Лінійні прискорювачі заряджених частинок. Як працюють прискорювачі заряджених частинок. Навіщо потрібні прискорювачі заряджених частинок?
Прискорювач заряджених частинок - це пристрій, в якому створюється пучок електрично заряджених атомних або субатомних частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою. В основу його роботи покладено збільшення їх енергії електричним полем і зміна траєкторії - магнітним.
Для чого потрібні прискорювачі заряджених частинок?
Дані пристрої знайшли широке застосування в різних областях науки і промисловості. На сьогоднішній день у всьому світі їх налічується понад 30 тисяч. Для фізика прискорювачі заряджених частинок служать інструментом фундаментальних досліджень структури атомів, характеру ядерних сил, а також властивостей ядер, які в природі не зустрічаються. До останніх відносяться трансуранові та інші нестійкі елементи.
За допомогою розрядної трубки стало можливим визначення питомої заряду. Прискорювачі заряджених частинок також використовуються для виробництва радіоізотопів, в промислової радіографії, променевої терапії, для стерилізації біологічних матеріалів, а також в радіовуглецевому аналізі. Найбільші установки застосовуються в дослідженнях фундаментальних взаємодій.
Час життя заряджених частинок, що лежать щодо прискорювача, менше, ніж у частинок, розігнаних до швидкостей, близьких до швидкості світла. Це підтверджує відносність проміжків часу СТО. Наприклад, в ЦЕРН було досягнуто збільшення часу життя мюонів на швидкості 0,9994c в 29 разів.
У даній статті розглядається те, як влаштований і працює прискорювач заряджених частинок, його розвиток, різні типи та відмінні риси.
Відео: Електродинаміка | прискорювачі часток | циклотрон
принципи прискорення
Незалежно від того, які прискорювачі заряджених частинок вам відомі, всі вони володіють загальними елементами. По-перше, всі вони повинні мати джерело електронів в разі телевізійного кінескопа або електронів, протонів і їх античастинок в разі більших установок. Крім того, всі вони повинні мати електричні поля для прискорення частинок і магнітні поля для управління їх траєкторією. Крім того, вакуум в прискорювачі заряджених частинок (10-11 мм рт. ст.), т. е. мінімальна кількість залишкового повітря, необхідний для забезпечення тривалого часу життя пучків. І, нарешті, все установки повинні мати засоби реєстрації, підрахунку і вимірювання прискорених частинок.
генерація
Електрони і протони, які найбільш часто використовуються в прискорювачах, зустрічаються у всіх матеріалах, але спершу їх потрібно з них виділити. Електрони, як правило, генеруються точно так же, як в кінескопі - в пристрої, який називається «гарматою». Вона являє собою катод (негативний електрод) в вакуумі, який нагрівається до стану, коли електрони починають відриватися від атомів. Негативно заряджені частинки притягуються до анода (позитивного електрода) і проходять через випускний отвір. Сама гармата також є найпростішим прискорювачем, тому що електрони рухаються під дією електричного поля. Напруга між катодом і анодом, як правило, знаходиться в межах 50-150 кВ.
Крім електронів, у всіх матеріалах містяться протони, але з одиночних протонів складаються лише ядра атомів водню. Тому джерелом частинок для прискорювачів протонів є газоподібний водень. У цьому випадку газ іонізується і протони виходять через отвір. У великих прискорювачах протони часто утворюються у вигляді негативних іонів водню. Вони являють собою атоми з додатковим електроном, які є продуктом іонізації двоатомних газу. З негативно зарядженими іонами водню на початкових етапах працювати легше. Потім їх пропускають через тонку фольгу, яка позбавляє їх електронів перед фінальною стадією прискорення.
