Lineáris gyorsítók a töltött részecskék. Ahogy részecskegyorsító munkát. Miért részecskegyorsító?

A gyorsító töltött részecskék - olyan eszköz, amelyben a sugár elektromosan töltött atomi vagy szubatomi részecskék utazik közel a sebesség. Az alapja a munkája szükséges, fokozzák az energia elektromos mező és módosítsa a pályáját - mágneses.

Mik részecskegyorsító?

Ezek az eszközök széles körben használják különböző területeken a tudomány és az ipar. Eddig világszerte több mint 30 ezer. A fizika az töltött részecske gyorsító eszközként szolgálnak az alapkutatás a atomok, a természet a nukleáris erők és a nukleáris tulajdonságai, amelyek nem fordulnak elő a természetben. Az utóbbiak közé tartozik a transzurán és más instabil elemek.

A kisülési cső lehetővé vált, hogy meghatározzák a konkrét díjat. Töltött részecske gyorsítók is használják a termelés radioizotópok, az ipari radiográfiai, radioterápia, sterilizálására a biológiai anyagok, és a radiokarbon elemzés. A legnagyobb egység a vizsgálat során alkalmazott alapvető kölcsönhatások.

Az élettartama a töltött részecskék nyugalmi képest a gázpedál kisebb, mint a részecskék gyorsult sebesség közel a fény sebessége. Ez megerősíti a viszonylag kis mennyiségű idő állomások. Például a CERN-ben sikerült elérni növekedését az élettartama a müon 0,9994c sebessége 29-szer.

Ez a cikk azt vizsgálja, hogy mi van benne, és működik részecskegyorsító, a fejlődés, a különböző típusú és különböző funkciókat.

gyorsulás elvek

Függetlenül attól, hogy milyen töltött részecske gyorsító tudod, mindannyian közös elem. Először is kell egy forrás az elektronok esetében a televíziós képcsövek vagy elektronok, protonok és antirészecskéi esetében nagyobb létesítmények. Továbbá, kell mind elektromos mező részecskeütközések és mágneses mezők irányítani a pályára. Ezen túlmenően, a vákuumot a töltött részecske gyorsító (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimális mennyiségű maradék levegő, szükség van, hogy biztosítsa a hosszú élettartamot gerendák. Végül, minden telepítés kell nyilvántartásba eszközökkel, a számolás és mérés a felgyorsított részecskék.

generáció

Elektronok és protonok, amelyek leggyakrabban használt gyorsítók, megtalálható az összes felhasznált anyag, de előbb ki kell választania azokat. Az elektronok jellemzően keletkezik ugyanúgy, mint a képcső - egy eszközt, amely az úgynevezett egy „gun”. Ez egy katód (negatív elektróda) a vákuumban, ami melegítjük az állapotot, ahol az elektronok elkezdenek jön le az atomok. A negatív töltésű részecskéket vonzza az anód (pozitív elektróda), és áthaladnak az aljzatba. A fegyver maga legegyszerűbb, mint a gázpedál, mivel az elektronok mozognak hatása alatt egy elektromos mező. A feszültség a katód és az anód, tipikusan az 50-150 kV.

Eltekintve elektronok minden anyag tartalmazott protonok, de csak egyetlen proton mag álló hidrogénatomok. Ezért, a részecske forrása proton gyorsítók hidrogéngáz. Ebben az esetben a gáz ionizált és a protonok található átmenő furat. A nagy gyorsítók protonok gyakran képződnek formájában a negatív hidrogén ionok. Ők képviselik egy további elektron atomok, amelyek a terméket a kétatomos gáz ionizációs. Mivel a negatív töltésű hidrogén ionok a kezdeti szakaszban a munka könnyebb. Aztán áthaladnak egy vékony fólia, amely megfosztja őket elektronok, mielőtt a végső szakaszban a gyorsulás.

gyorsulás

Ahogy részecskegyorsító munka? Az egyik legfontosabb jellemzője az összes őket az elektromos mező. A legegyszerűbb példa - az egyenletes sztatikus mező között pozitív és negatív elektromos potenciál, hasonló ahhoz, amely létezik kapcsai között a villamos akkumulátor. Ez elektrontér hordozó negatív töltés van kitéve olyan erő, amely irányítja, hogy a pozitív potenciál. Ez gyorsítja, és ha van valami, ami akadályozza az, a sebességet és a teljesítmény növelése. Mozgó elektronok felé pozitív potenciál a drót, vagy a levegőben, és ütköznek az atomok energiát veszítenek, de ha ezek található vákuumban, majd gyorsított, ahogy megközelítik az anód.

