Линейни ускорители на заредени частици. Както ускорители на частици работа. Защо ускорители на частици?

Ускорителят на заредени частици - устройство, където лъч електрически заредени атомни или елементарни частици, движещи се с почти скоростта. В основата на работата му е необходимо, да увеличат своята енергия от електрическо поле и промяна на траекторията - магнитен.

Какви са ускорители на частици?

Тези устройства се използват широко в различни области на науката и промишлеността. Към днешна дата, в света има повече от 30 хиляди. За физиката на заредени ускорители на частици служи като инструмент на фундаментални изследвания върху структурата на атома, природата на ядрените сили и ядрени свойства, които не се срещат естествено. Последните включват трансурановите и други нестабилни елементи.

С тръба за освобождаване от отговорност е станало възможно да се определи конкретното обвинение. Заредени ускорители на частици също се използват за производство на радиоизотопи в промишлена радиография, радиотерапия, за стерилизация на биологични материали, и в анализ радиовъглеродно. Най-големите единици се използват в изследването на фундаментални взаимодействия.

Животът на заредените частици в покой по отношение на ускорителя е по-малка от тази на частици се ускорява до скорост близо до скоростта на светлината. Това потвърждава относително малък период от време станции. Така например, в ЦЕРН е постигнато увеличение на жизнения цикъл на скоростта на мюон 0,9994c 29 пъти.

Тази статия разглежда това, което е вътре и работи ускорител на частици, неговото развитие, различни видове и различни функции.

принципи ускорение

Независимо от това какъв вид таксуват ускорители на частици ли, че всички те имат общи елементи. На първо място, те трябва да имат източник на електрони в случай на тръба телевизионна картина или електрони, протони и техните античастици в случай на по-големи инсталации. Освен това, всички те трябва да имат електрически полета за ускоряване частици и магнитни полета, за да контролира траекторията им. В допълнение, вакуумът в заредена ускорител на частици (10 ^{-11 mm} Hg. V.), М. Е. минимално количество остатъчен въздух, е необходимо да се гарантира дълъг живот греди време. Накрая, всички инсталации трябва да имат регистрация средства, преброяването и измерване на ускорените частици.

поколение

Електрони и протони, които се използват най-често в ускорители, са открити във всички материали, но първо те трябва да изберете от тях. Електроните обикновено се генерират по същия начин, както в тръбата за картина - в устройство, което се нарича "пистолет". Това е катод (отрицателен електрод) във вакуума, който се нагрява до състояние, при електрони започват да влезе атомите. Отрицателно заредените частици се привличат към анод (положителния електрод) и преминават през изхода. Самата оръжието е простият като педала на газта, защото електроните се движат под въздействието на електрическо поле. Напрежението между катода и анода, обикновено в диапазона 50-150 кв.

Освен електрони във всички материали, съдържащи се протони, но само един протон ядро се състои от водородни атоми. Следователно, източникът на частиците за протонни ускорители е водород газ. В този случай, газът се йонизира и протоните са разположени през отвор. В големи ускорители протони често са оформени под формата на отрицателни водородни йони. Те представляват допълнителен електрон от атоми, които са продукт на двуатомен газ йонизация. Тъй като отрицателно заредените водородните йони в началните етапи на работата по-лесно. След това те преминават през тънък фолио, което ги лишава от електрони преди крайния етап на ускорение.

ускорение

Както ускорители на частици работа? Основна характеристика на всички 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. Този електронен поле провеждане отрицателен заряд е изложен на сила, която го насочва към положителен потенциал. Тя го ускорява, и ако има нещо, което би стоят на пътя, скоростта и силата му увеличението. 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 електронни дефинира ги закупена енергия. При преместване чрез потенциална разлика на 1 V е равно на 1 електрон-волта (EV). Това се равнява на 1,6 × 10 ^-19 джаула. Енергията на летящ комар трилион пъти повече. В кинескоп електрони се ускоряват напрежение над 10 кВ. Много ускорители достигат много по-високи енергии, измерени мега, гига и тера-електрон 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. С такива високи напрежения работи лесно. По-практическа алтернатива е повтаряща се действието на слаби електрически полета, произвеждани ниски потенциали. Този принцип се прилага при двата вида на съвременните ускорители - линейни и циклични (предимно циклотрони и synchrotrons). 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.

