies versnel. Magnete wat 'n "buiging" bied, is dipole met die noorde en suidpale wat in die vorm van 'n hoefoestel gebuig is, sodat die balk tussen hulle kan beweeg.

Die tweede belangrike funksie van elektromagnete is die konsentrasie van balke, sodat hulle so nou en intens as moontlik is. Die eenvoudigste vorm van 'n fokusmagneet is met vier pole (twee noorde en twee suide) teenoor mekaar geleë. Hulle stoot die deeltjies na die middelpunt in een rigting, maar laat hulle toe om in 'n loodregte rigting te propageer. Vierhoekige magnete fokus die balk horisontaal, sodat dit vertikaal uit die fokus kan verlaat. Hiervoor moet hulle in pare gebruik word. Vir meer akkurate fokus, word meer komplekse magnete met 'n groot aantal pole (6 en 8) ook gebruik.

Namate die energie van die deeltjies toeneem, styg die sterkte van die magnetiese veld wat hulle lei. Dit hou die balk op dieselfde pad. Die klomp word in die ring ingevoer en versnel tot die vereiste energie voordat dit teruggetrek en in die eksperimente gebruik word. Die onttrekking word verkry deur elektromagnete, wat aangeskakel word om die deeltjies uit die sinkrotronring te verdryf.

botsing

Partikelversnellers wat in medisyne en industrie gebruik word, produseer gewoonlik 'n balk vir 'n spesifieke doel, byvoorbeeld vir bestralingsterapie of iooninplantasie. Dit beteken dat die deeltjies een keer gebruik word. Vir baie jare was dieselfde geld vir versnellers wat in basiese navorsing gebruik word. In die 1970's is daar egter ringe ontwikkel waarin twee balke in teenoorgestelde rigtings versprei en oor die hele kontoer bots. Die grootste voordeel van sulke installasies is dat die energie van die deeltjies in 'n kop-op botsing direk in die energie van interaksie tussen hulle beweeg. Dit kontrasteer met wat gebeur wanneer 'n balk bots met 'n materiaal in rus. In hierdie geval gaan die meeste energie om die teikenmateriaal in beweging te bring, in ooreenstemming met die beginsel van behoud van momentum.

Sommige masjiene met botsende balke is gebou met twee ringe wat in twee of meer plekke kruis, waarin deeltjies van dieselfde tipe in teenoorgestelde rigtings sirkuleer. Collides met deeltjies en antiparticles is meer algemeen. Die antipartikel het die teenoorgestelde lading van die deeltjie wat daaraan gebind is. Byvoorbeeld, die positron is positief gelaai, en die elektron is negatief. Dit beteken dat die veld wat die elektron versnel vertraag die positron beweeg in dieselfde rigting. Maar as laasgenoemde in die teenoorgestelde rigting beweeg, sal dit versnel. Net so sal 'n elektron wat deur 'n magnetiese veld beweeg, na links en die positron na regs buig. Maar as die positron beweeg om te ontmoet, sal sy pad steeds na regs afwyk, maar langs dieselfde kromme as die elektron. Saam beteken dit dat hierdie deeltjies langs die sinchrotronring kan beweeg as gevolg van dieselfde magnete en versnel word deur dieselfde elektriese velde in teenoorgestelde rigtings. Deur hierdie beginsel word baie kragtige botsings geskep op botsings, aangesien slegs een versnellerring benodig word.

Die balk in die sinchrotron beweeg nie voortdurend nie, maar word gekombineer in "klonte". Hulle kan 'n paar sentimeter lank en 'n tiende van 'n millimeter in deursnee hê, en bevat ongeveer 10 ¹² deeltjies. Dit is 'n klein digtheid, want in 'n stof van soortgelyke afmetings bevat ongeveer 10 ²³ atome. Daarom, wanneer die balke sny met botsende balke, is daar slegs 'n klein waarskynlikheid dat die partikels met mekaar sal wissel. In die praktyk bly die klonte steeds langs die ring en ontmoet weer. 'N diep vakuum in 'n gelaaide deeltjieversneller (10 ^-11 mm Hg) is nodig om die deeltjies te laat sirkuleer vir baie ure sonder om met lugmolekules te bots. Daarom word ringe ook kumulatiewe ringe genoem, aangesien die balke eintlik vir 'n paar uur in hulle gestoor word.

Registrasievorm

Versnellers van gelaaide deeltjies in die meerderheid kan 'n gebeurtenis registreer teen die tref van deeltjies in die teiken of in 'n ander bundel wat in 'n teenoorgestelde rigting beweeg. In die televisiebeeldbuis word elektrone van die geweer in die fosfor op die binneste oppervlak van die skerm geslaan en lig uitgestraal, wat dus die oorgedraagde beeld herskep. In versnellers reageer hierdie gespesialiseerde detektors op verspreide deeltjies, maar hulle is gewoonlik ontwerp om elektriese seine te genereer wat in rekenaardata omskep kan word en met behulp van rekenaarprogramme geanaliseer word. Slegs gelaaide elemente skep elektriese seine wat deur die materiaal beweeg, byvoorbeeld deur opwindende of ioniserende atome, en kan direk opgespoor word. Neutrale deeltjies, soos neutrone of fotone, kan indirek opgespoor word deur die gedrag van gelaaide deeltjies wat deur hulle aangedryf word.

