Linear paātrinātāji lādētu daļiņu. Kā daļiņu paātrinātāju darbu. Kāpēc daļiņu paātrinātāji?

Akseleratora lādētu daļiņu - ierīce, kas atšķiras ar to stars no elektriski lādētu atomu vai subatomisko daļiņas, kas pārvietojas gandrīz ātrumu. Pamatā viņa darbs ir nepieciešams palielināt savu enerģiju elektriskajā laukā un mainīt trajektoriju - magnētisko.

Kas ir daļiņu paātrinātāji?

Šīs ierīces tiek plaši izmantoti dažādās zinātnes jomās un rūpniecībā. Līdz šim visā pasaulē ir vairāk nekā 30 tūkstoši. Par fiziku uzlādētu daļiņu paātrinātāju kalpo kā instruments fundamentālo pētījumu par struktūru atomiem, raksturu kodolspēku un kodoldegvielas īpašības, kas nav sastopami dabā. Pēdējais ietver transurāna un citus nestabilus elementus.

Ar izlādes caurule ir kļuvis iespējams noteikt īpašu maksu. Uzlādētu daļiņu paātrinātāji tiek izmantoti arī, lai ražotu radioizotopu jo rūpnieciskajā radiogrāfijā, staru terapija, sterilizācijas bioloģisko materiālu, un radioaktīvā oglekļa analīzes. Lielākie vienības tiek izmantoti pētījumā pamattiesību mijiedarbību.

No lādētu daļiņu mūža miera attiecībā uz gāzes pedāļa ir mazāks nekā daļiņām paātrinājās līdz ātrumu tuvu gaismas ātrumu. Tas apstiprina salīdzinoši nelielu daudzumu laika stacijām. Piemēram, CERN ir panākts šajā dzīves miona 0,9994c ātrumu 29 reizes pieaugumu.

Šis raksts aplūko to, kas ir iekšā un darba daļiņu paātrinātājs, tās attīstību, dažāda veida un dažādas funkcijas.

paātrinājuma principi

Neatkarīgi no tā, kāda veida lādētu daļiņu paātrinātāji jūs zināt, tie visi ir kopīgi elementi. Pirmkārt, viņiem ir jābūt avots elektroni šajā gadījumā televīzijas kineskopa vai elektroniem, protoniem un to antidaļiņa gadījumā uz lielākām iekārtām. Turklāt, tiem ir jābūt elektrisko lauku, lai paātrinātu daļiņas un magnētiskos laukus, lai kontrolētu savu trajektoriju. Turklāt vakuums apgrūtinātā daļiņu paātrinātājs (10 ^-11 mm V. Hg.), M. E. minimālo daudzumu, atlikušo gaisu, ir nepieciešama, lai nodrošinātu ilgu kalpošanas laiks sijas. Visbeidzot, visām iekārtām jābūt reģistrācijas līdzekļi, skaitīšanu un mērīšanu paātrinātās daļiņas.

paaudze

Elektroniem un protoniem, kurus visbiežāk izmanto paātrinātāji, ir atrodami visos materiālos, bet vispirms tie ir jāizvēlas no tiem. Elektroni parasti tiek ģenerētas tādā pašā veidā, kā ar kineskopa - ierīcē, ko sauc par "lielgabals". Tas ir katoda (negatīvs elektrods) vakuumā, kuru uzkarsē līdz tādā stāvoklī, kad elektroni sāk atrauties atomus. Negatīvi lādētu daļiņas ir piesaistīti pie anoda (pozitīvā elektroda) un iet pa cauruli. Lielgabals pati par sevi ir visvienkāršākais, jo paātrinātājs jo elektroni kustas reibumā elektriskā lauka. Spriegums starp katodu un anodu, parasti diapazonā 50-150 kV.

Apart no elektroniem visiem materiāliem ietverts protonus, bet tikai vienu protonu kodols sastāv no ūdeņraža atomiem. Tāpēc, daļiņu avots protona paātrinātāju ir ūdeņraža gāze. Šajā gadījumā gāzes jonizē un protonu atrodas caur caurumu. Lielos paātrinātāju protons bieži veidojas formā negatīvo ūdeņraža jonu. Tie veido papildus elektronu no atomiem, kas ir produkts, divatomu gāzes jonizācijas. Tā negatīvi lādētu ūdeņraža jonu koncentrācija sākotnējos posmos darbu vieglāku. Tad viņi iet cauri plānu plēvi, kas viņiem liedz elektroniem pirms beigu posmā paātrinājumu.

