acceleratori lineari di particelle cariche. Poiché il lavoro acceleratori di particelle. Perché acceleratori di particelle?

L'acceleratore di particelle cariche – un dispositivo in cui un fascio di particelle atomiche o subatomiche elettricamente cariche che viaggiano quasi alla velocità. La base del suo lavoro è necessario aumentare la loro energia da un campo elettrico e cambiare la traiettoria – magnetico.

Quali sono gli acceleratori di particelle?

Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati in vari campi della scienza e dell'industria. Fino ad oggi, in tutto il mondo ci sono più di 30 mila. Per la fisica degli acceleratori di particelle cariche servire come strumento di ricerca di base sulla struttura degli atomi, la natura delle forze nucleari e proprietà nucleari, che non presenti in natura. Questi ultimi comprendono transuranic e altri elementi instabili.

Con il tubo di scarico è diventato possibile determinare la carica specifica. acceleratori di particelle cariche vengono utilizzati anche per la produzione di radioisotopi, in radiografia industriale, radioterapia, per la sterilizzazione di materiali biologici, e in analisi radiocarbonica. Le unità più grandi sono utilizzati per lo studio delle interazioni fondamentali.

La durata delle particelle cariche in quiete rispetto alla acceleratore è inferiore a quella di particelle accelerate a velocità prossime alla velocità della luce. Ciò conferma la relativamente piccola quantità di stazioni di tempo. Ad esempio, al CERN è stato ottenuto un aumento della durata del muone velocità 0,9994c 29 volte.

Questo articolo esamina ciò che è dentro e lavorare acceleratore di particelle, il suo sviluppo, di diversi tipi e caratteristiche diverse.

principi di accelerazione

Indipendentemente da quale tipo di acceleratori di particelle cariche si sa, tutti hanno elementi comuni. In primo luogo, essi devono avere una fonte di elettroni nel caso di un tubo televisivo dell'immagine o elettroni, protoni e le loro antiparticelle, nel caso di impianti più grandi. Inoltre, tutti devono avere campi elettrici per accelerare particelle e campi magnetici per controllare la loro traiettoria. Inoltre, la depressione nel acceleratore di particelle cariche (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Una quantità minima di aria residua, è necessaria per garantire una lunga travi di tempo di vita. Infine, tutti gli impianti devono disporre di mezzi di registrazione, il conteggio e la misurazione delle particelle accelerate.

generazione

Elettroni e protoni, che sono più comunemente utilizzate negli acceleratori, si trovano in tutti i materiali, ma prima devono scegliere loro. Gli elettroni sono tipicamente generati nello stesso modo come nel cinescopio – in un dispositivo che è chiamata una "pistola". È un catodo (elettrodo negativo) nel vuoto, che viene riscaldato ad uno stato in cui gli elettroni cominciano a staccarsi dalle atomi. particelle cariche negativamente sono attratti l'anodo (elettrodo positivo) e passano attraverso l'uscita. La pistola stessa è semplice come l'acceleratore perché gli elettroni si muovono sotto l'influenza di un campo elettrico. La tensione tra il catodo e l'anodo, tipicamente nell'intervallo 50-150 kV.

Oltre a elettroni in tutti i materiali contenuti protoni, ma solo un singolo nucleo protone composta da atomi di idrogeno. Pertanto, la fonte di particelle per acceleratori di protoni è idrogeno gassoso. In questo caso, il gas viene ionizzato e protoni sono situati foro passante. Nelle grandi acceleratori protoni sono spesso formate sotto forma di ioni idrogeno negativi. Essi rappresentano un elettrone supplementare da atomi che sono il prodotto di un'ionizzazione gas biatomico. Poiché gli ioni idrogeno caricati negativamente nelle fasi iniziali del lavoro più facile. Poi passano attraverso un foglio sottile, che li priva di elettroni prima della fase finale di accelerazione.

accelerazione

Poiché il lavoro acceleratori di particelle? Una caratteristica fondamentale di tutti loro è il campo elettrico. L'esempio più semplice – il campo statico uniforme tra i potenziali elettrici positivi e negativi, simile a quella che esiste tra i terminali della batteria elettrica. Questo campo elettrico che trasporta una carica negativa è esposto ad una forza che dirige ad un potenziale positivo. Accelera, e se non v'è nulla che possa ostacolare, il suo aumento di velocità e potenza. Elettroni che si muovono verso il potenziale positivo sul filo o in aria, e collidono con gli atomi perdono energia, ma se si trovano sotto vuoto, poi accelerati quando si avvicinano l'anodo.

