Aceleradores lineais de partículas cargadas. Como aceleradores de partículas traballo. Por que os aceleradores de partículas?

O acelerador de partículas cargadas - un dispositivo no que un feixe de partículas atómicas ou subatómicas cargadas electricamente que viaxan case á velocidade. A base do seu traballo é necesario aumentar a súa enerxía por un campo eléctrico e cambiar a traxectoria - magnética.

Cales son os aceleradores de partículas?

Estes dispositivos son amplamente utilizados en varios campos da ciencia e da industria. Ata a data, en todo o mundo hai máis de 30 mil. Á física dos aceleradores de partículas cargadas servir como unha ferramenta de investigación fundamental sobre a estrutura de átomos, a natureza das forzas nucleares e propiedades nucleares, os cales non se producen naturalmente. Estes últimos inclúen transuranic e outros elementos inestables.

Co tubo de descarga tornouse posíbel determinar a carga específica. aceleradores de partículas cargadas son tamén utilizados para a produción de radioisótopos, en radiografía industrial, a radioterapia, a esterilización de materiais biolóxicos, e na análise de radiocarbono. As maiores unidades son utilizadas no estudo das interaccións fundamentais.

O tempo de vida das partículas cargadas en repouso en relación ao acelerador é menor que a de partículas aceleradas a velocidades próximas á velocidade da luz. Isto confirma a cantidade relativamente pequena de estacións de tempo. Por exemplo, no CERN foi conseguido un aumento no tempo de vida da velocidade 0,9994c Muon 29 veces.

Este mira o que está dentro e traballar acelerador de partículas, o seu desenvolvemento, tipos e características diferentes.

principios de aceleración

Independentemente de que tipo de aceleradores de partículas cargadas sabe, todos eles teñen elementos comúns. En primeiro lugar, eles deben ter unha fonte de electróns no caso dun tubo de televisión imaxe ou electróns, protóns e as súas antipartículas, no caso de instalacións maiores. Ademais, deben ter todos os campos eléctricos para acelerar partículas e campos magnéticos para controlar a súa traxectoria. Ademais, o baleiro no acelerador de partículas cargadas (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. unha cantidade mínima de aire residual, é necesario para garantir unha longa vigas tempo de vida. Finalmente, as instalacións deben ter medios de rexistro, a conta e medición das partículas aceleradas.

xeración

Electróns e protóns, que son máis comunmente usados en aceleradores, se atopan en todos os materiais, pero primeiro eles deben escoller entre eles. Electróns normalmente son xerados do mesmo xeito como o tubo de imaxe - nun dispositivo que se chama "arma". É un cátodo (eléctrodo negativo) no baleiro, que é Calefacción ata un estado onde electróns comezar a saír os átomos. partulas negativamente cargados están unidas para o ánodo (eléctrodo positivo) e pasar a través da saída. O arma en si é simple como o acelerador porque os electróns están movendo baixo a influencia dun campo eléctrico. A tensión entre o cátodo eo ánodo, tipicamente na gama de 50-150 kV.

Ademais de electróns en todos os materiais contidos protóns, senón só un único núcleo de protóns composto por átomos de hidróxeno. Polo tanto, a fonte de partículas para os aceleradores de protóns é o gas hidróxeno. Neste caso, o gas é ionizado e os protóns están localizados a través do orificio. En grandes aceleradores de protóns son moitas veces formados en forma de ións de hidróxeno negativos. Representan un electrón adicional a partir de átomos que son o produto dunha ionización do gas diatômico. Xa que os ións de hidróxeno cargados negativamente nos estadios iniciais do traballo máis doado. Logo pasan a través dunha folla fina, que os priva de electróns antes da fase final da aceleración.

aceleración

Como aceleradores de partículas traballo? Unha característica fundamental de todos eles é o campo eléctrico. O exemplo máis simple - o campo estático uniforme entre os potenciais eléctricos positivos e negativos, semellante á que existe entre os terminais da pila eléctrica. Este campo de electróns cargando unha carga negativa é exposta a unha forza que dirixe a un potencial positivo. Acelera-lo, e se calquera cousa que poida estar no camiño, o aumento de velocidade e potencia. Electróns que se desprazan para o potencial positivo no fío ou no aire, e chocan cos átomos de perder enerxía, pero se se localizados en baleiro, logo acelerado a medida que se aproximan do ánodo.

