Linijiniai Dalelių greitintuvas. Kaip dalelių akceleratorių darbą. Kodėl dalelių greitintuvai?

Iš dalelės greitintuvo - įtaisas būdas, kuriame elektros krūvį atominių arba elementariųjų dalelių, vykstantiems beveik prilygsta greičiu sija. Jo darbo pagrindas yra būtina didinti savo energijos elektriniu lauku ir keisti trajektoriją - magnetinis.

Kas yra dalelių greitintuvai?

Šie prietaisai yra plačiai naudojami įvairių sričių mokslo ir pramonės. Iki šiol visame pasaulyje yra daugiau nei 30 tūkstančių. Taikant krūvio dalelių greitintuvai fizikos tarnauti kaip pagrindinio tyrimo priemonė dėl atomų struktūrą, branduolinių jėgų ir branduolinių savybių, kurios natūraliomis sąlygomis nėra aptinkamos gamtoje. Pastarasis apima transuraninių ir kitus nestabilius elementus.

Su išlydžio vamzdelį tapo įmanoma nustatyti specialų mokestį. Dalelių greitintuvai taip pat yra naudojami radioaktyviųjų izotopų gamybos, pramonės radiografijoje, radioterapija, sterilizuoti biologinių medžiagų, ir radiogrynanglio analizės. Didžiausios vienetai yra naudojami pagrindinių sąveikos tyrimas.

Iš dalelės gyvenimo ramybės atsižvelgiant į akceleratoriaus yra mažesnis nei dalelių paspartėjo iki greičiu arti šviesos greičiu. Tai patvirtina palyginti nedidelį kiekį laiko stočių. Pavyzdžiui, CERN buvo pasiekta, kad padidėjo miuono 0,9994c greičiu 29 kartų gyvenime padidėjimas.

Šis straipsnis atrodo ne kas viduje ir darbo dalelių greitintuvas, jos plėtrą, įvairių rūšių ir įvairių funkcijų.

Įsibėgėjimas principai

Nepriklausomai nuo to, kokios krūvio dalelių greitintuvai žinote, visi jie turi bendrų elementų. Pirma, jie turi turėti elektronų šaltinis iš televizijos kineskopo ar elektronų, protonų ir jų antidalelių į didesnių įrenginių atveju. Be to, jie turi visi turime elektrinių laukų paspartinti dalelių ir magnetinių laukų kontroliuoti savo trajektoriją. Be to, įkrautoje dalelių greitintuvo dulkių (10 ^-11 mm Hg V..), M. E. minimalus kiekis liekamojo oro, yra reikalaujama, kad užtikrinti ilgą tarnavimo laikas, sijos. Galiausiai, visi įrenginiai turi turėti registracijos priemones, skaičiavimo ir matavimo pagreitintas daleles.

karta

Elektronai ir protonai, kurie dažniausiai naudojami greitintuvai, randama visų panaudotų medžiagų, bet pirmiausia jie turi pasirinkti iš jų. Elektronai paprastai yra generuojami tuo pačiu būdu, kaip ir kineskopo - į prietaisą, kuris yra vadinamas "pistoletas". Ji yra katodo (neigiamas elektrodas) vakuume, kuris yra kaitinamas iki valstybės, kurioje elektronai pradėti pleiskanoti atomus. Neigiamo krūvio dalelės traukia anodo (teigiamo elektrodo) ir perduoti išleisti per išėjimą. Pati pistoletas yra paprasčiausias kaip akceleratoriaus nes elektronai juda pagal elektrinio lauko įtaka. Tarp katodo ir anodo, paprastai diapazone 50-150 kV įtampos.

Vienas nuo kito iš elektronų visų medžiagų esančius protonus, bet tik vieną protonų branduolys susideda iš vandenilio atomų. Todėl, dalelių šaltinis protonų greitintuvo yra vandenilis dujų. Šiuo atveju, dujos jonizuotas ir protonai yra per skylę. Dideliais greitintuvo protonai yra dažnai susidaro neigiamų vandenilio jonų forma. Jie sudaro papildomą elektroną nuo atomų, kuri yra skirta Dviatomių dujų jonizacijos produktas. Nuo neigiamo krūvio vandenilio jonų pradiniuose etapuose darbas lengviau. Tada jie praeina per plona folija, kuri iš jų atima elektronų iki galutinio etapo pagreičio.

