Lineaire versnellers van geladen deeltjes. Zoals deeltjesversnellers werk. Waarom deeltjesversnellers?

De versneller van geladen deeltjes - een inrichting waarbij een bundel van elektrisch geladen atoom of subatomische deeltjes die op bijna de snelheid. De basis van zijn werk is het noodzakelijk verhogen hun energie door een elektrisch veld en verander het traject - magnetisch.

Wat zijn deeltjesversnellers?

Deze apparaten worden op grote schaal gebruikt in verschillende gebieden van de wetenschap en de industrie. Tot op heden zijn er wereldwijd meer dan 30 duizend. Voor de fysica van geladen deeltjesversnellers dienen als een instrument van fundamenteel onderzoek naar de structuur van atomen, de aard van nucleaire wapens en nucleaire eigenschappen, die van nature niet voorkomen. De laatste omvatten transuranic en andere instabiele elementen.

Met de ontladingsbuis mogelijk is geworden om de specifieke lading te bepalen. Geladen deeltjesversnellers worden ook gebruikt voor de productie van radio-isotopen, in industriële radiografie, radiotherapie, voor sterilisatie van biologische materialen, en in radiokoolstof analyse. De grootste aggregaten in de studie van fundamentele interacties.

De levensduur van de geladen deeltjes in rust ten opzichte van het gaspedaal kleiner is dan die van de deeltjes versneld tot snelheden nabij de lichtsnelheid. Dit bevestigt de relatief korte tijd stations. Bijvoorbeeld, bij CERN is bereikt een verhoging van de levensduur van de muon 0,9994c snelheid 29 keer.

Dit artikel gaat in op wat er in zit en werken deeltjesversneller, de ontwikkeling ervan, verschillende soorten en verschillende functies.

acceleratie principes

Ongeacht wat voor soort van geladen deeltjesversnellers weet je, ze hebben allemaal gemeenschappelijke elementen. In de eerste plaats moeten zij een bron van elektronen in het geval van een televisie-beeldbuis of elektronen, protonen en hun antideeltjes in het geval van grotere installaties te hebben. Bovendien moeten ze allemaal elektrische velden deeltjes en magnetische velden te versnellen hun balvluchtcontrole. Bovendien, het vacuüm in de geladen deeltjesversneller (10 ^-11 mm Hg. V.), M.E. Een minimale hoeveelheid restlucht, is nodig om te zorgen voor een lange levensduur balken. Tenslotte moeten alle installaties registratiemiddelen, het tellen en meten van de versnelde deeltjes.

generatie

Elektronen en protonen, die het meest worden gebruikt in versnellers, zijn te vinden in alle materialen, maar eerst moeten ze kiezen van hen. Elektronen worden typisch gevormd op dezelfde wijze als in de beeldbuis - in een inrichting die een "pistool". Het is een kathode (negatieve elektrode) in het vacuüm, dat wordt verwarmd tot een toestand waarin elektronen gaan de atomen spelen. Negatief geladen deeltjes worden aangetrokken door de anode (positieve elektrode) en door de uitlaat. Het wapen zelf eenvoudigste als versneller omdat de elektronen bewegen onder invloed van een elektrisch veld. De spanning tussen de kathode en anode, gewoonlijk in het traject 50-150 kV.

Naast elektronen in alle materialen die protonen, maar slechts één proton kern bestaande uit waterstofatomen. Daarom is de deeltjesbron voor proton versnellers waterstofgas. In dit geval wordt het gas geïoniseerd en de protonen zich doorgaand gat. In grote versnellers protonen worden dikwijls gevormd in de vorm van negatieve waterstofionen. Ze vormen een extra elektron uit atomen, die het product van een twee atomen gas ionisatie zijn. Aangezien de negatief geladen waterstofionen in de beginfase van het werk gemakkelijker. Vervolgens passeert deze door een dunne folie, die hen berooft van elektronen voor de laatste fase van de versnelling.

versnelling

Zoals deeltjesversnellers werk? Een belangrijk kenmerk van alle van hen is het elektrische veld. Het eenvoudigste voorbeeld - het uniforme statische veld tussen de positieve en negatieve elektrische potentiaal, gelijk aan die welke bestaat tussen de klemmen van de elektrische batterij. Dit elektronenveldemissie die een negatieve lading wordt blootgesteld aan een kracht die leidt tot een positieve potentiaal. Het versnelt het, en als er iets is dat in de weg, zijn snelheid en kracht toename zou staan. Elektronen bewegen naar de positieve potentiaal op de draad of de lucht, en botsen met de atomen energie verliezen, maar als ze zich bevinden in vacuo, dan versneld bij het naderen van de anode.