Közötti feszültség kezdete és vége helyzetben az elektron határozza vásárolt nekik energiát. Amikor mozognak egy potenciális különbség 1 V egyenlő 1 elektron-voltos (eV). Ez ekvivalens a 1,6 × 10 ^-19 joule. Az energia egy repülő szúnyog billió szer több. A képcső elektronok felgyorsulnak feszültség nagyobb, mint 10 kV. Sok gyorsítók elérni sokkal nagyobb energiákat mért mega, giga és tera-elektron-V.

faj

Néhány legkorábbi típusú részecskegyorsító, mint például a feszültség sokszorozó és a generátor Van de Graaff-generátor segítségével állandó elektromos mező által generált potenciálok akár egy millió volt. Ilyen magas feszültségek működnek egyszerű. Egy gyakorlati alternatívája a ismételt hatású a gyenge elektromos mezők előállított kis potenciálok. Ezt az elvet használja a két típusú modern gyorsítók - lineáris és ciklikus (elsősorban ciklotronok és szinkrotronok). Lineáris részecskegyorsító, a rövid, telt őket egyszer a szekvenciáját felgyorsítása területeken, míg a ciklikusan többször mozognak körpályán a viszonylag kis elektromos mező. Mindkét esetben a végső energia a részecskék összegétől függ, tevékenységi terület, így a sok kis „dudorok” összeadódnak, így az együttes hatása egy nagy.

A ismétlődő szerkezet egy lineáris gyorsító generálni elektromos mezők természetes módja az, hogy a váltakozó áramú, nem DC. A pozitív töltésű részecskék gyorsítása a negatív potenciált és új lendületet kap, ha át pozitív. A gyakorlatban a feszültséget meg kell változtatni nagyon gyorsan. Például, olyan energiaszinten, 1 MeV proton mozog nagyon nagy sebesség a fény sebessége 0,46, elhaladó 1,4 m 0,01 ms. Ez azt jelenti, hogy az ismétlődő szerkezet egy pár méter hosszú, az elektromos mezőket kell változtatni irányba frekvencián legalább 100 MHz-es. Lineáris és ciklusos gyorsítók részecskék általában diszpergáljuk őket a váltakozó elektromos erőtér frekvenciájának 100 MHz és 3000, T. E. tartományban rádióhullámok a mikrohullám.

Az elektromágneses hullám egy kombinációja oszcilláló elektromos és mágneses mezők oszcilláló derékszögben egymáshoz. A lényeg az, hogy módosítsa a gázpedál hullám úgy, hogy az érkezési a részecskék az elektromos mező irányul összhangban gyorsulásvektor. Ez történhet egy állóhullám - kombinációja hullámok utazás ellentétes irányban zárt térben, a hanghullámok a orgona. Egy alternatív kiviteli gyorsan mozgó elektronok, amelynek sebessége megközelíti a fénysebességet, a mozgó hullám.

autophasing

Egy fontos hatása a gyorsulás váltakozó elektromos mező egy „fázis-stabilitást”. Az egyik rezgési ciklus váltakozó mező áthalad a nulla a maximális érték vissza nullára csökken annak a minimális és emelkedik a nullához. Így kétszer halad át a szükséges értéket gyorsulás. Ha egy részecske, amelynek sebessége növekszik, jön túl korán, akkor nem fog működni egy olyan területen, amely elég erős, és a push gyenge lesz. Amikor eléri a következő terület, a teszt végén, és nagyobb hatást. Ennek eredményeként, önálló fokozatos történik, a részecskék lesz fázisban minden területen a gyorsuló régióban. A másik hatás az csoportosítja őket időben, hogy egy vérrög helyett a folyamatos stream.