pagreitis

Kaip dalelių greitintuvai darbo? Pagrindinis bruožas visi iš jų yra elektrinis laukas. Paprasčiausias pavyzdys - vienodas statinis laukas tarp teigiamų ir neigiamų elektros potencialų, panaši į tą, kuri egzistuoja tarp elektros akumuliatorių gnybtų. Ši elektronų lauke atliekant neigiamą krūvį yra veikiami jėga, kuri nukreipia jį į teigiamą potencialą. Tai pagreitina, o jei nėra nieko, kad būtų stovėti kelyje, jo greičio ir galios padidėjimą. Elektronai juda link teigiamo potencialo ant vielos arba ore, ir susiduria su atomų prarasti energiją, bet jei jie yra vakuume, tada paspartėjo, kai jos artėja anodo.

Įtampa tarp elektronų Nurodo pradžios ir pabaigos padėtį įsigyti jiems energijos. Kai juda per potencialų skirtumo 1 V yra lygus 1 Elektronvoltas (eV). Tai prilygsta 1,6 × 10 ^-19 Joule. Iš skrendančio uodo trilijoną kartų daugiau energijos. Be Kineskopowy elektronų greitinantis įtampą, didesnę kaip 10 kV. Daugelis greitintuvai pasiekti daug didesnį energijos matuojamas Mega Giga ir tera-elektronų voltų.

rūšis

Kai kurie iš pirmųjų tipų dalelių greitintuvai, pavyzdžiui, įtampos daugiklis ir generatoriaus Van de Graaff generatorius, naudojant pastovią elektros lauką kylantis iš iki milijono voltų potencialą. Su tokiais aukštos įtampos dirbti lengva. Labiau praktiškas alternatyva yra kartojamas veiksmų pagamintų žemų potencialą silpnų elektrinių laukų. Šis principas naudojamas dviejų tipų šiuolaikinių greitintuvai - linijinė ir ciklinis (daugiausia Ciklotronai ir synchrotrons). Linijiniai dalelių greitintuvai, trumpai tariant, vyko juos kartą per paspartinti laukų seka, o cikliškai daug kartų jie juda sukamaisiais kelyje per santykinai mažas elektros srityje. Abiem atvejais, galutinis energijos dalelių priklauso nuo bendro lauko veiksmų, kad daug mažų "ausele" sudedami suteikti bendrą poveikį vienas didelis.

Pasikartojantis struktūra linijiniu greitintuvu generuoti elektros laukus natūralus būdas yra naudoti AC, o ne DC. Į teigiamo krūvio dalelės paspartėjo iki neigiamo potencialo ir gauti naują impulsą, jeigu perduoti teigiamas. Praktiškai, įtampa turi būti pakeista labai greitai. Pavyzdžiui, bent iš 1 MeV protonų juda energijos esant labai dideliu greičiu yra šviesos 0,46 greitis, asocijuotas 1.4 M 0,01 ms. Tai reiškia, kad pasikartojančio struktūros kelių metrų ilgio, elektriniai laukai turi pakeisti kryptį esant bent 100 MHz dažniu. Linijiniai ir cikliniai greitintuvo dalelės paprastai skaidyti juos su kintamosios elektrinio lauko dažnio nuo 100 MHz iki 3000, t. E. Radijo bangų diapazone mikrobangoms.

Elektromagnetinės bangos yra rezonansinio elektrinių ir magnetinių laukų švytuojamuoju stačiu kampu vienas kito derinys. Pagrindinis punktas yra reguliuoti akceleratoriaus banga taip, kad nuo dalelių atvykimo elektrinis laukas yra nukreiptas pagal pagreičio vektorių. Tai gali būti atliekama naudojant nuolatinį banga - į bangų, vykstantiems į priešingas puses į uždaroje erdvėje, garso bangų vamzdžio organo derinys. Alternatyva įgyvendinimo variantas sparčiai juda elektronai, kurių greičiai artėja prie šviesos, keliaujančioje banga greitį.

autophasing

Svarbus poveikis pagreičio į kintamosios elektros srityje yra "etapas stabilumas". Viena virpesių ciklo kintamasis laukas eina per nulio iš didžiausios vertės atgal į nulį, jo sumažėja iki minimumo ir pakyla iki nulio. Tokiu būdu, jis eina du kartus per reikiamo dydžio pagreičio. Jeigu dalelių, kurio greitis didėja, ateina per anksti, ji neveiks pakankamo stiprumo lauką, ir stūmoklio bus silpnas. Kai jis pasiekia kitą plotą, bandymas vėlai ir didesnį poveikį. , Kaip tai atsitinka rezultatas, savarankiškai-etapai, dalelės bus fazės su kiekvienu srityje greitinantįjį regione. Kitas poveikis yra grupuojant juos laiku suformuoti krešulį, o ne nuolatinį srautą.