Tensione tra la posizione iniziale e finale degli elettroni definisce acquistata loro energia. Quando si sposta attraverso una differenza di potenziale di 1 V è uguale a 1 elettronvolt (eV). Ciò equivale a 1,6 × 10 ^-19 Joule. L'energia di una zanzara che vola trilione di volte di più. In elettroni cinescopio vengono accelerati tensione superiore a 10 kV. Molti acceleratori raggiungono energie molto più alte misurate mega, giga e tera-elettronvolt.

specie

Alcuni dei primi tipi di acceleratori di particelle, come il moltiplicatore di tensione e il generatore generatore Van de Graaff, utilizzando un campo elettrico costante generato dalle potenzialità fino a un milione di volt. Con tali tensioni elevate lavorare facile. Un'alternativa più pratica è l'azione ripetuta di campi elettrici deboli prodotte bassa potenzialità. Questo principio viene utilizzato nei due tipi di acceleratori moderni – lineare e ciclica (principalmente ciclotroni e sincrotroni). acceleratori di particelle lineari, insomma, li esaminate una volta attraverso la sequenza di campi acceleranti, mentre i ciclicamente molte volte si muovono in un percorso circolare attraverso il relativamente piccolo campo elettrico. In entrambi i casi, l'energia finale delle particelle dipende dal campo totale di azione, in modo che molti "pelle" piccoli vengono sommati per ottenere l'effetto combinato di un unico grande.

La struttura ripetitiva di un acceleratore lineare per generare campi elettrici in modo naturale è di usare l'AC, non DC. Le particelle cariche positivamente sono accelerate al potenziale negativo e ottenere un nuovo impulso, se passare positivo. In pratica, la tensione deve essere cambiato molto rapidamente. Ad esempio, ad un'energia di 1 MeV protone si muove a velocità molto elevata è la velocità della luce di 0,46, passando 1,4 m di 0,01 ms. Ciò significa che nella struttura ripetitiva di pochi metri di lunghezza, i campi elettrici devono cambiare direzione con una frequenza di almeno 100 MHz. Lineari e ciclici acceleratori di particelle solito li disperdono con la frequenza di campo elettrico alternato da 100 MHz a 3000, t. E. Nella gamma di onde radio a microonde.

L'onda elettromagnetica è una combinazione di campi elettrici e magnetici oscillanti oscillanti ad angolo retto fra loro. Il punto chiave è quello di regolare l'onda dell'acceleratore in modo che all'arrivo delle particelle del campo elettrico è diretto secondo vettore accelerazione. Questo può essere fatto utilizzando un onda stazionaria – la combinazione di onde viaggianti in direzioni opposte in uno spazio chiuso, le onde sonore in l'organo a canne. Una forma di realizzazione alternativa a elettroni la cui velocità prossime alla velocità della luce, un'onda viaggiante rapido movimento.

autofasatura

Un importante effetto dell'accelerazione in un campo elettrico alternato è un "stabilità di fase". In un campo di oscillazione ciclo alternato passaggio per lo zero dal valore massimo a zero, diminuisce al minimo e sale a zero. Così, passa due volte attraverso il valore richiesto per l'accelerazione. Se una particella la cui velocità aumenta, arriva troppo presto, non funzionerà un campo di forza sufficiente, e la spinta sarà debole. Quando raggiunge l'area successiva, il test in ritardo e un maggiore impatto. Si verifichi un risultato, auto-fasatura, le particelle siano in fase con ogni campo nella regione di accelerazione. Un altro effetto è la raggruppandoli in tempo per formare un coagulo piuttosto che un flusso continuo.