Daar is baie gespesialiseerde detectoren. Sommige van hulle, soos die Geiger-toonbank, tel eenvoudig die deeltjies, terwyl ander gebruik word om byvoorbeeld spore op te spoor, spoed of hoeveelheid energie te meet. Moderne grootte detektors en tegnologie wissel van klein laai-gekoppelde toestelle tot groot gasvulde kameras met drade wat ioniseerde spore herken wat deur gelaaide deeltjies geskep word.

storie

Aangekla partikelversnellers hoofsaaklik ontwikkel vir studies van die eienskappe van atoomkerne en elementêre deeltjies. Sedert die opening van die Britse fisikus Ernest Rutherford in 1919, die reaksie van die stikstof kern en 'n alfadeeltjie, al die navorsing op die gebied van kernfisika aan 1.932 is met helium kerne, wat vrygestel is deur die verval van natuurlike radioaktiewe elemente gedra. Natuurlike alfa-deeltjies het 'n kinetiese energie van 8 MeV, maar Rutherford het geglo dat hulle kunsmatig moet versnel om selfs hoër waardes vir die monitering van die verval van swaar kerne. Ten tyde gelyk dit moeilik. Maar die berekening gemaak in 1928 deur Georgiem Gamovym (aan die Universiteit van Göttingen, Duitsland), het getoon dat die ione kan gebruik word teen 'n baie laer energie, en dit het gestimuleer pogings om 'n fasiliteit wat 'n bundel genoeg vir Kernnavorsing bied bou.

Verdere geskiedenis van hierdie tydperk getoon die beginsels waarop die bevel partikelversnellers gebou het tot vandag toe. Die eerste suksesvolle eksperimente met kunsmatig versnelde ione gehou Cockroft en Walton in 1932 by die Universiteit van Cambridge. Deur die gebruik van 'n spanning vermenigvuldiger, is protone versnel tot 710 keV, en het getoon dat die laasgenoemde reageer met litium om twee alfadeeltjies vorm. Teen 1931, by Princeton Universiteit in New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatiese gordel het die eerste hoë-potensiaal kragopwekker. Spanning vermenigvuldiger Cockcroft-Walton kragopwekkers en Van de Graaff-ontwikkelaar is nog steeds gebruik as energiebronne vir versnellers.

Die beginsel van lineêre resonante versneller is gedemonstreer Rolf Widerøe in 1928. Die NRW Tegniese Universiteit in Aachen, Duitsland, gebruik hy 'n hoë AC spanning om die natrium en kalium ione om energie te versnel in meer as twee keer vir hulle vertel. In 1931 in die Verenigde State van Amerika Ernest Lourens en sy assistent David Sloan van die Universiteit van Kalifornië, Berkeley, gebruik die hoë-frekwensie velde om kwik ione te versnel om energie groter as 1.2 MeV. Hierdie werk word aangevul versneller van swaar gelaaide deeltjies Wideröe, maar die ioon balke is nie nuttig in kern navorsing.

Magnetiese resonansie versneller of siklotron, is bedoel as 'n verandering van Lawrence Wideröe installasie. Student Lawrence Livingston gedemonstreer die beginsel van die siklotron in 1931, die maak van die ione met 'n energie van 80 keV. In 1932, Lawrence en Livingston aangekondig dat die versnelling van protone tot meer as 1 MeV. Later in die 1930's, energie cyclotrons bereik sowat 25 MeV, en die Van de Graaff - sowat 4 MeV. In 1940, Donald Kerst, die toepassing van die resultate van versigtige berekening van die baan om die magneet struktuur, gebou aan die Universiteit van Illinois, die eerste betatron, magnetiese induksie elektron versneller.

Moderne fisika: partikelversnellers

Na die Tweede Wêreldoorlog was daar 'n vinnige vooruitgang in die wetenskap van die versnelling van deeltjies te hoë energie. Dit begin Edwin McMillan by Berkeley en Vladimir Veksler in Moskou. In 1945, hulle is albei onafhanklik van mekaar die beginsel van fase stabiliteit beskryf. Hierdie konsep bied 'n manier om die stabiele bane van die deeltjies in 'n omsendbrief versneller wat beperkings op die proton energie verwyder en help skep 'n magnetiese resonansie versnellers (synchrotrons) vir elektrone in stand te hou. Autophasing, die implementering van die beginsel van fase stabiliteit, is bevestig nadat die konstruksie van 'n klein synchrocyclotron by die Universiteit van Kalifornië en die synchrotron in Engeland. Kort daarna het die eerste proton lineêre resonante versneller geskep. Hierdie beginsel word gebruik in al die groot proton synchrotrons gebou sedertdien.

In 1947, William Hansen, aan die Stanford Universiteit in Kalifornië, het die eerste elektron lineêre versneller by die bewegende golf, wat mikrogolf tegnologie wat vir radar ontwikkel tydens die Tweede Wêreldoorlog gebruik.

Vordering in die studie is moontlik gemaak deur die verhoging van die proton energie, wat gelei het tot die konstruksie van steeds groter versnellers. Hierdie tendens is van 'n hoë produksie koste groot magneet ring is gestop. Die grootste weeg ongeveer 40.000 ton. Metodes vir die verhoging van die energie sonder masjien grootte groei is gekeur in oor 1952 godu Livingstone, Courant en Snyder n tegniek van wisselende fokus (soms genoem sterk fokus). Synchrotrons werk op hierdie beginsel, gebruik magnete 100 keer kleiner as voorheen. Sulke scherpstelling is gebruik in alle moderne synchrotrons.

In 1956 het besef Kerst dat indien die twee stelle van deeltjies behou op sny bane, kan jy kyk hoe hulle bots. Die toepassing van hierdie idee vereis die opgaar versnelde balke in siklusse, genoem kumulatiewe. Hierdie tegnologie het 'n maksimum energie van interaksie deeltjies bereik.