розгін
Як працюють прискорювачі заряджених частинок? Ключовою особливістю будь-якого з них є електричне поле. Найпростіший приклад - рівномірний статичне поле між позитивними і негативним електричними потенціалами, подібне до того, яке існує між висновками електричної батареї. В такому полі електрон, що несе негативний заряд, схильний до дії сили, яка спрямовує його до позитивного потенціалу. Вона прискорює його, і, якщо немає нічого, що б цьому перешкоджало, його швидкість і енергія зростають. Електрони, що рухаються в бік позитивного потенціалу по дроту або навіть в повітрі, стикаються з атомами і втрачають енергію, але якщо вони знаходяться у вакуумі, то прискорюються в міру наближення до анода.
Напруга між початковим і кінцевим положенням електрона визначає яку придбав енергію. При русі через різницю потенціалів в 1 В вона дорівнює 1 електрон-вольт (еВ). Це еквівалентно 1,6 10-19 джоуля. Енергія летить комара в трильйон разів більше. У кінескопа електрони розганяються напругою понад 10 кВ. Багато прискорювачі досягають набагато вищих енергій, вимірюваних мега-, гіга- і тераелектрон-вольтами.
різновиди
Деякі самі ранні види прискорювачів заряджених частинок, такі як помножувач напруги і генератор Ван-де-Грааф, використовували постійні електричні поля, створювані потенціалами до мільйона вольт. З такими високими напругами працювати нелегко. Більш практичною альтернативою є повторювана дія слабких електричних полів, створюваних низькими потенціалами. Це принцип використовується в двох типах сучасних прискорювачів - лінійних і циклічних (головним чином в циклотронах і синхротронах). Лінійні прискорювачі заряджених частинок, коротко кажучи, пропускають їх один раз через послідовність прискорюють полів, в той час як в циклічному вони багаторазово рухаються по круговій траєкторії через відносно невеликі електричні поля. В обох випадках кінцева енергія частинок залежить від сумарного дії полів, так що багато малих «поштовхи» складаються разом, щоб дати сукупний ефект одного великого.
Відео: Прискорювачі частинок
Повторюваний структура лінійного прискорювача для створення електричних полів природним чином передбачає використання змінного, а не постійної напруги. Позитивно заряджені частинки прискорюються до негативного потенціалу і отримують новий поштовх, якщо проходять повз позитивного. На практиці напруга повинна змінюватися дуже швидко. Наприклад, при енергії 1 МеВ протон рухається на дуже високих швидкостях, що становлять 0,46 швидкості світла, проходячи 1,4 м за 0,01 мс. Це означає, що в повторюваної структурі довжиною в кілька метрів, електричні поля повинні змінювати напрямок з частотою, щонайменше, 100 МГц. Лінійні і циклічні прискорювачі заряджених частинок, як правило, розганяють їх за допомогою змінних електричних полів частотою від 100 до 3000 МГц, т. Е. В межах від радіохвиль до мікрохвиль.
Електромагнітна хвиля є комбінацією змінних електричних і магнітних полів, тих, хто вагається перпендикулярно один до одного. Ключовим моментом прискорювача є настройка хвилі таким чином, щоб при прибутті частки електричне поле було направлено відповідно до вектором прискорення. Це може бути зроблено за допомогою стоячій хвилі - комбінації хвиль, що рухаються в протилежних напрямках в замкнутому просторі, як звукові хвилі в органної трубі. Альтернативним варіантом для дуже швидко переміщаються електронів, швидкість яких наближається до швидкості світла, є хвиля, що біжить.
автофазіровкой
Важливим ефектом при прискоренні в змінному електричному полі є «автофазіровкой». В одному циклі коливання змінне поле проходить від нуля через максимальне значення знову до нуля, падає до мінімуму і піднімається до нуля. Таким чином, воно двічі проходить через значення, необхідне для прискорення. Якщо частка, швидкість якої зростає, прибуває занадто рано, то на неї не буде діяти поле достатньої сили, і поштовх буде слабким. Коли вона досягне наступної ділянки, то запізниться і випробує більш сильну дію. В результаті відбудеться автофазіровкой, частинки будуть перебувати у фазі з полем в кожної прискорює області. Іншим ефектом буде їх угруповання в часі з утворенням згустків, а не безперервного потоку.