paātrinājums

Kā daļiņu paātrinātāju darbu? Galvenā iezīme visi no tiem ir elektriskais lauks. Vienkāršākais piemērs - vienota statiskā laukā starp pozitīvo un negatīvo elektrisko potenciālu, līdzīga tai, kas pastāv starp termināļiem elektrisko akumulatoru. Šī elektronu lauks ar negatīvu maksas ir pakļauts spēku, kas virza to uz pozitīvo potenciālu. Tas paātrina to, un, ja ir kaut kas, kas varētu stāvēt ceļā, viņa ātrumu un jaudas pieaugumu. Elektroni pārvietojas virzienā uz pozitīvo potenciālu uz vadiem vai pa gaisu, un saduras ar atomiem zaudē enerģiju, bet, ja tie atrodas vakuumā, tad jāpaātrina, jo tās pieeja anodu.

Spriedze starp sākuma un beigu pozīciju elektronu definē, iegādājies enerģiju. Pārvietojot cauri potenciālu starpībai 1 V ir vienāds ar 1 elektronu voltu (eV). Tas ir līdzvērtīgs 1,6 × 10 ^-19 džoulu. Par lidojošā moskītu triljons reizes vairāk enerģijas. Jo kinescope elektroni tiek paātrināti spriegums pārsniedz 10 kV. Daudzi paātrinātāji sasniegt daudz augstāku enerģiju izmērītie mega, Giga un Tera elektronu-voltu.

suga

Daži no pirmajiem veidiem, daļiņu paātrinātāji, piemēram, sprieguma reizinātāju un ģeneratora Van de Graaff ģenerators, izmantojot pastāvīgu elektrisko lauku ar potenciālu līdz miljons voltu radīto. Ar šādu augstu spriegumu strādāt viegli. Vairāk praktiska alternatīva ir atkārtota darbība vāju elektrisko lauku, kas ražoti zems potenciāls. Šis princips tiek izmantots divu veidu mūsdienu paātrinātāju - lineāra un cikliskā (galvenokārt cyclotrons un synchrotrons). Linear elementārdaļiņu paātrinātāji, īsi sakot, nodots vienu reizi caur secība paātrinātājiem laukiem, bet cikliski daudzas reizes viņi pārvietojas pa riņķa izmantojot salīdzinoši nelielu elektrisko lauku. Abos gadījumos gala enerģijas daļiņu atkarīgs no kopējā darbības jomā, tādēļ, ka daudzi mazie "izciļņiem" tiek summēti, lai sniegtu kopējo ietekmi viena liela.

Atkārtojas struktūra lineārā paātrinātāja, lai radītu elektrisko laukus dabisks veids ir izmantot AC, nevis DC. Par pozitīvi lādētās daļiņas tiek paātrināta uz negatīvo potenciālu un iegūtu jaunu impulsu, ja iet pozitīvs. Praksē, spriegums ir jāmaina ļoti ātri. Piemēram, pie enerģija 1 MeV protonu pārvietojas lielā ātrumā, ir ātrums, ņemot vērā 0.46, kas iet 1.4 m no 0.01 ms. Tas nozīmē, ka, atkārtojot struktūrā dažu metru garš, elektriskie lauki ir mainīt virzienu ar frekvenci vismaz 100 MHz. Linear un cikliskie paātrinātāji daļiņas parasti iemaisa tos ar mainīga elektriskā lauka frekvenci no 100 MHz līdz 3000, t. E. diapazonā no radio viļņus, pret mikroviļņiem.

Elektromagnētiskais vilnis ir svārstīgas elektrisko un magnētisko lauku oscilācijas taisnā leņķī viens pret otru. Galvenais punkts ir pielāgot akseleratora vilni, lai pie pienākšanas ar daļiņu elektriskais lauks ir vērsts saskaņā ar paātrinājuma vektors. To var izdarīt, izmantojot pastāvīgu vilnis - tādu viļņi ceļo pretējos virzienos slēgtā telpā, skaņas viļņi ērģelēm kombināciju. Alternatīva konstruktīvais strauji pārvietojas elektroni, kuru ātrumi tuvojas gaismas ātrumam, ceļojošā vilni.

autophasing

Svarīga ietekme paātrinājuma mainīgs elektriskā laukā ir "posms stabilitāte". Jo viens svārstību ciklu mijas lauks iet caur nulli no maksimālās vērtības, atpakaļ līdz nullei, tas samazinās līdz minimumam un paceļas uz nulli. Tātad, tas iet divreiz caur vērtību nepieciešama paātrinājumu. Ja daļiņu, kura ātrums palielinās, nāk par agru, tas nedarbosies lauks ar pietiekamu spēku, un push būs vāja. Kad tas sasniedz nākamo zonu, testu vēlu un lielāka ietekme. Kā notiek rezultātā, sevis pakāpeniskas, daļiņas būs fāzē ar katru laukā paātrinot reģionā. Vēl viens efekts ir grupējot tos laicīgi, lai veidotu receklis nevis nepārtrauktu plūsmu.