Az irány a fény

Egy fontos szerepet, hogy a munkálatok, és részecskegyorsító, a játék és a mágneses terek, mivel meg tudják változtatni az irányt a mozgás. Ez azt jelenti, hogy fel lehet használni „hajlító” a nyaláb körpályán, így többször is áthalad az azonos gyorsuló szakasz. A legegyszerűbb esetben, a töltött részecske mozgó derékszögben irányt a homogén mágneses tér, erő vektor merőleges mind annak mozgását, és a területen. Ez okozza a gerenda mozogni körpályán merőleges a területen, amíg ki nem jön a tevékenységi terület vagy más vis kezd cselekedni. Ezt a hatást használjuk gyűrűs gyorsítók, például a szinkrotronból és ciklotron. A ciklotron, az állandó mező által termelt nagy mágnes. Részecskék növekvő energiájuk mozgó spirál kifelé felgyorsult minden forradalom. A szinkrotron vérrögök mozogni a gyűrű egy állandó sugarú, és a mező által generált elektromágnesek a gyűrű körül növekszik, ahogy a részecskék gyorsítása. A mágnesek nyújtó „hajlító”, képviseli dipólusokból az északi és a déli pólus, hajlított patkó alakú, hogy a fénysugár is át közöttük.

A második fontos funkciója a elektromágnesek, hogy összpontosítson a gerendák, hogy azok annyira szűk és intenzív, mint lehetséges. A legegyszerűbb formája egy fókuszáló mágnes - négy pólus (két északi és két déli) szemben helyezkedik el egymással. Ezek nyomja a részecskék, hogy a központ egy irányban, de lehetővé teszi számukra, hogy kell elosztani a merőleges. Kvadrupól mágneseket összpontosítson a fénysugár vízszintesen, lehetővé téve számára, hogy menjen életlen függőlegesen. Ehhez fel kell használni párban. A pontosabb fókuszálás is használják kifinomultabb mágnesek nagyszámú pólusok (6, 8).

Mivel az energia a részecske növekszik, az erejét a mágneses mező, irányítja őket, növekszik. Ez tartja a fény ugyanazon pályáját. Az alvadék vezetjük be a gyűrűt, és felgyorsul a kívánt energiát, mielőtt vissza lehet vonni, és a kísérletekben felhasznált. Visszahúzás úgy érjük el, elektromágnesek, amelyek aktiválódnak, hogy álljon a részecskéket a szinkrotron gyűrűt.

ütközés

Töltött részecskegyorsítók használják a gyógyászatban és az iparban, elsősorban a termék egy fénysugár egy adott célra, például besugárzással vagy ion implantáció. Ez azt jelenti, hogy a részecskék egyszer használható. Ugyanez volt a helyzet a gyorsítók használt alapkutatás sok éven át. De a gyűrűk dolgoztak 1970-ben, ahol két gerenda keringő ellentétes irányba, és ütköznek a pálya körül. A fő előnye az ilyen rendszerek, hogy frontális ütközés esetén az energia részecskék egyenesen a kölcsönhatási energia között. Ez ellentétben áll a mi történik, ha a fény nekiütközik egy álló kép, amely esetben az energia legnagyobb része megy a csökkentés a cél anyag mozgásba, összhangban azzal az elvvel, lendületmegmaradás.

Egyes gépeknél ütköző gerenda megépítésük két gyűrű, egymást metsző két vagy több helyen, amely forgalomban ellentétes irányban, a részecskék az azonos típusú. További közös ütköztető részecske-antirészecske. Antirészecskéje ellenkező felelős a kapcsolódó részecskék. Például a pozitron, pozitív töltésű, és az elektronok - negatívan. Ez azt jelenti, hogy egy olyan területen, amely felgyorsítja az elektron, a pozitron lelassul, mozgó ugyanabban az irányban. De ha ez utóbbi mozog az ellenkező irányba, fel fogja gyorsítani. Hasonlóképpen, egy elektron mozog egy mágneses mező görbe balra, és a pozitron - jobb. De ha a pozitron halad előre, akkor az útjába továbbra is térhet a jobb, de ugyanolyan alakú, mint az elektron. Ez azonban azt jelenti, hogy a részecskék mozoghat a gyűrűt a szinkrotronos azonos mágnesek és gyorsított ugyanazon elektromos mezők ellenkező irányban. Ezen elv létre sok erős gyorsítókban ütköző gerenda, t. Hogy. Az egyetlen szükséges egy gyűrű gyorsító.