Spanning tussen de begin- en eindstand van het elektron definieert kocht ze energie. Bij bewegen door een potentiaalverschil van 1 V gelijk aan 1 elektronvolt (eV). Dit komt overeen met 1,6 x 10 ^-19 joule. De energie van een vliegende mug biljoen keer meer. In beeldbuis elektronen versneld spanning hoger dan 10 kV. Veel versnellers reiken veel hogere energieën gemeten mega, giga en tera-elektron-volt.

species

Enkele van de vroegste vormen van deeltjesversnellers, zoals de spanning multiplier en de generator Van de Graaff-generator, met behulp van een constant elektrisch veld opgewekt door de mogelijkheden van maximaal een miljoen volt. Met een dergelijke hoge spanningen werkt eenvoudig. Een praktisch alternatief is de herhaalde werking van zwakke elektrische velden die lage spanningen. Dit principe wordt in beide typen moderne versnellers - lineaire en cyclische (voornamelijk cyclotrons en synchrotrons). Lineaire deeltjesversnellers, kortom gaf ze eenmaal door de reeks versnellende velden, terwijl de cyclisch vaak ze in een cirkelvormige baan bewegen door de relatief kleine elektrische veld. In beide gevallen, de uiteindelijke energie van de deeltjes afhankelijk van de totale werkveld, zodat veel kleine "hobbels" worden bij elkaar opgeteld om het gecombineerde effect van een grote geven.

Het repetitieve structuur van een lineaire versneller om elektrische velden te genereren op een natuurlijke manier is om de AC, geen DC gebruiken. De positief geladen deeltjes worden versneld om de negatieve potentieel en een nieuwe impuls krijgen, indien deze positief is voorbij. In de praktijk moet de spanning zeer snel worden veranderd. Bijvoorbeeld bij een energie van 1 MeV protonen beweegt met hoge snelheid de lichtsnelheid van 0,46, 1,4 m passeren van 0,01 ms. Dit betekent dat de herhalende structuur van enkele meters lang, de elektrische velden moet richting met een frequentie van ten minste 100 MHz veranderen. Lineaire en cyclische versnellers deeltjes gewoonlijk te dispergeren ze met het wisselende elektrische veld frequentie van 100 MHz tot 3000, t. E. In het bereik van radiogolven microgolven.

De elektromagnetische golf is een combinatie van oscillerende elektrische en magnetische velden oscilleren loodrecht op elkaar. Het belangrijkste punt is het gaspedaal wave aanpassen, zodat bij de aankomst van de deeltjes het elektrische veld gericht volgens de versnellingsvector. Dit kan worden gedaan met behulp van een staande golf - de combinatie van golven die in tegengestelde richtingen in een gesloten ruimte, de geluidsgolven in het orgel. Een alternatieve uitvoeringsvorm voor snel bewegende elektronen waarvan de snelheden naderen van de lichtsnelheid, een lopende golf.

autophasing

Een belangrijk gevolg van de versnelling van een wisselend elektrisch veld een "fasenstabiliteit". In een oscillatiecyclus wisselveld nuldoorgang van de maximale waarde op nul, het verlaagt tot een minimum en stijgt tot nul. Aldus passeert tweemaal door de voor versnellingswaarde. Wanneer een deeltje waarvan de snelheid toeneemt, komt te vroeg, zal geen veld voldoende sterk werken en de druk zal zwak zijn. Wanneer zij tot het volgende gebied, de test laat en meer impact. Daardoor, zelf-fasering plaatsvindt, zullen de deeltjes in fase met elk veld in het versnellingsgebied. Een ander effect is te groeperen in de tijd om een stolsel in plaats van een continue stroom te vormen.

De richting van de bundel

Een belangrijke rol in de manier waarop het werkt en deeltjesversneller, spelen en magnetische velden, omdat ze de richting van hun beweging kan veranderen. Dit betekent dat ze kunnen worden gebruikt voor "buigen" van de bundel in een cirkelvormig pad, zodat ze herhaaldelijk gevoerd door dezelfde versnelde sectie. In het eenvoudigste geval, op een geladen deeltje beweegt onder een rechte hoek op de richting van het homogene magneetveld, een krachtvector loodrecht op beide zijn beweging, en het veld. Hierdoor wordt de bundel te bewegen in een cirkelvormige baan loodrecht op het veld, totdat het uit zijn werkveld of andere kracht begint te handelen. Dit effect wordt gebruikt in cyclische versnellers zoals een synchrotron en cyclotron. In een cyclotron wordt de constante veld dat door een grote magneet. Deeltjes met toenemende hun energie spiraalvormig buitenwaarts bewegen versneld elke omwenteling. Het synchrotron stolsels bewegen rond de ring met een constante radius en het veld dat door de elektromagneten rond de ring neemt toe naarmate de deeltjes worden versneld. De magneten verschaffen "bending" vertegenwoordigen dipolen met noord- en zuidpolen, gebogen in een hoefijzervorm zodat de bundel daartussen kan passeren.