Spindulio kryptimi

Svarbų vaidmenį kaip darbai ir dalelių greitintuvas, žaisti ir magnetinius laukus, nes jie gali pakeisti savo judėjimo kryptį. Tai reiškia, kad jie gali būti naudojami "lenkimo" iš sukamaisiais kelyje spindulio, todėl jie nuolat išlaikė per tą patį greitinimo skyriuje. Paprasčiausiu atveju, veikiama įkrauta dalelė, juda stačiu kampu į vientisos magnetinio lauko kryptimi, statmena jėga vektoriaus tiek jo judėjimo, ir į lauką. Tai sukelia spindulį judėti sukamaisiais kelyje statmenai į lauką, kol ji ateina iš savo srities veiksmų ar kitų jėgos pradeda veikti ant jo. Šis poveikis yra naudojamas ciklinių greitintuvo, pavyzdžiui, sinchrotronas ir ciklotroninį. Į ciklotroninį, nuolatinis laukas susidaro dėl didelio magneto. Dalelės su didėjančia savo energijos juda spirale į išorę pagreitintą kiekvieno apsisukimo. Kad sinchrotoninio krešulių judėti žiedo su pastoviu spinduliu, o laukas generuoja elektromagnetų aplink žiedo didėja nes dalelės yra pagreitintas. Magnetai teikiančių "lenkimo", reiškia dipolį, emituojantį su šiaurės ir pietų polių, sulenktas pasagos formą taip, kad sija gali praeiti tarp jų, ir.

Antroji svarbi funkcija elektromagnetų yra sutelkti sijos taip, kad jie yra tokie siauri ir intensyvus, kaip įmanoma. Paprasčiausias fokusavimo magnetas - su keturiais polių (dviejų šiaurinėje ir du pietų), esančių viena priešais kitą. Jie stumti daleles į vieną pusę centre, bet leisti jiems bus platinamas statmenai. Kvadrupolinių magnetai dėmesio spindulį horizontaliai, todėl jam eiti nesufokusuotas vertikaliai. Norėdami tai padaryti, jie turi būti naudojami poromis. Dėl daugiau tiksliai fokusuoti taip pat yra naudojami daugiau sudėtingus magnetai su dideliu polių skaičiuje (6 ir 8).

Nuo dalelių didėja energijos, magnetinio lauko stiprumo, nukreipiant juos didėja. Tai apsaugo pluoštą apie ta pačia trajektorija. Sutrauka yra įvedamas į žiedo ir pagreitėja į norimą energijos, kol ji gali būti panaikintas ir naudoti eksperimentams. Atitraukimo pasiekiamas elektromagnetai, kurie yra aktyvuotų stumti daleles iš sinchrotroniniu žiedas.

susidūrimas

Dalelių greitintuvai naudojami medicinoje ir pramonėje, daugiausia gamina pluoštą tam tikram tikslui, pavyzdžiui, panaudojant švitinimas ar jonų implantacijos. Tai reiškia, kad dalelės naudoti vieną kartą. Tas pats pasakytina ir greitintuvų naudojamų pagrindinių mokslinių tyrimų daugelį metų. Bet žiedai buvo sukurtas 1970, kurioje du sijos cirkuliuojančių į priešingas puses ir susiduria aplink grandine. Pagrindinis privalumas tokių sistemų yra tai, kad priekinio susidūrimo energijos dalelių eina tiesiai į sąveikos tarp jų energijos. Tai kontrastuoja su tuo, kas atsitinka, kai šviesa susiduria su stacionarių nuotraukas, tokiu atveju dauguma energijos eina į tikslinės medžiagos sumažinti judėjimo, laikantis išsaugojimo pagreitį principu.