напрямок пучка
Важливу роль в тому, як влаштований і працює прискорювач заряджених частинок, грають і магнітні поля, так як вони можуть змінювати напрямок їх руху. Це означає, що їх можна використовувати для «згинання» пучків по круговій траєкторії, щоб вони кілька разів проходили через один і той же прискорює ділянку. У найпростішому випадку на заряджену частинку, яка рухається під прямим кутом до напрямку однорідного магнітного поля, діє сила, перпендикулярна як до вектору її переміщення, так і до поля. Це змушує пучок рухатися по круговій траєкторії перпендикулярної полю, поки він не вийде з області її дії або інша сила не почне діяти на нього. Цей ефект використовується в циклічних прискорювачах, таких як циклотрон і синхротрон. У циклотроні постійне поле створюється великим магнітом. Частинки в міру зростання їх енергії рухаються по спіралі назовні, прискорюючись з кожним оборотом. У синхротроні згустки переміщаються по кільцю з постійним радіусом, а поле, створюване електромагнітами навколо кільця, збільшується, оскільки частинки прискорюються. Магніти, які забезпечують «вигин», являють собою диполі з північним і південним полюсами, зігнутими у вигляді підкови таким чином, що пучок може проходити між ними.
Другою важливою функцією електромагнітів є концентрація пучків, щоб вони були настільки вузькими і інтенсивними, наскільки це можливо. Найпростіша форма фокусирующего магніту - з чотирма полюсами (двома північними і двома південними), розташованими один навпроти одного. Вони штовхають частки до центру в одному напрямку, але дозволяють їм поширюватися в перпендикулярному. Квадрупольні магніти фокусують промінь по горизонталі, дозволяючи йому вийти з фокуса вертикально. Для цього вони повинні використовуватися попарно. Для більш точного фокусування також використовуються більш складні магніти з великим числом полюсів (6 і 8).
Оскільки енергія частинок зростає, сила магнітного поля, спрямовує їх, збільшується. Це утримує пучок на одній траєкторії. Згусток вводять в кільце і прискорюють до необхідної енергії, перш ніж він буде виведений і використаний в експериментах. Відведення досягається за рахунок електромагнітів, які включаються, щоб виштовхнути частки з синхротронного кільця.
зіткнення
Прискорювачі заряджених частинок, що використовуються в медицині і промисловості, в основному виробляють пучок для конкретної мети, наприклад, для променевої терапії або імплантації іонів. Це означає, що частинки використовуються один раз. Протягом багатьох років те ж саме було вірно для прискорювачів, що застосовуються в фундаментальних дослідженнях. Але в 1970 роках були розроблені кільця, в яких два пучка циркулюють в протилежних напрямках і стикаються по всьому контуру. Основною перевагою таких установок є те, що при лобовому зіткненні енергія частинок переходить безпосередньо в енергію взаємодії між ними. Це контрастує з тим, що відбувається, коли пучок стикається з спочиваючим матеріалом: в цьому випадку велика частина енергії йде на приведення матеріалу мішені в рух, відповідно до принципу збереження імпульсу.
Деякі машини із зустрічними пучками побудовані з двома кільцями, що перетинаються в двох і більше місцях, в яких в протилежних напрямках циркулювали частки одного типу. Більш поширені колайдери з частинками та античастинками. Античастинка має протилежний заряд пов`язаної з нею частки. Наприклад, позитрон заряджений позитивно, а електрон - негативно. Це означає, що поле, яке прискорює електрон, уповільнює позитрон, що рухається в тому ж напрямку. Але якщо останній переміщається в протилежну сторону, він прискориться. Аналогічно електрон, що рухається через магнітне поле, буде згинатися наліво, а позитрон - вправо. Але якщо позитрон переміщається назустріч, то його шлях буде як і раніше відхилятися вправо, але по тій же кривій, що і електрон. Разом це означає, що дані частки можуть рухатися по кільцю синхротрона завдяки одним і тим же подалі від магнітів і прискорюватися одними і тими ж електричними полями в протилежних напрямках. За цим принципом створено багато найпотужніші колайдери на зустрічних пучках, т. К. Потрібно тільки одне кільце прискорювача.