La direzione del fascio

Un ruolo importante nel modo in cui le opere e acceleratore di particelle, il gioco e campi magnetici, in quanto possono cambiare la direzione del loro movimento. Ciò significa che possono essere utilizzati per "bending" del fascio in un percorso circolare, in modo che ripetutamente passare attraverso la stessa sezione di accelerazione. Nel caso più semplice, su una particella carica si muove ad un angolo retto rispetto alla direzione del campo magnetico omogeneo, un vettore di forza perpendicolare sia del suo movimento, e per il campo. Ciò fa sì che il fascio di muoversi in un percorso circolare perpendicolare al campo, fino a farlo uscire dal suo campo di azione o altra forza comincia ad agire su di esso. Questo effetto viene utilizzato in acceleratori ciclici come un sincrotrone e ciclotrone. In un ciclotrone, il campo costante è prodotto da un grande magnete. Particelle con l'aumentare della loro energia che si muove a spirale verso l'esterno accelerati con ogni giro. I coaguli sincrotrone muoversi l'anello con un raggio costante, e il campo generato dagli elettromagneti intorno aumenti anello come le particelle sono accelerate. I magneti forniscono "bending", rappresentano dipoli con poli nord e sud, piegata a forma di ferro di cavallo in modo che il fascio può passare fra di esse.

La seconda importante funzione degli elettromagneti è di focalizzare i fasci in modo che siano così stretti e intensa possibile. La forma più semplice di un magnete di messa a fuoco – con quattro pali (due nord e due a sud) che si trova di fronte all'altro. Spingono le particelle al centro in una direzione, ma permettono loro di essere distribuiti in perpendicolare. magneti quadrupolo focalizzano il fascio orizzontalmente, permettendogli di andare fuori fuoco verticalmente. Per fare questo, essi devono essere utilizzati in coppia. Per una più precisa messa a fuoco sono utilizzati anche magneti più sofisticati con un gran numero di poli (6 e 8).

Poiché l'energia delle particelle aumenta, la forza del campo magnetico, indirizzandoli aumenta. Ciò mantiene il fascio sulla stessa traiettoria. La cagliata viene introdotto nel ring e viene accelerato ad un'energia desiderata prima di poter essere prelevato ed utilizzato in esperimenti. Retrazione viene raggiunto da elettromagneti che vengono attivati per spingere le particelle dall'anello sincrotrone.

collisione

acceleratori di particelle cariche utilizzati in medicina e nell'industria, producono principalmente una trave per uno scopo particolare, per esempio, irradiazione o impiantazione ionica. Ciò significa che le particelle utilizzate una volta. Lo stesso valeva per gli acceleratori utilizzati nella ricerca di base per molti anni. Ma gli anelli sono stati sviluppati nel 1970, in cui due fasci circolanti in direzioni opposte e si scontrano intorno al circuito. Il vantaggio principale di tali sistemi è che in un'energia di collisione frontale particelle va direttamente l'energia di interazione tra di loro. Ciò contrasta con ciò che accade quando il fascio collide con immagini fisse, nel qual caso la maggior parte dell'energia va alla riduzione del materiale bersaglio in movimento, secondo il principio di conservazione della quantità di moto.

Alcune macchine con fasci collidenti sono costruiti con due anelli, intersecano in due o più punti, in cui circolano in direzioni opposte, le particelle dello stesso tipo. Più comune acceleratore di particelle-antiparticella. Antiparticella ha la carica opposta delle particelle associate. Ad esempio, il positrone, è caricato positivamente, ed elettroni – negativamente. Ciò significa che un campo che accelera l'elettrone, il positrone rallenta, muovendosi nella stessa direzione. Ma se quest'ultimo si muove nella direzione opposta, si accelerano. Analogamente, un elettrone si muove attraverso una curva campo magnetico volontà verso sinistra, e il positrone – destra. Ma se il positrone si sta muovendo in avanti, poi il suo percorso continuerà a deviare verso destra, ma sulla stessa curva come quella dell'elettrone. Tuttavia, questo significa che le particelle possono muoversi attraverso l'anello di sincrotrone stessi magneti e accelerata dagli stessi campi elettrici in direzioni opposte. Su questo principio ha creato molti collider potenti si scontrano fasci, t. Per. L'richiede solo un acceleratore anello.