Virziens stara

Svarīga loma, kā darbojas un daļiņu paātrinātājs, spēlēt un magnētiskos laukus, jo tie var mainīt virzienu savas kustības. Tas nozīmē, ka tie var tikt izmantoti, lai "locīšana" stara apļveida ceļu, tāpēc viņi vairākkārt caur to pašu paātrinot sadaļā. Vienkāršākajā gadījumā, uz uzlādētu daļiņu virzās pareizajā leņķī virzienā homogēnā magnētiskā lauka spēku, vektoru perpendikulāri, gan no tās kustības, un uz lauka. Tas izraisa staru kūli, lai pārvietotos pa riņķa perpendikulāri lauka, līdz tas nāk ārā no tās darbības jomā vai citu spēku sāk rīkoties saskaņā ar to. Šis efekts tiek izmantots cikliskajiem paātrinātāji, piemēram, kā sinhronēto un ciklotrona. Ar ciklotrona, pastāvīga lauks ir ražots ar lielu magnēts. Daļiņas ar pieaugošo to enerģijas pārvietojas spirālveida ārīgi paātrināta ar katru revolūciju. The sinhronēto trombi pārvietoties ap gredzenu ar konstantu rādiusu, un lauks, ko elektromagnētu ap gredzenu pieaug, daļiņu generated ir paātrināta. Magnēti, kas nodrošina "locīšana", pārstāv dipoles ar ziemeļu un dienvidu poliem, saliektas pakava formā tā, lai sija var nodot starp tām.

Otra svarīga funkcija elektromagnēti ir koncentrēties starus tā, ka tie ir tik šaurs un intensīva, cik vien iespējams. Vienkāršākais veids fokusēšanas magnēts - ar četriem poliem (divi ziemeļu un divi dienvidu), kas atrodas viena otrai pretī. Viņi push daļiņas centrā vienā virzienā, bet, lai tos varētu izplatīt perpendikulāri. Kvadrupola magnēti koncentrēt gaismu horizontāli, ļaujot viņam iet ārā fokusa vertikāli. Lai to izdarītu, viņiem ir jāizmanto pāriem. Par precīzāku koncentrējoties tiek izmantotas arī sarežģītākus magnēti ar lielu skaitu polu (6 un 8).

Kopš enerģiju daļiņu palielinās, izturību magnētiskā lauka, vēršot tos pieaugumu. Tas pasargā staru tajā pašā trajektorijā. Recekli ieviesta ringā un paātrināta vēlamajā enerģiju, pirms to var izņemt un izmantot izmēģinājumos. Ievilkšana tiek panākts ar elektromagnētu, kas tiek aktivizēti push daļiņas no sinhrotrono gredzenu.

sadursme

Uzlādētu daļiņu paātrinātāji, ko izmanto medicīnā un rūpniecībā, galvenokārt ražot kūli konkrētam nolūkam, piemēram, apstarošanas vai jonu implantācijas. Tas nozīmē, ka daļiņas izmantot tikai vienu reizi. Tas pats paātrinātāju izmanto fundamentālajos pētījumos daudzus gadus. Bet gredzeni tika izstrādāti 1970. gadā, kurā divas sijas cirkulē pretējos virzienos un saduras ap ķēdē. Galvenā priekšrocība šādu sistēmu ir tā, ka frontālā sadursmē enerģiju daļiņu iet tieši uz mijiedarbības enerģiju starp tām. Tas ir pretrunā ar to, kas notiek, kad gaismas konfliktā ar stacionāriem attēliem, šajā gadījumā lielākā daļa enerģijas iet uz samazināšanu mērķa materiāla kustībā, saskaņā ar saglabāšanas impulsu principu.