Луч в синхротроні НЕ рухається безперервно, а об`єднаний в «згустки». Вони можуть мати кілька сантиметрів в довжину і десяту частку міліметра в діаметрі, і містять близько 1012 частинок. Це невелика щільність, оскільки в речовині подібних розмірів міститься близько 1023 атомів. Тому, коли пучки перетинаються із зустрічними, існує лише невелика ймовірність того, що частинки будуть взаємодіяти один з одним. На практиці згустки продовжують рух по кільцю і зустрічаються знову. Глибокий вакуум в прискорювачі заряджених частинок (10-11 мм рт. ст.) необхідний для того, щоб частинки могли циркулювати протягом багатьох годин без зіткнення з молекулами повітря. Тому кільця ще називають накопичувальними, оскільки пучки фактично зберігаються в них протягом декількох годин.
Реєстрація
Прискорювачі заряджених частинок в більшості своїй можуть реєструвати те, що відбувається при попаданні частинок в мішень або в інший пучок, що рухається в протилежному напрямку. У телевізійному кінескопа електрони з гармати б`ють у люмінофор на внутрішній поверхні екрану і випромінюють світло, який, таким чином, відтворює передане зображення. У прискорювачах подібні спеціалізовані детектори реагують на розсіяні частинки, але вони зазвичай призначені для створення електричних сигналів, які можуть бути перетворені в комп`ютерні дані і проаналізовані за допомогою комп`ютерних програм. Тільки заряджені елементи створюють електричні сигнали, проходячи через матеріал, наприклад, шляхом порушення або іонізації атомів, і можуть бути виявлені безпосередньо. Нейтральні частинки, такі як нейтрони або фотони, можна реєструвати опосередковано через поведінку заряджених частинок, які наводяться ними в рух.
Відео: Електродинаміка | прискорювачі часток | синхротрони, ФАЗОТРОН і синхрофазотрон
Існує безліч спеціалізованих детекторів. Деякі з них, такі як лічильник Гейгера, просто підраховують частки, а інші використовуються, наприклад, для запису треків, вимірювання швидкості або кількості енергії. Сучасні детектори за розміром і технології варіюють від невеликих пристроїв із зарядним зв`язком до великих заповнених газом камер з проводами, які реєструють іонізовані сліди, створювані зарядженими частинками.
Історія
Прискорювачі заряджених частинок в основному розроблялися для досліджень властивостей атомних ядер і елементарних частинок. Починаючи з відкриття британського фізика Ернеста Резерфорда в 1919 році реакції ядра азоту і альфа-частинки, все дослідження в області ядерної фізики до 1932 року проводилися з ядрами гелію, випущеними в результаті розпаду природних радіоактивних елементів. Природні альфа-частинки мають кінетичну енергію 8 МеВ, але Резерфорд вважав, що для спостереження розпаду важких ядер необхідно їх штучно прискорити до ще більших значень. У той час це уявлялося складним. Однак розрахунок, зроблений в 1928 році Георгієм Гамовим (В університеті Геттінгена, Німеччина), показав, що можуть бути використані іони зі значно меншими енергіями, і це стимулювало спроби побудувати установку, яка забезпечувала пучок, достатній для ядерних досліджень.
