Strekkende accelerators fan laden dieltsjes. As dieltsje accelerators wurk. Wêrom particle accelerators?

It accelerator fan laden dieltsjes - in apparaat dêr't in beam fan elektrysk laden atoomkearn of subatomêre dieltsjes reizgje op hast de snelheid. De basis fan syn wurk is nedich stiging harren enerzjy troch in elektrysk fjild en feroarje it trajekt - magnetic.

Wat binne particle accelerators?

Dizze apparaten binne in soad brûkt yn ferskate fjilden fan wittenskip en yndustry. Oant datum, wrâldwiid binne der mear as 30 tûzen. Foar de fysika fan belêste dieltsje accelerators tsjinje as in ynstrumint fan basale ûndersyk op 'e opbou fan atomen, de aard fan atoomkrêften en nukleêre eigenskippen, dy't net foarkomme fansels. Dy lêsten binne ûnder oare transuranic en oare ynstabile eleminten.

Mei de ôffier buis hat wurden mooglik om te bepalen de spesifike lading. Belêste dieltsje accelerators wurde ek brûkt foar de produksje fan radioisotopes, yn yndustrieel radiography, radiotherapy, foar sterilisaasje fan biologyske materialen, en yn radiocarbon analyse. De grutste ienheden wurde brûkt yn de stúdzje fan fundamentele ynteraksjes.

It libben fan de laden dieltsjes by rêst mei respekt foar de accelerator is lytser as dy fan dieltsjes fersneld nei faasjes ticht by de snelheid fan it ljocht. Dat befêstiget de relatyf lytse hoeveelheid tiid stasjons. Bygelyks, at CERN is berikt in groei fan it libben fan 'e muon 0,9994c snelheid 29 kear.

Dit artikel sjocht wat der binnen en wurkje dieltsje accelerator, har ûntwikkeling, ferskillende soarten en ferskillende funksjes.

fersnelling útgongspunten

Likefolle hokker soarte fan belêste dieltsje accelerators jo witte, se allegear hawwe mienskiplike eleminten. Earst, se moatte in boarne fan elektroanen yn it gefal fan in televyzje foto buis of elektroanen, protoanen en harren antiparticles yn it gefal fan gruttere ynstallaasjes. Fierder, se moatte allegearre hawwe elektryske fjilden te verhaasten dieltsjes en magnetyske fjilden om te kontrolearjen harren baan. Boppedat, it fakuüm yn de belêste dieltsje accelerator (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. In minimale kwantiteit fan wat immen noch lucht, is nedich om derfoar te soargjen in lange libben tiid balken. Ta beslút, al de ynstallaasjes moatte registraasje betsjut, it tellen en it mjitten fan 'e versnelde dieltsjes.

generaasje

Elektroanen en protoanen, dy't meast brûkt yn accelerators, binne te finen yn alle materialen, mar earst moatte se selektearjen fan harren. Elektroanen typysk wurde generearre op deselde wize as yn 'e foto buis - yn in apparaat dat hjit in "gun". It is in cathode (negative elektrodes) yn it fakuüm, dat is opwaarme ta in steat dêr't elektroanen begjinne te komme út de atomen. Negatyf laden dieltsjes wurde oanlutsen ta de anode (positive elektrodes) en troch it outlet. De gun sels is simpelste as accelerator omdat de elektroanen binne bewegende ûnder de ynfloed fan in elektrysk fjild. De spanning tusken de cathode en anode, typysk yn it berik 50-150 kV.

Utsein elektroanen yn alle materialen befette protoanen, mar allinnich ien proton kearn gearstald út wetterstof atomen. Dêrom, it dieltsje boarne foar proton accelerators is hydrogen gas. Yn dit gefal, it gas wurdt ionized en de protoanen lizze fia gat. Yn grutte accelerators protoanen wurde faak foarme yn 'e foarm fan negative wetterstof ioanen. Sy fertsjintwurdigje in ekstra elektron út atomen dy't binne it produkt fan in faker gas Ionisaasje. Sûnt de negatyf laden hydrogen ioanen yn 'e earste fazen fan it wurk makliker. En se troch in tinne folie, dy't deprives se fan elektroanen foardat it lêste stadium fan de fersnelling.

fersnelling

As dieltsje accelerators wurk? In wichtige eigenskip fan allegearre is it elektrysk fjild. De ienfâldichste foarbyld - it unifoarm statyske fjild tusken de positive en negative elektryske potinsjes, fergelykber mei dat wat bestiet tusken de terminals fan de elektryske batterij. Dit elektron fjild útfieren in negative lading is bleatsteld oan in krêft dy't de regy op it ta in positive potinsjeel. It versnelt it, en as der wat, dat soe stean yn 'e wei, syn snelheid en macht ferheging. De elektroanen beweging yn 'e rjochting fan' e positive potinsje op 'e tried of yn' e loft, en gearfoegje mei de atomen ferlieze enerzjy, mar as se lizze yn vácuo, doe fersneld as se e buert fan it anode.