Beam a szinkrotronos nem mozog folyamatosan, és integrálni „csomók”. Lehetnek több centiméter hosszúságú és egy tized milliméter átmérőjű, és tartalmazhat körülbelül ^{12 okt} részecskék. Ez az alacsony sűrűségű, mert a méret az ilyen anyag tartalmaz körülbelül ^{október 23} atom. Ezért amikor egy ütköző gerenda metszik egymást, ott csak egy kis valószínűsége, hogy a részecskék reakcióba lépnek egymással. A gyakorlatban a vérrögök továbbra is mozogni a gyűrűt, és újra találkozunk. Nagy vákuum a gázpedál a töltött részecskék (10 ^-11 mm Hg. V.) van szükség ahhoz, hogy a részecskék áramolhasson a sok órás ütközések nélkül levegővel molekulákkal. Ezért, a gyűrű is nevezik kumulatív, mert gerendák ténylegesen benne tárolt több órán át.

bejegyzés

Töltött részecske gyorsítók többségében lehet regisztrálni akkor jelentkezik, amikor a részecskék célba, vagy a másik nyaláb, mozog az ellenkező irányba. Egy televíziós képcsövek, elektronok a fegyvert, hogy megteremtse a foszfor képernyő a belső felületen és fényt bocsátanak ki, amely ezáltal újra létrehozza a továbbított kép. A gyorsítók ilyen speciális érzékelők reagálnak szórt részecskék, de általában úgy vannak elkészítve, hogy hozzon létre elektromos jelet lehet alakítani számítógépes adatok és elemeztük számítógépes programok segítségével. Csak feltöltött elemek termel elektromos jeleket áthaladó anyagot, például ionizációs vagy gerjesztési atomok, és ki lehet mutatni közvetlenül. A semleges részecskék, például neutronokat vagy fotonok lehet kimutatni közvetetten a viselkedését a töltött részecskék, hogy azok a mozgásban.

Sok speciális detektorok. Egyesek közülük, mint például egy Geiger-számláló, egy részecske száma, és egyéb célokra, például a felvételi sáv vagy sebességének mérése energiát. Modern detektorok mérete és a technológia, változhat a kis CCD nagy gázzal töltött kamrák vezetékekkel, amelyek detektálják ionizált pályák által termelt töltésű részecskék.

történet

A töltött részecskék gyorsítóit elsősorban az atommagok és az elemi részecskék tulajdonságainak vizsgálatára fejlesztették ki. Az Ernst Rutherford brit fizikus felfedezése 1919-ben, a nitrogénmag és az alfa részecskék reakciói, az atomfizika 1932-ig tartó kutatását a természetes radioaktív elemek bomlása eredményeképpen felszabadított héliummagokkal végezték. A természetes alfa részecskék 8 MeV kinetikus energiával rendelkeznek, de Rutherford úgy gondolta, hogy a nehéz magok bomlásának megfigyeléséhez mesterségesen fel kell gyorsítani őket még nagyobb értékekre. Abban az időben nehéz volt. Az 1928-ban Georgy Gamow (a Göttingen-i Egyetemen, Németországban) végzett számítás szerint azonban igen alacsonyabb energiájú ionokat lehet használni, és ez ösztönözte a nukleáris kutatásra elegendő sugárnyalábot biztosító létesítmény létrehozását.

Ezen időszak egyéb eseményei megmutatták azokat az elveket, amelyek szerint a feltöltött részecskék gyorsítói eddig épültek. A mesterségesen felgyorsult ionokkal végzett első sikeres kísérleteket Cockcroft és Walton 1932-ben a Cambridge-i Egyetemen végezte. Feszültségszorzót alkalmazva felgyorsították a protonokat 710 keV-ra, és kimutatták, hogy az utóbbi a lítiummaggal reagálva két alfa részecskét képez. 1931-ben a New Jersey-i Princeton Egyetemen Robert Van de Graaf építette az első nagy teljesítményű elektrosztatikus övt. A Cokroft-Walton feszültségszorzók és a Van de Graaff generátorok még mindig a gyorsítók energiaforrásaként használatosak.