Kai mašinos su susidūrimo sijų yra sukonstruoti su dviem žiedais, susikertančių dviejose ar daugiau vietų, kurioje cirkuliuoja į priešingas puses, tos pačios rūšies daleles. Dažniau greitintuvas dalelių antidalelė. Antidalelė turi priešingą mokestį asocijuotų dalelių. Pavyzdžiui, pozitronų, teigiamai įkrautas, ir elektronai - neigiamą. Tai reiškia, kad sritis, kuri pagreitina elektroną, pozitronų sulėtina, juda ta pačia kryptimi. Bet jei pastarieji juda priešinga kryptimi, tai paspartins. Be to, elektronas juda per magnetinį lauką valios kreivę į kairę, ir Pozitronas - į dešinę. Bet jei pozitronų juda į priekį, tada jo kelias bus toliau nukryptų į dešinę, bet ant tos pačios kreivės, kaip ir elektronų. Tačiau, tai reiškia, kad dalelės gali judėti per iš sinchrotoninio pačių magnetų žiedo ir pagreitėja pačios elektros laukų priešingomis kryptimis. Šiuo principu sukurta daug galingų colliders susidūrimo sijos, T. Norėdami. Reikia tik vieną žiedą akceleratorių.

Plotis į sinchrotronas yra ne juda nuolat ir integruota į "gumulėlių." Jie gali būti kelių centimetrų ilgio ir nuo A skersmens milimetro dešimtoji, ir sudaro apie ^{12 spalio} daleles. Tai mažo tankio, dėl to, kad tokios medžiagos dydis yra apie 10 ²³ atomų. Todėl, kai susidūrimo sijos susikerta, yra tik maža tikimybė, kad dalelės reaguoja su viena kitai. Praktiškai krešuliai toliau judėti žiedo ir vėl susitikti. Aukštos vakuume, dalelės (V. 10 ^-11 mm Hg.) Akceleratoriaus Ar reikalingas tam, kad dalelės gali cirkuliuoti daug valandų be susidūrimų su oro molekulių. Todėl žiedas yra taip pat vadinamas kumuliacinės, nes spinduliai iš tiesų jame saugomi keletą valandų.

registracija

Dalelių greitintuvai, esantys daugumos gali registruoti atsiranda, kai dalelės pasiektų taikinį ar kitą spindulį, juda priešinga kryptimi. Į televizijos kineskopas, elektronai iš pistoleto streikuoti fosforo ekraną ant vidinio paviršiaus ir skleidžia šviesą, kuri taip atkuria perduodamą vaizdą. Be greitintuvai tokios specializuotos detektoriai reaguoja į išsibarsčiusios dalelių, bet jie paprastai siekiama sukurti elektrinius signalus, kurie gali būti konvertuojami į kompiuterinių duomenų ir analizuojami naudojant kompiuterines programas. Apmokestinti tik elementai pagaminti elektrinius signalus asocijuotas per medžiagos, pavyzdžiui, jonizacijos arba sužadinimo atomų, ir gali būti nustatyti tiesiogiai. Neutralios dalelės, pavyzdžiui, neutronų arba fotonų galima aptikti netiesiogiai per dalelės, kad jie juda elgesį.

Yra daug specializuotų detektoriai. Kai kurie iš jų, pavyzdžiui, Geigerio skaitiklis, kurio dalelių kiekis ir kitiems tikslams, pvz, tam, kad įrašytų takelių ar greičio matavimo energijos. Modernių detektoriai dydžio ir technologijų, gali skirtis nuo mažų krūvio sąsajos įtaisai iki didelių dujomis užpildytų kameros su laidų, kurios nustato jonizuotų takelius gaminami dalelės.

istorija

Dalelių greitintuvai daugiausia sukurtas tyrimų atominių branduolių ir elementariųjų dalelių savybių. Nuo Didžiosios Britanijos fizikas atidarymo Ernest Rutherford į 1919 metų azoto branduolio ir alfa dalelės reakcija, visi branduolinės fizikos srityje į 1932 m tyrimai buvo atliekami su helio branduolių, išleistas natūralių radioaktyviųjų elementų irimo. Gamtos alfa dalelės turi kinetinę energiją 8 MeV, bet Rutherford tikėjo, kad jie turi būti dirbtinai pagreitintas net didesnes vertes Sunkiojo branduolių skilimas stebėseną. Tuo metu atrodė sunku. Tačiau atliktas skaičiavimas 1928 m Georgiem Gamovym (Getingeno universitetas, Vokietija), parodė, kad jonai gali būti naudojamas daug mažesnio energijos, o tai paskatino bando statyti įrenginį, kuris suteikia šviesos pakankamai branduolinių tyrimų.