A tensión entre a posición de inicio e fin dos define electróns comprada lles enerxía. Ao moverse a través de unha diferenza de potencial dun V é igual a un electrón-volt (EV). Isto é equivalente a 1,6 × 10 ^-19 Joule. A enerxía dun mosquito voando billón de veces máis. En electróns son acelerados cinescópio tensión superior a 10 kV. Moitos aceleradores chegar enerxías máis elevadas medidas de mega, Giga e terá-electrón-voltios.

especies

Algúns dos primeiros tipos de aceleradores de partículas, tales como o multiplicador de tensión eo xerador de xerador de Van de Graaff, utilizando un campo eléctrico constante xerada por potenciais de ata un millón de voltios. Con estas altas tensións traballar fácil. Unha alternativa máis práctico é a acción repetida de campos eléctricos producidos débiles baixos posibles. Este principio é utilizado nos dous tipos de aceleradores modernos - (principalmente cyclotrons e synchrotrons) linear e cíclica. aceleradores de partículas lineais, en suma, os pasou xa a través da secuencia de campos de aceleración, mentres que as ciclicamente miúdo se moven nun percorrido circular a través do relativamente pequeno campo eléctrico. En ambos os casos, a enerxía final das partículas depende da totalidade do campo de acción, de xeito que moitas pequenas "solavancos" son sumados para obter o efecto combinado de un único grande.

A estrutura repetitiva dun acelerador lineal para xerar campos eléctricos de forma natural é empregar o AC, non DC. As partículas cargadas positivamente son acelerados para o potencial negativo e obter un novo impulso, se pasar positivo. Na práctica, a tensión debe ser cambiado moito rapidamente. Por exemplo, a unha enerxía de 1 MeV movementos de protóns a unha velocidade moi elevada é a velocidade da luz de 0,46, pasando de 1,4 m de 0,01 ms. Isto quere dicir que na estrutura de repetición dalgúns metros de longo, os campos eléctricos que cambiar de dirección a unha frecuencia de 100 MHz. Lineais e cíclicos aceleradores de partículas xeralmente dispérsase los coa frecuencia do campo eléctrico alternado entre 100 MHz e 3000, t. E. Na gama de ondas de radio de microondas.

A onda electromagnética é unha combinación de campos eléctricos e magnéticos de oscilación oscilan en ángulos rectos entre si. O punto clave é axustar o acelerador ola de xeito que no momento da chegada das partículas do campo eléctrico é dirixida segundo o vector de aceleración. Isto pódese facer a través dunha onda estacionaria - a combinación de ondas viaxarán en direccións opostas nun espazo pechado, as ondas de son no órgano de tubos. Unha forma de realización alternativa electróns cuxas velocidades que se aproximan da velocidade da luz, unha onda viaxeira movéndose rapidamente.

autophasing

Un efecto importante da aceleración nun campo eléctrico alternado é unha "estabilidade de fase". Nun campo oscilación ciclo alternado pasa por cero a partir do valor máximo a cero, el diminúe a un mínimo e aumenta a cero. Así, el pasa a través de dúas veces o valor requirido para a aceleración. Se unha partícula cuxa aumenta a velocidade, vén moi cedo, non vai funcionar un campo de forza suficiente, eo impulso será feble. Cando chega a próxima zona, a proba final e máis impacto. Como ocorre un resultado, auto-eliminación progresiva, as partículas han estar en fase con cada campo na rexión de aceleración. Outro efecto é a agrupación los no tempo para formar un coágulo no canto dun fluxo continuo.

A dirección do feixe

Un papel importante na forma como as obras e acelerador de partículas, xogar e campos magnéticos, como poden cambiar a dirección do seu movemento. Isto significa que poden ser utilizados para "dobraxe" do feixe nunha traxectoria circular, de xeito que varias veces pasada a través da mesma sección de aceleración. No caso máis simple, nunha partícula cargada movéndose a un ángulo recto coa dirección do campo magnético homoxéneo, un vector de forza perpendicular tanto do seu movemento, e para o campo. Isto fai que o feixe de moverse nun camiño circular perpendicular ao campo, ata que saia do seu campo de acción ou outra forza comeza a actuar sobre el. Este efecto é utilizado en aceleradores cíclicos, como un ciclotrão e Sincrotrón. Nun ciclotrão, o dominio constante é producido por un automático grande. Partículas co aumento da súa enerxía movéndose en espiral exteriormente acelerado con cada revolución. Os coágulos Sincrotrón mover en torno ao anel cun raio constante, eo campo xerado polos electromagnetos arredor dos aumentos de anel como as partículas son aceleradas. Os imáns dando "dobra", representan dipolos con polos norte e sur, dobrado en forma de ferradura para que o feixe pode pasar entre as mesmas.

A segunda función importante dos eletroímãs é centrar os feixes de xeito que xa son tan estreita e intensa posible. A forma máis simple de un imán centrándose - con catro polos (dous norte e dous sur), situado fronte un do outro. Eles empurrar as partículas para o centro nunha dirección, pero permiten que sexan distribuídos na perpendicular. Quadrupolo imáns centrar o feixe en horizontal, permitindo-lle para ir fóra de foco vertical. Para iso, eles deben ser usados en parellas. Para un máis que centrarse tamén son usados imáns máis sofisticados con un gran número de polos (6 e 8).