Інші події цього періоду продемонстрували принципи, за якими прискорювачі заряджених частинок будуються і донині. Перші успішні експерименти з штучно прискореними іонами були проведені Кокрофт і Уолтоном в 1932 році в Кембріджському університеті. використовуючи помножувач напруги, вони прискорили протони до 710 кеВ і показали, що останні реагують з ядром літію з утворенням двох альфа-частинок. До 1931 року в Прінстонському університеті в Нью-Джерсі Роберт Ван-де-Грааф побудував перший пасової електростатичний генератор високого потенціалу. Умножители напруги Кокрофта-Уолтона і генератори Ван-де-Грааф як і раніше використовуються в якості джерел енергії для прискорювачів.
Принцип лінійного резонансного прискорювача був продемонстрований Рольфом Відерое в 1928 р Рейн-Вестфальському технічному університеті в Аахені, Німеччина, він використовував висока змінна напруга для прискорення іонів натрію і калію до енергій, в два рази перевищують повідомляються їм. У 1931 році в Сполучених Штатах Ернест Лоуренс і його помічник Девід Слоун з Університету Каліфорнії, Берклі, використовували високочастотні поля для прискорення іонів ртуті до енергій, що перевищують 1,2 МеВ. Ця робота доповнила прискорювач важких заряджених частинок Відерое, але іонні пучки не стали в нагоді в ядерних дослідженнях.
Магнітний резонансний прискорювач, або циклотрон, був задуманий Лоуренсом як модифікація установки Відерое. Студент Лоренса Лівінгстон продемонстрував принцип циклотрона в 1931 році, провівши іони з енергією в 80 кеВ. У 1932 році Лоуренс і Лівінгстон оголосили про прискорення протонів до більш 1 МеВ. Пізніше в 1930-і роки енергія циклотронів досягла близько 25 МеВ, а генераторів Ван-де-Грааф - близько 4 МеВ. У 1940 році Дональд Керст, застосовуючи результати ретельних розрахунків орбіти до конструкції магнітів, побудував в Університеті штату Іллінойс перший бетатрон, магнітно-індукційний прискорювач електронів.
Сучасна фізика: прискорювачі заряджених частинок
Після Другої світової війни в науці прискорення частинок до високих енергій стався швидкий прогрес. Його почав Едвін Макміллан в Берклі і Володимир Векслер в Москві. У 1945 році вони обидва незалежно один від одного описали принцип фазової стабільності. Ця концепція пропонує засоби підтримки стабільних орбіт часток в циклічному прискорювачі, що зняло обмеження на енергію протонів і дозволило створити магнітно-резонансні прискорювачі (синхротрони) для електронів. Автофазіровкой, реалізація принципу фазової стабільності, була підтверджена після побудови невеликого синхроциклотрон в Університеті Каліфорнії і синхротрона в Англії. Незабаром після цього був створений перший протонний лінійний резонансний прискорювач. Цей принцип використовується у всіх великих протонних синхротронах, побудованих з тих пір.
У 1947 році Вільям Хансен, в Стенфордському університеті в Каліфорнії побудував перший лінійний прискорювач електронів на біжучому хвилі, котрий використовував технологію СВЧ, яка була розроблена для радарів під час Другої світової війни.
Прогрес в дослідженнях став можливим за рахунок підвищення енергії протонів, що призвело до побудови все більших прискорювачів. Ця тенденція була зупинена високою вартістю виготовлення величезних магнітів кільця. Найбільший важить близько 40000 тонн. Способи збільшення енергії без збільшення обсягів машин були про демонстрували в 1952 році Лівінгстон, Курантом і Снайдером в техніці знакозмінного фокусування (іноді званої сильним фокусуванням). Синхротрони, що працюють на цьому принципі, використовують магніти в 100 разів меншого розміру, ніж до цього. Така фокусування застосовується у всіх сучасних синхротронах.
У 1956 Керст зрозумів, що якщо два набору частинок утримувати на пересічних орбітах, то можна спостерігати їх зіткнення. Застосування цієї ідеї вимагало накопичення прискорених пучків в циклах, званих накопичувальними. Ця технологія дозволила досягти максимальної енергії взаємодії частинок.