Trave nel sincrotrone non si muove continuamente e integrato nel "grumi". Possono essere diversi centimetri di lunghezza e un decimo di un millimetro di diametro, e comprendono circa ¹² particelle ^ottobre. Questa bassa densità, perché la dimensione di tale materiale contiene circa 10 ²³ atomi. Pertanto, quando un fasci collidenti intersecano, c'è solo una piccola probabilità che le particelle reagiscono con l'altro. In pratica coaguli continuano a muoversi intorno al ring e incontrare di nuovo. Alto vuoto nel acceleratore di particelle cariche (10 ^-11 mm Hg. V.) è necessaria affinché le particelle possono circolare per molte ore senza collisioni con molecole d'aria. Pertanto, l'anello è chiamato anche cumulativo, perché travi effettivamente ivi memorizzati per diverse ore.

registrazione

acceleratori di particelle cariche in maggioranza possono registrare verifica quando le particelle colpiscono il bersaglio o altri fasci, muovendosi nella direzione opposta. In un tubo di immagini televisive, elettroni dalla pistola di colpire lo schermo al fosforo sulla superficie interna ed emettono luce, che ricrea così l'immagine trasmessa. In acceleratori tali rivelatori specializzati reagiscono alle particelle disperse, ma sono generalmente progettati per creare segnali elettrici che possono essere convertiti in dati informatici e analizzati utilizzando programmi informatici. Solo pagano elementi generano segnali elettrici che passano attraverso il materiale, ad esempio mediante ionizzazione o eccitazione di atomi, e possono essere rilevati direttamente. Le particelle neutre come neutroni o fotoni possono essere rilevati indirettamente attraverso il comportamento delle particelle cariche che sono in movimento.

Ci sono molti rilevatori specializzati. Alcuni di loro, come ad esempio un contatore Geiger, un conteggio di particelle, e altri usi, ad esempio, per le tracce di registrazione o misura della velocità di energia. rivelatori moderni in dimensioni e tecnologia, può variare da piccoli dispositivi ad accoppiamento di carica alle grandi camere a gas-riempita con fili che rilevano tracce ionizzate prodotti da particelle cariche.

storia

acceleratori di particelle cariche sviluppato principalmente per studi sulle proprietà dei nuclei atomici e delle particelle elementari. Dal momento che l'apertura del fisico britannico Ernest Rutherford nel 1919, la reazione del nucleo di azoto e una particella alfa, tutte le ricerche nel campo della fisica nucleare al 1932 sono state effettuate con nuclei di elio, rilasciato dal decadimento di elementi radioattivi naturali. Naturali particelle alfa hanno un'energia cinetica di 8 MeV, ma Rutherford credevano che devono essere artificialmente accelerato valori ancora più elevati per monitorare il decadimento di nuclei pesanti. A quel tempo sembrava difficile. Tuttavia, il calcolo effettuato nel 1928 da Georgiem Gamovym (presso l'Università di Göttingen, Germania), ha mostrato che gli ioni possono essere utilizzati ad energie molto più basse, e questo ha stimolato tentativi di costruire una struttura che fornisce un fascio sufficienti per la ricerca nucleare.

Altri eventi di questo periodo hanno dimostrato i principi con cui gli acceleratori di particelle cariche sono costruiti fino ad oggi. I primi esperimenti di successo con gli ioni accelerati artificialmente sono svolte Cockroft e Walton nel 1932 presso l'Università di Cambridge. Utilizzando un moltiplicatore di tensione, protoni sono accelerati a 710 keV, e ha dimostrato che questi reagiscono con litio per formare due particelle alfa. Nel 1931, alla Princeton University nel New Jersey, Robert Van de Graaff cinghia elettrostatica costruito il primo generatore ad alta potenzialità. moltiplicatore di tensione generatori Cockcroft-Walton e generatore Van de Graaff sono ancora utilizzati come fonti di energia per acceleratori.