Spanning tusken de start en ein posysje fan it elektron bepaalt kocht harren enerzjy. By it ferpleatsen troch in potinsjele ferskil fan 1 V is gelyk oan 1 elektron-volt (eV). Dat komt oerien mei 1,6 × 10 ^-19 joule. De enerzjy fan in fleanende Mosquito trillion kear mear. Yn kinescope elektroanen wurde flugger voltage grutter as 10 kV. In protte accelerators berikke folle hegere techniken mjitten mega, Giga en tera-elektron-volts.

soarten

Guon fan 'e ierste soarten dieltsje accelerators, lykas de spanning multiplier en de generator Van de Graaff generator, mei help fan in konstante elektrysk fjild opwekt troch de potinsjes fan maksimaal in miljoen volts. Mei sokke hege voltages wurkje maklik. In mear praktysk alternatyf is it werhelle aksje fan swak elektryske fjilden produsearre lege potinsjes. Dat prinsipe wurdt brûkt yn de twa soarten fan moderne accelerators - lineêre en Cyclische (benammen cyclotrons en synchrotrons). Rjochtlinige dieltsje accelerators, koartsein, slagge se ien kear troch de opienfolging fan accelerating fjilden, wylst de cyclically protte kearen se bewege yn in sirkelfoarmige paad troch it relatyf lytse elektryske fjild. Yn beide gefallen, de definitive enerzjy fan de dieltsjes hinget ôf fan it totale gebiet fan aksje, sadat in protte lytse "bulten" wurde tafoege byinoar te jaan it kombinearre effekt fan ien grut.

De werheljende struktuer fan in liniearre accelerator te generearjen elektryske fjilden op in natuerlike wize is om de AC, net DC. It posityf laden dieltsjes wurde fersneld oan de negative mooglikheden en krije in nije ympuls, as trochjaan posityf. Yn de praktyk, de spanning moat feroare hiel gau. Bygelyks, op in enerzjy fan 1 MeV proton beweecht op tige hege snelheid is de ljochtsnelheid fan 0,46, foarby 1,4 m fan 0,01 ms. Dat betsjut dat yn 'e Werhelje struktuer fan in pear meter lang, de elektryske fjilden moatte feroarje rjochting op in frekwinsje fan op syn minst 100 MHz. Rjochtlinige en Cyclische accelerators dieltsjes meastentiids disperse se mei de ôfwikseljend elektryske fjild frekwinsje fan 100 MHz oant 3000, t. E. Yn it oanbod fan radio weagen oan microwaves.

De elektromagnetyske golf is in kombinaasje fan Oscillating elektryske en magnetyske fjilden Oscillating leadrjocht nei elkoar. De toets punt is te passen de accelerator wave sadat by de oankomst fan de dieltsjes it elektrysk fjild wurdt regissearre yn oerienstimming mei de fersnellings vector. Dat kin dien wurde troch it brûken fan in steande wave - De kombinaasje fan de weagen oan reizgjen troch tsjinoerstelde rjochtings yn in sletten romte, it lûd weagen yn 'e piipoargel. In alternative útfiering foar hurd bewegende elektroanen waans velocities tichterby de snelheid fan it ljocht, in reizgjend weach.

autophasing

In wichtich effekt fan de fersnelling yn in ôfwikseljend elektryske fjild is in "fase stabiliteit". Yn ien oscillation Cycle alternating fjild giet troch nul út de maksimale wearde werom nei nul, dan ôfnimt ta in minimum en ûntspringt oan nul. Sa, it giet twa kear troch de wearde nedich foar fersnelling. As in dieltsje waans Velocity tanimt, komt te betiid, it sil net wurkje in fjild fan genôch sterkte, en de push sil wêze swak. As it berikt de folgjende gebiet, de test let en mear ynfloed. As gefolch, sels-phasing foardocht, de dieltsjes sil wêze yn faze mei elk fjild yn de accelerating regio. In oar effekt is it groepearjen se op 'e tiid te foarmjen in clot ynstee fan in trochgeande stream.