Kiti renginiai šio laikotarpio parodė principus, pagal kurią mokamos dalelių greitintuvai yra pastatytas iki šios dienos. Pirmieji sėkmingi eksperimentai su dirbtinai pagreitintas jonų vyko Cockroft ir Walton 1932 Kembridžo universitete. Naudojant įtampos daugiklis, protonai greitinantis 710 keV, ir parodė, kad pastarasis reaguoja su ličio, kad sudarytų du alfa daleles. Iki 1931, Prinstono universiteto Naujajame Džersyje, Robertas Van de Graaff elektrostatinis diržas pastatė pirmąją aukštą potencialą generatorių. Įtampa daugiklis Cockcroft-Walton generatoriai ir Van de Graaff generatorius vis dar naudojamas kaip energijos šaltinių greitintuvai.

buvo įrodytas tiesinės rezonansinės akceleratoriaus principas Rolf Wideroe 1928 metais Reino-Vestfalijos technikos universiteto Achene, Vokietijoje, jis naudojamas aukštos įtampos kintamosios srovės pagreitinti natrio ir kalio jonų energijos viršija du kartus juos pasakyti. 1931 metais Jungtinių Amerikos Valstijų Ernest Lourens ir jo asistentas David Sloan iš Kalifornijos universiteto Berkeley, naudojami aukšto dažnio laukai paspartinti gyvsidabrio jonų energijos didesnis nei 1,2 MeV. Šis darbas papildo akceleratorių sunkiasvorių dalelės Wideroe, bet jonų pluoštai nėra naudinga branduolinių tyrimų.

Magnetinio rezonanso akceleratoriaus ar ciklotroninis, buvo sumanytas kaip Lawrence'as Wideroe įrengimo modifikacija. Studentų Lawrence Livingston parodė, kad cyclotron principą 1931 m, todėl jonai su 80 keV energijos. 1932 Lawrence ir Livingstonas paskelbė protonų pagreitis iki daugiau nei 1 MeV. Vėliau 1930 metais, energetikos Ciklotronai pasiekė apie 25 MeV, o Van de Graaff - apie 4 MeV. 1940, Donald Kerst, taikant atsargūs skaičiavimai orbitos į magneto struktūra, pastatyta Ilinojus, pirmą Betatron, magnetinė indukcija elektronų greitintuvo universiteto rezultatus.

Šiuolaikinė fizika: Dalelių akceleratorių

Po Antrojo pasaulinio karo čia buvo greitas pažanga spartinant daleles aukštų energijų mokslas. Ji pradėjo Edwin McMillan Berklis ir Vladimir Veksler Maskvoje. 1945, jie abu nepriklausomai vienas nuo kito yra apibūdino fazės stabilumo principą. Ši koncepcija siūlo priemones išlaikyti stabilias orbitas dalelių sukamaisiais akceleratoriaus, kad pašalinti apribojimus dėl protonų energijos ir padėjo sukurti magnetinio rezonanso greitintuvai (synchrotrons) elektronų. Autophasing, iš fazių stabilumo principo įgyvendinimas, buvo patvirtinta po to, kai mažame SynchroCyclotron statybos Kalifornijos universiteto ir Anglijoje sinchrotronas. Netrukus po to, pirmasis protonų linijinis rezonansinis greitintuvas buvo sukurta. Šis principas yra naudojamas visuose didžiuosiuose protonų synchrotrons pastatytų nuo tada.

1947 William Hansen Stanfordo universitete Kalifornijoje, pastatyta pirmoji elektronų linijinio greitintuvo keliaujančioje banga, kuri naudojama mikrobangų technologiją, kuri buvo sukurta radaro per Antrąjį pasaulinį karą.

Pažanga Tyrimo tapo įmanoma padidinti protonų energiją, kuri atvedė prie vis didesnių greitintuvo statybai. Ši tendencija yra aukštos gamybos sąnaudos didžiulis magnetas žiedo buvo sustabdytas. Didžiausias sveria apie 40000 tonų. Metodai didinant energijos be mašina dydžio augimo buvo tikrinami maždaug 1952 godu Livingstone Courant ir Snyder iš kintamosios fokusavimo technika (kartais vadinamas stiprus dėmesio). Synchrotrons darbo šiuo principu, naudokite magnetus 100 kartų mažesnis nei anksčiau. Toks fokusavimas naudojamas visų šiuolaikinių synchrotrons.

1956 Kerst supratau, kad jei dvi dalelių būtų saugomi nuo susikertančių orbitomis, galite žiūrėti jiems susidaužti. Šios idėjos taikymas reikalauja kaupimo pagreitinto sijos ciklais, vadinamas kumuliacinės. Ši technologija pasiekė maksimalų energijos sąveikos dalelių.