Серийното структурата на линеен ускорител за генериране на електрически полета по естествен начин е да се използва АС, а не DC. Положително заредените частици се ускоряват до отрицателен потенциал и да получат нов тласък, ако премине позитивно. На практика, напрежението трябва да се променя много бързо. Например, при енергийна от 1 MeV протони движи при много висока скорост е скоростта на светлината на 0.46, 1.4 m преминаване на 0.01 MS. Това означава, че в повтаряща се структура на дълга на няколко метра, електрическите полета трябва да променят посоката при честота от поне 100 MHz. Линейни и циклични ускорители на частици обикновено ги диспергират с променлив честотата на електрическо поле от 100 MHz до 3000, т. Е. В обхвата на радиовълни на микровълни.

Електромагнитната вълна е комбинация от осцилиращи електрически и магнитни полета колебания под прав ъгъл една към друга. Ключовият момент е да се коригира ускорител вълна, така че при пристигането на частиците електрическото поле е насочена в съответствие с вектор ускорение. Това може да стане с помощта на постоянна вълна - комбинацията от вълни, разпространяващи се в противоположни посоки в затворено пространство, звуковите вълни в органа на тръбата. Алтернативен вариант за бързо движещи се електрони, чиито скорости наближават със скоростта на светлината, вълна пътуване.

autophasing

Важен ефект на ускоряване в променливо електрическо поле е "стабилност фаза". В едно поле колебание цикъл променлив преминава през нулата от максималната стойност обратно до нула, намалява до минимум и се издига до нула. По този начин, тя преминава два пъти през стойност, необходима за ускоряване. Ако една частица, чиято скорост се увеличава, идва твърде рано, че няма да работи на полето е достатъчно здрава, и с едно натискане ще бъде слаб. Когато достигне следващото място, изпитването късно и по-голямо влияние. Както се появява в резултат, самостоятелно въвеждане, частиците ще бъдат във фаза с всяко поле за ускоряване регион. Друг ефект е групирането им във времето, за да се образува съсирек, а не непрекъснат поток.

Посоката на лъча

Важна роля в това как работи и ускорител на частици, играят и магнитни полета, тъй като те могат да променят посоката на движението им. Това означава, че те могат да бъдат използвани за "огъване" на лъча в кръгова траектория, така че те многократно преминава през една и съща ускоряване секция. В най-простия случай на заредена частица се движи под прав ъгъл спрямо посоката на хомогенно магнитно поле, вектор сила перпендикулярна на движението му, и в областта. Това води до гредата да се движат в кръгова траектория, перпендикулярна на полето, докато тя излиза от своята сфера на действие или друга сила започва да се произнесат по него. Този ефект се използва в циклични ускорители като синхротрон и циклотрон. В циклотрон, постоянно поле се произвежда от голям магнит. Частици с увеличаване на енергията си придвижване спирално навън ускорени с всеки оборот. съсиреци синхротрон придвижват пръстенът с постоянен радиус, и областта, генерирани от електромагнитите около увеличава пръстенни като частиците се ускоряват. Магнитите, които предоставят "огъване", представляват диполи с Северния и Южния полюс, извита в формата на подкова, така че лъчът може да мине между тях.

Втората важна функция на електромагнитите е да се фокусира лъчите, така че те са толкова тесни и интензивни, колкото е възможно. Най-простата форма на фокусиране магнит - с четири полюса (две северната и южната част на две), разположени една срещу друга. Те натискане на частиците до центъра в една посока, но им се позволи да бъдат разпределени в перпендикуляра. Куадруполен магнити фокусират лъча хоризонтално, което му позволява да излезе на фокус вертикално. За да направят това, те трябва да се използват по двойки. За по-прецизно фокусиране се използва също и по-сложни магнити с голям брой на полюсите (6 и 8).