Dende a enerxía das partículas aumenta, a forza do campo magnético, dirixindo os aumenta. Isto mantén o feixe na mesma traxectoria. A coalhada é introducido no anel e é acelerado ata unha enerxía desexado antes de que poida ser retirado e usado en experimentos. A retracción é conseguir por electromagnetos que son activados para empurrar as partículas do anel Sincrotrón.

colisión

aceleradores de partículas cargadas utilizadas na medicina e na industria, principalmente producir un feixe para unha finalidade particular, por exemplo, irradiación ou ión implantación. Isto significa que as partículas de usar unha vez. O mesmo pasou cos aceleradores utilizados na investigación básica por moitos anos. Pero os aneis foron desenvolvidas en 1970, en que dous feixes circulando en direccións opostas e chocan arredor do circuíto. A principal vantaxe destes sistemas é que, nunha enerxía de colisión frontal de partículas vai directamente á enerxía de interacción entre eles. Isto contrasta co que acontece cando o feixe colide con imaxes fixas, caso en que a maior parte da enerxía vai para a redución do material destino en movemento, segundo o principio de conservación do momento.

Algunhas máquinas con feixes de colisión son construídos con dous aneis, que cruza en dous ou máis lugares, en que circulou en sentido oposto, as partículas do mesmo tipo. Máis común acelerador de partículas-antiparticle. Antiparticle ten carga oposta das partículas asociadas. Por exemplo, o pósitron, é cargada positivamente, e electróns - negativamente. Isto significa que un campo que acelera o electrón, o pósitron desacelera, movendo na mesma dirección. Pero se este último se move en dirección contraria, que vai acelerar. Do mesmo xeito, un electrón en movemento a través dunha curva de campo vontade magnética á esquerda, eo pósitron - dereita. Pero se o pósitron está movendo para adiante, logo o seu camiño seguirá desviarse cara á dereita, pero na mesma curva como a do electrón. Con todo, isto significa que as partículas poden moverse a través do anel de Sincrotrón os mesmos imanes e acelerada polos mesmos campos eléctricos en sentidos opostos. Nesta principio creou moitos aceleradores poderosos colidindo vigas, t. Para. O único require un acelerador de anel.

Feixe no Síncrotron non se está movendo de forma continua e integrada en "aglomerados". Poden ser de varios centímetros de longo e unha décima de un milímetro en diámetro, e comprenden ^{aproximadamente 12 de outubro de} partículas. Esta baixa densidade, xa que o tamaño de tal material contén preto ^{de 23} átomos de ^outubro. Polo tanto, cando un feixes de colisión se cruzan, existe só unha pequena probabilidade de que as partículas van reaccionar entre si. Na práctica coágulos continuar a moverse en torno ao anel e atopar de novo. Baleiro alto o acelerador de partículas cargadas (10 ^-11 mm Hg. V.) é necesaria a fin de que as partículas poden circular durante moitas horas sen colisións coas moléculas de aire. Polo tanto, o anel é tamén chamado acumulativo, pois vigas realmente nel gardados por varias horas.

inscrición

aceleradores de partículas cargadas na maioría pode rexistrar ocorre cando as partículas de acadar o obxectivo, a outro feixe, movendo-se na dirección oposta. Nun tubo de imaxe de televisión, os electróns do arma para atacar pantalla de fósforo na superficie interna e emitir luz, o que, dese xeito recrea a imaxe transmitida. En aceleradores de tales detectores especializados reaccionar ás partículas dispersas, pero son normalmente deseñados para crear sinais eléctricos que poden ser convertidos en datos de ordenador e analizados mediante os programas de ordenador. Só cargada elementos producen sinais eléctricos que pasan a través do material, por exemplo por ionización ou excitación de átomos, e pode ser detectada directamente. As partículas neutras, como neutróns ou fotóns pode ser detectado indirectamente, a través do comportamento de partículas cargadas que están en movemento.

Hai moitos detectores especializados. Algúns deles, como un contador Geiger, un contador de partículas, e outros usos, por exemplo, por grupos de gravación ou para a medición da velocidade de enerxía. Os detectores modernos en tamaño e tecnoloxía, poden variar de pequenos dispositivos de carga acoplada a grandes cámaras cheas de gas con fíos que detectan pistas ionizados producidos por partículas cargadas.

historia

aceleradores de partículas cargadas desenvolvido principalmente para estudos das propiedades dos núcleos atómicos e partículas elementais. Xa que a apertura da físico británico Ernest Rutherford , en 1919, a reacción do núcleo de nitróxeno e un de partículas alfa, de toda a investigación no campo da física nuclear e 1932 foron realizadas cun núcleo de helio, facilitados polo decaemento de elementos radioactivos naturais. alfa-partículas naturais teñen unha enerxía cinética de 8 MeV, pero Rutherford crían que eles deben ser artificialmente acelerada valores aínda máis altos para supervisar o decaimento de núcleos pesados. Na época parecía difícil. Con todo, o cálculo feito en 1928 por Georgiem Gamovym (na Universidade de Göttingen, Alemaña), amosa que os ións poden ser usados en enerxías máis baixas, e iso estimulou intentos de construír unha instalación que ofrece un feixe suficiente para a Investigación Nuclear.