De rjochting fan de bondel

In wichtige rol yn hoe't de wurken en dieltsje accelerator, spylje en magnetyske fjilden, as se kinne feroarje de rjochting fan harren beweging. Dit betsjut dat se kinne brûkt wurde foar "bûgen" fan de bondel yn in rûne paad, sadat se geregeldwei trochjûn troch deselde accelerating seksje. Yn it simpelste gefal, op in belêste dieltsje beweecht op in rjocht hoeke oan 'e rjochting fan' e homogene magnetysk fjild, in krêft vector heaks op sawol fan syn beweging, en nei it fjild. Dat feroarsaket de bondel te ferpleatsen yn in rûne paad heaks op it fjild, oant it komt út syn wurkterrein of oare krêft begjint te hanneljen derop. Dat effekt wurdt brûkt yn Cyclische accelerators lykas in synchrotron en cyclotron. Yn in cyclotron, de konstante fjild wurdt produsearre troch in grutte magneet. Dieltsjes mei tanimmende fan harren enerzjy Moving spirally nei bûten ta fersneld mei elke revolúsje. De synchrotron clots ferpleatse om de ring mei in konstante striel, en it fjild opwekt troch de electromagnets om 'e ring wurdt grutter as de dieltsjes wurde fersneld. De Magnets providing "bûgen", fertsjintwurdigje dipoles mei noard en súd poalen, bûgd yn in Horseshoe foarm sadat de bondel kin foarby gean therebetween.

De twadde wichtige funksje fan de electromagnets is te rjochtsjen de balken sadat se sa smel en yntinse mooglik. De ienfâldichste foarm fan in rjochte magneet - mei fjouwer peallen (twa noardlike en twa súdlike) leit tsjinoer elkoar. Se triuwe de dieltsjes nei it sintrum yn ien rjochting, mar tastean se wurde ferdield yn de heaks. Quadrupole Magnets fokus de bondel horizontaal, sadat him to gean út fan de fokus fertikaal. Te dwaan dat, se moatte brûkt wurde yn twatallen. Foar in krekter yn te setten wurde ek brûkt mear ferfine magnets mei in grut oantal peallen (6 en 8).

Sûnt de enerzjy fan it dieltsje grutter wurdt, de sterkte fan it magnetysk fjild, regissearje se tanimt. Dat hâldt de beam op deselde baan. De wrongel wurdt yntrodusearre yn 'e ring en wurdt fersneld ta in winske enerzjy foardat it kin ynlutsen wurde en brûkt wurde yn eksperiminten. Retraction wurdt berikt troch electromagnets dy't binne aktivearre te triuwe de dieltsjes út de synchrotron ring.

oanriding

Belêste dieltsje accelerators brûkt yn de genêskunde en yndustry, benammen produsearje in beam foar in bepaald doel, bygelyks, irradiation of ion boucle. Dat betsjut dat de dieltsjes brûkt ien kear. Itselde wie wier fan accelerators brûkt yn basis ûndersyk in protte jierren. Mar de ringen waarden ûntwikkele yn 1970, wêryn twa balken circulating yn tsjinoerstelde rjochtingen en gearfoegje om it sirkwy. It wichtichste foardiel fan sokke systemen is dat yn in frontal botsing enerzjy dieltsjes giet streekrjocht nei de ynteraksje enerzjy tusken harren. Dat is yn kontrast mei wat der bart as de bondel collides mei in stasjonêre foto, yn hokker gefal de measte enerzjy giet ta de ferleging fan de doelgroep materiaal yn beweging, yn neffens it begjinsel fan behâld fan ympuls.

Guon masines mei colliding balken binne boud mei twa ringen, krusende yn twa of mear plakken, wêryn sirkulearren yn tsjinoerstelde rjochtings, de dieltsjes fan itselde type. Faker Collider dieltsje-antiparticle. Antiparticle hat de tsjinoerstelde lading fan de assosjearre dieltsjes. Bygelyks, it positron, wurdt posityf rekken, en elektroanen - negatyf. Dit betsjut dat in fjild dat versnelt it elektron, it positron vertraagt, bewegende yn deselde rjochting. Mar as de lêste beweecht yn 'e tsjinoerstelde rjochting, dan sil verhaasten. Sa ek in elektron beweecht troch in magnetysk fjild wil bocht nei lofts, en it positron - rjochts. Mar as it positron mei faasje nei foaren, dan syn paad sil trochgean te ôfwike nei rjochts, mar op deselde bocht as dy fan it elektron. Lykwols, dit betsjut dat de dieltsjes kinne bewege troch de ring fan 'e synchrotron deselde magnets en fersneld troch de deselde elektryske fjilden yn tsjinoerstelde rjochtings. Op dit prinsipe makke in soad krachtige colliders colliding balken, t. Om. De ienige fereasket ien ring accelerator.