Тъй като енергията на увеличенията на частиците, силата на магнитното поле, насочването им се увеличава. Това поддържа лъч на една и съща траектория. Сиренината се въвежда в пръстена, и се ускорява до желаната енергия, преди да може да се изтегли и да се използва в експерименти. Оттегляне се постига чрез електромагнити които се активират да прокара частиците от синхротрон пръстен.

стълкновение

Заредени ускорители на частици, използвани в медицината и промишлеността, произвеждат основно лъч за определена цел, например, облъчване или йонна имплантация. Това означава, че частиците се използват едновременно. Същото се отнася и за ускорители, използвани във фундаменталните научни изследвания в продължение на много години. Но пръстените са разработени през 1970 г., в която две греди, които се движат в противоположни посоки и се сблъскват около веригата. Основното предимство на тези системи е, че в челен удар енергия на частиците отива директно на енергията на взаимодействие между тях. Това контрастира с това, което се случва, когато лъчът се сблъсква с стационарни снимки, като в този случай по-голямата част от енергията отива за намаляване на материала на мишената в движение, в съответствие с принципа за запазване на инерцията.

Някои машини с сблъсък греди са конструирани с два пръстена, пресичащи се в две или повече места, в които се разпространяват в противоположни посоки, частиците от същия тип. По-често ускорител на частици-античастици. Античастици има обратен заряд на свързани частици. Например, позитрон, е положително заредена и електрони - отрицателно. Това означава, че поле, което ускорява електроните позитрона забавя, движещи се в същата посока. Но ако той се движи в обратна посока, това ще ускори. По същия начин, електрон, движещ се през магнитно поле воля крива на ляво и позитрона - прав. Но ако позитрона се движи напред, а след това пътят му ще продължи да се отклонява надясно, но на същата крива като тази на електрона. Все пак, това означава, че частиците могат да се движат през пръстена на синхротронни същите магнити и ускорени от същите електрически полета в противоположни посоки. На този принцип е създаден много мощни ускорители сблъсък греди, т. За да. В изисква само един пръстен ускорител.

Beam в синхротрон не се движи непрекъснато и интегрирана в "буци". Те могат да бъдат няколко сантиметра на дължина и една десета от милиметъра в диаметър, и съдържат около ^{12 октомври} частици. Тази ниска плътност, тъй като размерът на такъв материал съдържа около ^{23 октомври} атома. Следователно, когато сблъсък греди пресичат, има само малка вероятност, че частиците ще реагират един с друг. На практика съсиреци продължават да се придвижват в ринга и да се срещнат отново. Висок вакуум в ускорител на заредени частици (10 ^{-11 mm} Hg. V.) се изисква за това, че частиците могат да се движат в продължение на много часове, без сблъсъци с въздушните молекули. Ето защо, на ринга се нарича още кумулативно, тъй като греди всъщност се съхраняват в него в продължение на няколко часа.

регистрация

Заредени ускорители на частици в по-голямата част могат да се регистрират се случва, когато частиците удари целта или друга светлина, се движи в обратна посока. В тръба телевизионна картина, електрони от пистолета на стачка екрана на фосфор върху вътрешната повърхност и излъчват светлина, която по този начин се пресъздава предава изображението. В ускорители такива специализирани детектори реагират на разпръснати частици, но те обикновено са предназначени за създаване на електрически сигнали, които могат да бъдат превърнати в компютърни данни и се анализират с помощта на компютърни програми. Само зарежда елементи произвеждат електрически сигнали преминават през материала, например чрез йонизация или възбуждане на атома и могат да бъдат открити директно. Неутралните частици като неутрони или фотони могат да бъдат открити косвено чрез поведението на заредени частици, които са в движение.

Има много специализирани детектори. Някои от тях, като Geiger брояч, броят на частиците, и за други цели, например за запис записи или измерване скоростта на енергия. Съвременните детектори по размер и технология, могат да варират от малки зареждане свързан устройства за големи газови напълнена камери с проводници, които откриват йонизирани песни, произведени от заредени частици.