Outros eventos deste período demostraron os principios polos que os aceleradores de partículas cargadas son construídos para este día. As primeiras experiencias exitosas con ións acelerados artificialmente foron realizadas Cockroft e Walton en 1932 na Universidade de Cambridge. Ao usar un multiplicador de tensión, protóns son acelerados para 710 keV, e demostraron que o último reaccionar con litio para formar dúas partículas alfa. En 1931, na Universidade de Princeton, en Nova Jersey, Robert Van de Graaff cinto Electrostática construíu o primeiro xerador de alto potencial. multiplicador de tensión xeradores Cockcroft-Walton e xerador de Van de Graaff aínda é usado como fonte de enerxía para os aceleradores.

O principio do acelerador lineal de resonancia demostrouse Rolf Widerøe en 1928. A Renania-Vestefália Universidade Técnica de Aachen, en Alemaña, el usou unha tensión AC de alta para acelerar os ións de sodio e potasio para enerxías en exceso de dúas veces para dicir-lles. En 1931, nos Estados Unidos Ernest Lourens eo seu asistente David Sloan, da Universidade de California, Berkeley, usado nos campos de alta frecuencia para acelerar os ións de mercurio para enerxías maiores que 1,2 MeV. Este traballo é complementado acelerador de partículas cargadas pesadas Wideroe, pero os feixes de ións non son útiles na investigación nuclear.

acelerador de resonancia magnética ou ciclotron, foi concibida como unha modificación da instalación Lawrence Wideroe. Estudante Lawrence Livingston demostrou o principio do ciclotrão en 1931, facendo que os ións cunha enerxía de 80 keV. En 1932, Lawrence e Livingston anunciou a aceleración de protóns ata máis de 1 MeV. Posteriormente, na década de 1930, cyclotrons enerxía alcanzou uns 25 MeV, ea Van de Graaff - preto de 4 MeV. En 1940, Donald Kerst, aplicando os resultados dos cálculos coidadosos da órbita para a estrutura de Madrid, construído na Universidade de Illinois, o primeiro betatron, acelerador de electróns de indución magnética.

Modern Physics: aceleradores de partículas

Tras a Segunda Guerra Mundial, houbo un rápido progreso na ciencia de acelerar partículas a altas enerxías. Comezou Edwin McMillan, en Berkeley, e Vladimir Veksler en Moscova. En 1945, ambos son independentemente uns dos outros describiron o principio de estabilidade de fase. Este concepto ofrece un medio para manter as órbitas estables das partículas nun acelerador circular que eliminou as restricións sobre a enerxía de protóns e axudou a crear un aceleradores de resonancia magnética (síncrotrons) de electróns. Autophasing, a posta en marcha do principio de estabilidade de fase, foi confirmada despois da construción dunha pequena sincrocíclotron na Universidade de California e do Síncrotron en Inglaterra. Pouco tempo despois, o acelerador de resonancia primeiro protón lineal foi creado. Este principio é utilizado en todos os principais synchrotrons protóns construídos desde entón.

En 1947, William Hansen, da Universidade de Stanford, en California, construíu o primeiro acelerador lineal de electróns na onda viaxeiro, que usou a tecnoloxía de microondas que foi deseñado para radar durante a Segunda Guerra Mundial.

Progreso no estudo foi posible grazas ao aumento da enerxía de protóns, o que levou á construción de aceleradores cada vez maiores. Esta tendencia é de alto custo de fabricación anel imán enorme foi detido. O maior pesa preto de 40.000 toneladas. Métodos para aumentar a enerxía sen crecemento tamaño da máquina foron seleccionados en preto de 1.952 godu Livingstone, Courant e Snyder unha técnica de alternancia de enfoque (ás veces chamado de forte focando). Síncrotrons que traballan neste principio, usan imáns 100 veces menor que antes. Tal enfoque é usado en todo synchrotrons modernos.

En 1956 Kerst entender que, se os dous conxuntos de partículas son retidas en órbitas se cruzan, podes velos chocar. A aplicación desta idea necesario as vigas de acumulación acelerada en ciclos, chamado acumulativo. Esta tecnoloxía ten alcanzado unha enerxía máxima de partículas de interacción.