Beam yn 'e synchrotron wurdt net beweecht kontinu en yntegrearre yn "klonten." Se kinne wêze ferskate sintimeter yn lingte en in tsjienden fen in millimeter yn diameter, en teffens likernôch 10 ¹² dieltsjes. Dit lege tichtheid, omdat de grutte fan sa'n materiaal befettet likernôch ^{23 Oktober} atomen. Dêrom, doe't in colliding balken kruse, der is mar in lytse kâns dat de dieltsjes sille reagearje mei elkoar. Yn de praktyk clots fierder te bewegen om 'e ring en moetsje wer. Hege fakuüm yn de accelerator fan laden dieltsjes (10 ^-11 mm Hg. V.) nedich om dat de dieltsjes kinne sirkulearje foar in protte oeren sûnder collisions mei lucht molekulen. Dêrom, de ring wurdt ek neamd kumulatyf, omdat balken feitlik opslein dêryn in pear oeren.

registraasje

Belêste dieltsje accelerators yn 'e mearderheid kin registrearje ûntstiet as de dieltsjes rekke de doelstelling of de oare bondel, beweecht yn' e tsjinoerstelde rjochting. Yn in televyzje foto buis, elektroanen út it gewear to slaen it fosfor skerm op it binnenste oerflak en emit ljocht, dy't dêrmei in nije trochjûn ôfbylding. Yn accelerators sokke spesjalisearre Detectors reagearje nei fersprate dieltsjes, mar se binne meastal bedoeld te meitsjen elektryske synjalen dy't kinne wurde omboud ta kompjûter gegevens en analysearre mei help fan kompjûterprogramma 's. Allinnich rekken eleminten produsearje elektryske sinjalen troch it materiaal, bygelyks troch Ionisaasje of excitation fan atomen, en kin opspoard direkt. De neutrale dieltsjes lykas neutroanen of fotoanen kin opspoard yndirekt troch it gedrach fan laden dieltsjes dy't se yn beweging.

Der binne in soad spesjalisearre Detectors. Guon fan harren, lykas in Geiger counter, in dieltsje greve, en oare brûkt, bygelyks, foar opname tracks of snelheid mjitten fan enerzjy. Moderne Detectors yn omfang en technyk, kin fariearje fan lytse lading keppele apparaten oan grutte gas-fol keamers mei triedden dy't detect ionized nûmers produsearre troch laden dieltsjes.

ferhaal

Belêste dieltsje accelerators foaral ûntwikkele foar stúdzjes fan de eigenskippen fan atomic kearnen en elemintêre dieltsjes. Sûnt de iepening fan it Britske fysikus Ernest Rutherford , yn 1919, de reaksje fan de stikstof kearn en in alpha dieltsje, al it ûndersyk op it mêd fan de nukleêre natuerkunde oant 1932 waarden útfierd mei helium kearnen, útbrocht troch it ferfal fan natuerlike radioaktive eleminten. Natuerlike alfa-dieltsjes hawwe in Kinetic enerzjy fan 8 MeV, mar Rutherford leaude dat se moatte wêze keunstmjittich flugger om noch hegere wearden foar it folgjen fan it ferfal fan 'e swiere kearnen. Yn de tiid dat like dreech. Lykwols, de berekkening makke yn 1928 troch Georgiem Gamovym (oan de Universiteit fan Göttingen, Dútslân), die bliken dat de ioanen kin brûkt wurde op folle legere techniken, en dat hat stimulearre besykjen om te bouwen in foarsjenning dy't biedt in beam genôch foar Nuclear Research.