история

Заредени ускорители на частици разработени предимно за изследвания на свойствата на атомните ядра и елементарните частици. От откриването на британската физика Ernest Rutherford през 1919 г., реакцията на ядрото на азот и алфа частици, всички изследвания в областта на ядрената физика до 1932 са извършени с хелиеви ядра, освободени от разпад на природните радиоактивни елементи. Естествена алфа-частици имат кинетичната енергия на 8 MeV, но Rutherford смята, че те трябва да бъдат изкуствено ускори до дори по-високи стойности за наблюдение на разпад на тежки ядра. По това време изглеждаше трудно. Все пак, това изчисление, направено през 1928 г. от Georgiem Gamovym (в университета в Гьотинген, Германия), показа, че йоните могат да се използват при много по-ниски енергии, и това е допринесло за опити за изграждане на съоръжение, което осигурява една греда достатъчен за ядрени изследвания.

Други събития на този период показват, принципите от които заредени ускорители на частици са изградени до днес. Първите успешни опити с изкуствено ускорените йони бяха проведени Cockroft Walton и през 1932 г. в Кеймбридж. Чрез използване на напрежение множител, протони се ускоряват до 710 КЕВ и показаха, че последният реагира с литий за образуване на два алфа-частици. До 1931 г. в Принстънския университет в Ню Джърси, Робърт Ван де Грааф електростатично колан построява първата висок потенциал генератора. Напрежение мултипликационен Cockcroft-Walton генератори и Генератор на Ван де Грааф 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 Lourens и асистентката му Дейвид Слоун от Университета на Калифорния, Бъркли, използван 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.

Магнитно-резонансна ускорител или циклотрон, е замислен като модификация на Лорънс Wideröe инсталация. Student Лорънс Livingston демонстрира принципа на циклотрона през 1931 г., като йоните с енергия на 80 КЕВ. През 1932 г. Лоурънс и Ливингстън обяви за ускоряване на протони до повече от 1 MeV. По-късно през 1930 г., енергийни циклотрони достигнали около 25 MeV, а Ван де Graaff - около 4 MeV. През 1940 г. Доналд Kerst, прилагане на резултатите от внимателни изчисления на орбитата на структурата на магнит, построени в Университета на Илинойс, първият бетатрон, магнитна индукция електронен ускорител.

Съвременните физика: ускорители на частици

След Втората световна война е имало бърз напредък в науката за ускоряване на частици с високи енергии. Той започна Едвин Макмилан в Бъркли и Владимир Veksler в Москва. През 1945 г., и двете са независимо един от друг са описали принципа на стабилност фаза. Тази концепция предлага средство за поддържане на стабилни орбити на частиците в кръгова ускорител че отстранява ограничения на енергията на протон и помага за създаването на магнитни резонансни ускорители (synchrotrons) за електрони. Autophasing, прилагането на принципа на стабилност фаза, беше потвърдено след изграждането на една малка synchrocyclotron в Университета на Калифорния и синхротрон в Англия. Малко след това, на първия протон линеен ускорител резонансната е създаден. Този принцип се използва във всички големи протонни synchrotrons построени 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.

Напредък в изследването е станало възможно чрез увеличаване на протонната енергия, което доведе до изграждането на все по-големи ускорители. Тази тенденция е от висок е бил спрян на производствените разходи огромен магнит пръстен. Най-голямата тежи около 40000 тона. Методи за увеличаване на енергията, без растеж размер машина се скринират в около 1952 godu Livingstone, Courant и Snyder техника на променлив фокусиране (понякога се нарича силно фокусиране). Synchrotrons, които работят по този принцип, използват магнити 100 пъти по-малък, отколкото преди. Такова фокусиране се използва във всички съвременни synchrotrons.

През 1956 г. Kerst осъзнах, че ако двата набора от частици не се задържа на пресичащи се орбити, можете да гледате на тях се сблъскват. Прилагането на тази идея изисква от набирателната ускорено гредите в цикъла, наречен кумулативен. Тази технология е постигната максимална енергия на частиците взаимодействия.