Il principio di acceleratore lineare risonante è stata dimostrata Rolf Widerøe nel 1928. La Reno-Westfalia Technical University a Acquisgrana, Germania, ha usato una tensione alternata elevata per accelerare gli ioni sodio e potassio, per energie in eccesso di due volte a dire loro. Nel 1931 negli Stati Uniti Ernest Lourens e il suo assistente David Sloan della University of California, Berkeley, utilizzato i campi ad alta frequenza per accelerare gli ioni di mercurio ad energie superiori a 1,2 MeV. Questo lavoro è completato acceleratore di particelle cariche pesanti Wideröe, ma i fasci di ioni non sono utili nella ricerca nucleare.

acceleratore risonanza magnetica o ciclotrone, è stato concepito come modifica di installazione Lawrence Wideröe. Student Lawrence Livingston dimostrato il principio del ciclotrone nel 1931, rendendo gli ioni con un'energia di 80 keV. Nel 1932, Lawrence e Livingston annunciato l'accelerazione di protoni fino a più di 1 MeV. Più tardi, nel 1930, ciclotroni di energia hanno raggiunto circa 25 MeV, e la Van de Graaff – circa 4 MeV. Nel 1940, Donald Kerst, applicando i risultati di accurati calcoli dell'orbita alla struttura del magnete, costruito presso l'University of Illinois, la prima betatron, acceleratore di elettroni induzione magnetica.

fisica moderna: gli acceleratori di particelle

Dopo la seconda guerra mondiale ci fu un rapido progresso nella scienza di accelerare particelle ad alte energie. E 'iniziato Edwin McMillan a Berkeley e Vladimir Veksler a Mosca. Nel 1945, entrambi sono indipendentemente l'uno dall'altro hanno descritto il principio di stabilità di fase. Questo concetto offre un mezzo per mantenere le orbite stabili delle particelle in un acceleratore circolare che ha rimosso le restrizioni alla energia protone e contribuito a creare un magnetici acceleratori risonanza (sincrotroni) per gli elettroni. Autofasatura, l'attuazione del principio della stabilità di fase, è stato confermato dopo la costruzione di un piccolo sincrociclotrone presso l'Università della California e il sincrotrone in Inghilterra. Poco dopo, è stato creato l'acceleratore di risonanza prima di protoni lineare. Questo principio è usato in tutti i principali Proton Synchrotron costruite da allora.

Nel 1947, William Hansen, presso la Stanford University in California, costruì il primo acceleratore lineare di elettroni a onde progressive, che ha utilizzato la tecnologia a microonde che è stato sviluppato per il radar durante la Seconda Guerra Mondiale.

Progressi nello studio è stato reso possibile aumentando l'energia protone, che ha portato alla costruzione di acceleratori sempre più grandi. Questa tendenza è di alto costo di produzione enorme anello magnete è stato arrestato. Il più grande pesa circa 40.000 tonnellate. Metodi per aumentare l'energia senza crescita dimensionale macchina sono stati esaminati in circa 1952 godu Livingstone, Courant e Snyder una tecnica di focalizzazione alternata (talvolta chiamati forte focalizzazione). Sincrotroni che lavorano su questo principio, utilizzano magneti 100 volte più piccolo di prima. messa a fuoco quali è utilizzato in tutti i sincrotroni moderni.

Nel 1956 Kerst rese conto che se i due insiemi di particelle vengono trattenute su orbite si intersecano, è possibile vederli si scontrano. L'applicazione di questa idea necessaria travi accumulo accelerato in cicli, chiamato cumulativo. Questa tecnologia ha raggiunto un'energia massima delle particelle di interazione.