Oare events fan dizze perioade oantoand de útgongspunten dêr't it belêste particle accelerators wurde boud oant hjoed de dei. De earste súksesfolle eksperiminten mei keunstmjittich fersneld ioanen waarden holden Cockroft en Walton yn 1932 oan Cambridge University. Troch it brûken fan in spanning multiplier, protoanen wurde fersneld oan 710 Kev, en die bliken dat de lêsten reagearje mei lithium te foarmjen twa alpha dieltsjes. Tsjin 1931, oan de Princeton University yn New Jersey, Robert van de Graaff Electrostatic riem boude de earste hege-potinsjele generator. Voltage multiplier Cockcroft-Walton Generators en Van de Graaff generator wurdt noch altyd brûkt as enerzjyboarnen foar accelerators.

It prinsipe fan de strekkende resonânsjefel accelerator waard demonstrearre Rolf Wideroe yn 1928. De Ryn-Westfaalske Technyske Universiteit yn Aken, Dútslân, hy brûkte in hege AC spanning te versnellen de natrium en kalium ioanen oan enerzjy op as dyselden twa kear te fertellen. Yn 1931 yn 'e Feriene Steaten Ernest Lourens en syn assistint David Sloan fan' e Universiteit fan Kalifornje, Berkeley, brûkt it hege frekwinsje fjilden om flugger kwik ioanen oan de enerzjy grutter as 1,2 MeV. Dat wurk wurdt oanfolle accelerator fan swiere laden dieltsjes Wideroe, mar de ion balken binne net brûkber yn nukleêre ûndersyk.

Magnetic resonânsje accelerator of cyclotron, waard opfette as in wiziging fan Lawrence Wideroe ynstallaasje. Student Lawrence Livingston demonstrearre it prinsipe fan 'e cyclotron yn 1931, wêrtroch't de ioanen mei in enerzjy fan 80 Kev. Yn 1932, Lawrence en Livingston kundige de fersnelling fan de protoanen oant mear as 1 MeV. Letter yn 'e jierren 1930, enerzjy cyclotrons berikten sa'n 25 MeV, en it Van de Graaff - likernôch 4 MeV. Yn 1940, Donald Kerst, tapassen fan de resultaten fan soarchfâldich berekkenings fan 'e baan om de magneet struktuer, boud oan de Universiteit fan Illinois, de earste betatron, magnetysk induction elektron accelerator.

Moderne natuerkunde: particle accelerators

Nei de Twadde Wrâldkriich wie der rappe foarútgong yn 'e wittenskip fan accelerating dieltsjes te hege enerzjy. It begûn Edwin McMillan at Berkeley en Vladimir Veksler yn Moskou. Yn 1945, sy binne beide ûnôfhinklik fan inoar hawwe beskreaun it prinsipe fan faze stabiliteit. Dat konsept biedt in middel om te ûnderhâlden de stâl banen fan de dieltsjes yn in rûne accelerator dy't ferwidere beheiningen oangeande it proton enerzjy en holp meitsje in magnetysk resonânsje accelerators (synchrotrons) foar elektroanen. Autophasing, de útfiering fan it prinsipe fan fase stabiliteit, waard befêstige neidat de oanlis fan in lytse synchrocyclotron oan 'e Universiteit fan Kalifornje en de synchrotron yn Ingelân. Koart dêrnei, de earste proton lineêre resonânsjefel accelerator waard makke. Dat prinsipe wurdt brûkt yn alle grutte proton synchrotrons boud sûnt doe.

Yn 1947, Willem Hansen, at Stanford University yn Kalifornje, boude de earste elektron lineêre accelerator by de reizgjende weach, dy't brûkt magnetron technology dy't is ûntwikkele foar radar yn de Twadde Wrâldoarloch.

Foarútgong yn 'e stúdzje waard makke mooglik troch it ferheegjen fan it proton enerzjy, wat late ta de bou fan hieltyd grutter accelerators. Dy trend is fan hege manufacturing kosten grutte magneet ring is stoppe. De grutste waacht om 40.000 ton. Metoaden foar it ferheegjen fan de enerzjy sûnder machine grutte groei waarden fertoand yn likernôch 1952 godu Livingstone, Courant en Snyder in technyk fan alternating klam (soms neamd sterk yn te setten). Synchrotrons wurkje op dit prinsipe, brûke magnets 100 kear lytser as foarhinne. Sok yn te setten wurdt brûkt yn alle moderne synchrotrons.

Yn 1956 Kerst realisearre dat as de twa rigen fan dieltsjes wurde bewarre op krusende banen, kinne jo watch harren gearfoegje. It tapassen fan dit idee fereasket it accumulation fersneld balken yn fytst, neamd kumulatyf. Dit technology hat berikt in maksimum enerzjy fan ynteraksje dieltsjes.