Dažas mašīnas ar kuras saduras un sijām tiek veidots ar diviem gredzeniem, šķērsojot divās vai vairākās vietās, kurās izplatīta pretējos virzienos, daļiņas un tā paša tipa. Biežāk daļiņu particle-antidaļiņa. Antidaļiņa ir pretēja maksas par saistīto daļiņu. Piemēram, pozitronu, ir pozitīvi uzlādēts, un elektroni - negatīvi. Tas nozīmē, ka lauks, kas paātrina elektronu, tad pozitronu palēnina, kas pārvietojas tajā pašā virzienā. Bet, ja viņš kustas pretējā virzienā, tas paātrinās. Līdzīgi, elektronu pārvietojas pa magnētiskā laukā līknes pa kreisi, un pozitronu - pa labi. Bet, ja pozitronu virzās uz priekšu, tad viņa ceļš turpinās novirzīties pa labi, bet tajā pašā līknes kā ar elektronu. Tomēr tas nozīmē, ka daļiņas var pārvietoties caur gredzena sinhronēto pašiem magnētiem un paātrināt ar tiem pašiem elektrisko lauku pretējos virzienos. Uz šis princips radīja daudz spēcīgu colliders sadursmes sijas, t. Lai. Vienīgais nepieciešama viena zvana paātrinātājs.

Beam ar sinhronu nav nepārtrauktā kustībā un integrēta "pikas". Tie var būt vairāki centimetri garumā un desmitā par milimetru diametrā, un veido aptuveni ^{12 oktobrī} daļiņas. Šis zema blīvuma, jo izmērs šāda materiāla satur apmēram ^{23 October} atomus. Tāpēc, kad sadursmē stari krustojas, ir tikai neliela varbūtība, ka daļiņas reaģēs ar otru. Praksē recekļi turpina pārvietoties pa gredzenu un tiksimies. Augsts vakuums akseleratora uzlādētu daļiņu (V 10 ^-11 mm Hg.), Ir nepieciešama, lai, ka daļiņas var cirkulēt vairākas stundas bez sadursmēm ar gaisa molekulām. Tāpēc gredzenu sauc arī kumulatīvi, jo sijas tajā faktiski uzglabā vairākas stundas.

reģistrācija

Uzlādētu daļiņu paātrinātāji vairākumā var reģistrēt notiek, kad daļiņas hit mērķi vai citu gaismu, virzās pretējā virzienā. Ar televīzijas kineskopa, elektroni no pistoli streikot fosforvarš ekrānu uz iekšējās virsmas, un izstaro gaismu, kas tādējādi atveido pārraidīto attēlu. Jo paātrinātāji šādi specializētie detektori reaģē uz izkaisīti daļiņām, bet tie parasti ir paredzēti, lai radītu elektrisko signālu, kas var pārveidot datora datus un analizēt, izmantojot datorprogrammas. Tikai uzlādēts elementi ražot elektriskos signālus, kas iet caur materiālu, piemēram, jonizācijas vai uzbudinājuma atomiem, un var noteikt tieši. Neitrālie daļiņas, piemēram, neitronu vai fotoniem var noteikt netieši caur uzvedību lādētu daļiņu, ka tie ir kustībā.

Ir daudzi specializētie detektori. Dažas no tām, piemēram, Geigera skaitītāju, daļiņu skaita, un citām vajadzībām, piemēram, attiecībā uz ierakstīšanas sliedēm vai ātruma mērījumiem enerģiju. Mūsdienu detektori izmērs un tehnoloģiju, var atšķirties no maziem Lādiņpārneses ierīcēm lielajiem gāzes pildītas kameras ar vadiem, kas atklāt jonizētus dziesmas, ko ražo lādētu daļiņu.

stāsts

Uzlādētu daļiņu paātrinātāji galvenokārt tiek izstrādāti pētījumi par īpašībām atomu kodolu un elementāro daļiņu. Kopš atklāšanas britu fiziķis Ernests Rutherford 1919.gadā, reakcija slāpekļa kodolu un alfa daļiņu, visi pētījumi jomā kodolfizikas līdz 1932. tika veiktas ar hēlija atomu kodoli, atbrīvo pēc samazinājuma par dabisko radioaktīvo elementu. Dabas alfa daļiņas ir kinētisko enerģiju 8 MeV, bet Rutherford uzskatīja, ka tie ir mākslīgi palielinātas līdz pat augstākas vērtības sabrukšanas smago kodolu uzraudzību. Tolaik likās grūti. Tomēr aprēķini veikti 1928. gadā Georgiem Gamovym (Universitātes Göttingen, Vācija), parādīja, ka joni var izmantot daudz zemākām enerģijām, un tas ir veicinājis mēģinājumus, lai izveidotu mehānismu, kas nodrošina gaismu pietiekami kodolpētījumu.