A lineáris rezonancia gyorsító elvét Rolf Wideröe 1928-ban mutatta be. A Rajna-Vesztfáliai Műszaki Egyetemen, Aachenben, Németországban nagy váltakozó feszültséget alkalmaztak a nátrium- és káliumionok kétszeres energiák felgyorsítására. 1931-ben, az Egyesült Államokban Ernest Lawrence és David Sloan asszisztense, a Kaliforniai Egyetem, a Berkeley, nagyfrekvenciás mezőket használtak a higanyionok felgyorsítására az 1,2 MeV-t meghaladó energiákra. Ezt a munkát kiegészítette a Wideröe nehéz töltésű részecskék gyorsítója, de az iongerendák nem voltak hasznosak a nukleáris kutatásban.

A mágneses rezonancia gyorsítót vagy ciklotront Lawrence a Wideröe telepítésének módosításaként fogta fel. Lawrence Livingston diákja 1931-ben demonstrálta a ciklotron elvét, és 80 keV-os energiát termelt. 1932-ben Lawrence és Livingston bejelentették, hogy a protonok gyorsulása több mint 1 MeV. Később az 1930-as években a ciklotron energia elérte a 25 MeV-ot, a Van de Graaff generátorok pedig körülbelül 4 MeV-t. 1940-ben Donald Kerst, az óriási számítások eredményeit használva a pályára a mágnesek tervezésére, az Illinois-i Egyetemre, egy mágneses indukciós elektronsugárzót épített az első betatronra.

A modern fizika: a feltöltött részecskék gyorsítói

A második világháború után a nagy energiájú részecskék felgyorsításának tudománya gyors haladást ért el. Edwin Macmillant kezdte Berkeleyben és Vladimir Veksler Moszkvában. 1945-ben mindketten önállóan írják le a fázisstabilitás elvét. Ez a koncepció biztosítja a gyűrűs gyorsító részecskék stabil keringési pályájának fenntartását, ami eltávolítja a protonok energiájának korlátozását, és lehetővé tette az elektronok számára a mágneses rezonancia gyorsítók (szinkrotronok) létrehozását. Az Autophasing, a fázisstabilitás elvének megvalósítása megerősítést nyert a Kaliforniai Egyetem és a synchrotron egy kis synchrocyclotronjának építése után Angliában. Nem sokkal ezután hozták létre az első proton lineáris rezonáns gyorsítót. Ezt az elvet használják azóta épített nagy proton szinkrotronokban.

1947-ben William Hansen, a Kaliforniai Stanford Egyetemen épített egy első hullámos elektronsugárzót egy úton futó hullámra, a mikrohullámú technológiát használva, amelyet a második világháború alatt radarra fejlesztettek ki.

A kutatások előrehaladása a protonok energia növelésével történt, ami egyre nagyobb gyorsítók kialakításához vezetett. Ezt a tendenciát megakadályozta a hatalmas gyűrűmágnesek nagy költsége. A legnagyobb súlya mintegy 40.000 tonna. A gépek méreteinek növelése nélküli energia növelésére szolgáló módszereket 1952-ben a Livingston, a Courant és a Snyder mutatta be a váltakozó fókuszálás technikáján (néha erős fókuszálásnak nevezik). Az ezen elveken alapuló szinkrotronok 100-szor kisebb méretű mágnest használnak. Az ilyen fókuszálást minden modern szinkrotronban használják.

1956-ban Kerst észrevette, hogy ha kettős részecskéket tartanak a keresztező pályákon, megfigyelhetjük ütközésüket. Ennek az ötletnek a alkalmazása megkövetelte a felgyorsított gerendák felhalmozódását a halmozódó gerendáknak nevezett ciklusokban. Ez a technológia lehetővé tette a részecskék maximális kölcsönhatási energiájának elérését.