Citi pasākumi šajā periodā demonstrēja principus, kuru iekasē daļiņu paātrinātāji tiek būvēti līdz šai dienai. Pirmie veiksmīgie eksperimenti ar mākslīgi paātrinātām joniem notika Cockroft un Walton 1932.gadā Kembridžas universitātē. Izmantojot sprieguma koeficientu, protonu ir paātrināta līdz 710 keV, un parādīja, ka tā reaģē ar litiju, veidojot divus alfa daļiņas. Līdz 1931., Princeton University in New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatiskais josta uzcēla pirmo augsta potenciāla ģenerators. Sprieguma reizinātājs Cockcroft-Walton ģeneratori un Van de Graaff ģenerators joprojām tiek izmantots kā enerģijas avotu paātrinātāji.

Par lineārās rezonanses paātrinātāja princips tika pierādīts Rolf Widerøe 1928. Reinas-Vestfālenes Tehniskajā universitātē Āhenē, Vācijā, viņš izmanto augstu maiņstrāvas sprieguma, lai paātrinātu nātrija un kālija joniem enerģiju, kas pārsniedz divas reizes, lai pastāstītu viņiem. 1931 ASV Ernests Lourens un viņa palīgs Deivids Sloan no Kalifornijas universitātes Berklijā, izmanto augstas frekvences laukiem, lai paātrinātu dzīvsudraba jonus enerģiju, kas pārsniedz 1,2 MeV. Šis darbs tiek papildināts paātrinātājs smago lādētu daļiņu Wideröe, bet jonu staru nav lietderīga kodolpētniecības.

Magnētiskās rezonanses paātrinātāju vai ciklotrona, bija iecerēta kā modifikācijas Lawrence Wideröe uzstādīšana. Student Lawrence Livingston pierādījuši ciklotrona principu 1931, padarot jonus ar enerģiju 80 keV. In 1932, Lawrence un Livingston paziņoja paātrinājumu protonu līdz vairāk nekā 1 MeV. Vēlāk 1930, enerģētikas cyclotrons sasniedza aptuveni 25 MeV, un Van de Graaff - apmēram 4 MeV. 1940. gadā Donalds Kerst, piemērojot rūpīgu aprēķinu orbītā uz magnēta struktūra, būvēts Ilinoisas Universitātē, pirmā betatrons, magnētiskās indukcijas elektronu paātrinātājs rezultātus.

Modern Physics: daļiņu paātrinātāji

Pēc Otrā pasaules kara tur bija straujš progress zinātnē paātrināt daļiņas augstiem enerģiju. Tā sākās Edwin McMillan Berkeley un Vladimirs Veksler Maskavā. 1945. gadā, tie abi ir neatkarīgi viens no otra, ir aprakstīta fāzes stabilitātes principu. Šī koncepcija piedāvā līdzekļus, lai saglabātu stabilas orbītas par daļiņu apļveida paātrinātājs, kas noņemts ierobežojumus protonu enerģiju un palīdzēja izveidot magnētiskās rezonanses paātrinātāji (synchrotrons) par elektroniem. Autophasing, īstenošana fāzes stabilitātes principu, tika apstiprināts pēc būvniecības nelielu synchrocyclotron pie Kalifornijas universitātē un sinhronu Anglijā. Drīz pēc tam tika izveidots pirmais protonu lineāro rezonanses paātrinātājs. Šis princips tiek izmantots visās lielākajās protonu synchrotrons būvētas kopš tā laika.

1947. gadā Viljams Hansen, Stenfordas universitātē Kalifornijā, uzbūvēja pirmo elektronu lineāro paātrinātāju pie ceļojošās vilnis, kas izmanto mikroviļņu tehnoloģiju, kas Otrā pasaules kara laikā tika izstrādāta par radariem.

Progress pētījumā bija iespējams, palielinot protonu enerģiju, kas noveda pie būvniecībā arvien lielākiem paātrinātāju. Šī tendence ir augstas ražošanas izmaksas milzīgs magnēts gredzens ir pārtraukta. Lielākais sver aptuveni 40000 tonnas. Metodes enerģiju bez mašīnas lieluma pieaugumu palielinās tika demonstrēti apmēram 1952 Godu Livingstone, Courant un Snyder tehniku un pārmaiņus fokusēšanas (dažreiz sauc spēcīga uzmanību). Synchrotrons strādā uz šo principu, izmanto magnētus 100 reizes mazāks nekā pirms tam. Šāds fokusēšana tiek izmantota visās mūsdienu synchrotrons.

1956.gadā Kerst saprata, ka tad, ja abi daļiņas tiek saglabāti uz nekrustojas orbītām, varat skatīties viņiem saduras. Šīs idejas pieteikums vajadzīgs uzkrāšanos paātrināta starus ciklos, ko sauc kumulatīvi. Šī tehnoloģija ir sasniegusi maksimālo enerģiju mijiedarbības daļiņas.