De tweede belangrijke functie van de elektromagneten is om de focusseren, zodat ze zijn zo smal en intens mogelijk te maken. De eenvoudigste vorm van een focusseermagneet - met vier polen (twee noordelijke en zuidelijke twee) tegenover elkaar. Ze duwen de deeltjes naar het midden in een richting, maar kunnen ze worden verdeeld in de loodrechte. Quadrupole magneten focus van de bundel horizontaal, waardoor hij niet scherp verticaal te gaan. Om dit te doen, moeten ze worden gebruikt in paren. Voor een nauwkeuriger gericht worden ook geavanceerder magneten met een groot aantal polen (6 en 8).

Aangezien de energie van de deeltjes toeneemt, de sterkte van het magneetveld richten ze toe. Dit houdt de straal op hetzelfde traject. De wrongel wordt in de ring en wordt versneld tot een gewenste energie voordat het kan worden verwijderd en gebruikt in experimenten. Terugtrekking wordt bereikt door electromagneten die worden geactiveerd om de deeltjes te duwen van de synchrotron ring.

aanrijding

Geladen deeltjesversnellers gebruikt in de geneeskunde en de industrie, produceren voornamelijk een balk voor een bepaald doel, bijvoorbeeld bestraling of ionenimplantatie. Dit betekent dat de deeltjes een keer gebruikt. Hetzelfde gold voor versnellers gebruikt in fundamenteel onderzoek voor vele jaren. Maar de ringen werden ontwikkeld in 1970, waarbij twee bundels circuleren in tegengestelde richtingen en botsen rond het circuit. Het belangrijkste voordeel van dergelijke systemen is dat bij een frontale botsing energie van deeltjes gaat direct naar wisselwerkingsenergie daartussen. Dit in tegenstelling tot wat er gebeurt wanneer de bundel botst met een stilstaande foto's, in welk geval het grootste deel van de energie gaat naar de vermindering van het doel materiaal in beweging, in overeenstemming met het principe van behoud van impuls.

Sommige machines met botsende bundels worden uitgevoerd met twee ringen, snijden op twee of meer plaatsen, waarbij gecirculeerd in tegengestelde richtingen, de deeltjes van hetzelfde type. Vaker collider deeltje-antideeltje. Antideeltje heeft de tegengestelde lading van de betreffende deeltjes. Bijvoorbeeld, positron, positief geladen en elektronen - negatief. Dit betekent dat een veld dat de elektronen versnelt, positron vertraagt, bewegen in dezelfde richting. Maar als deze beweegt in de tegenovergestelde richting, zal versnellen. Evenzo een elektron bewegen door een magnetisch veld bocht naar links en positron - rechts. Maar als het positron vooruit gaat, dan zijn pad blijft afwijken rechts, maar op dezelfde kromming als die van het elektron. Dit betekent echter dat de deeltjes door de ring van de synchrotron hetzelfde magneten kunnen bewegen en versneld door dezelfde elektrische velden in tegengestelde richting. Op dit principe gemaakt vele krachtige colliders botsende stralen, t. Naar. Het vereist slechts één ring versneller.

Balk in de synchrotron niet continu beweegt en geïntegreerd in "klonten". Zij kan meerdere centimeters lang en een tiende millimeter diameter en omvatten ongeveer 10 ¹² deeltjes. Deze lage dichtheid, omdat de grootte van dergelijk materiaal bevat ongeveer ^{23 oktober} atomen. Daarom, wanneer een botsing elkaar kruisen, is er slechts een kleine kans dat de deeltjes met elkaar reageren. In de praktijk blijven stolsels rond de ring te bewegen en weer te ontmoeten. Hoog vacuüm in de versneller van geladen deeltjes (10 ^-11 mm Hg. V.) noodzakelijk opdat de deeltjes kunnen circuleren gedurende vele uren zonder botsingen met luchtmoleculen. Derhalve wordt de ring ook wel cumulatieve omdat balken eigenlijk daarin enige uren opgeslagen.

registratie

Geladen deeltjesversnellers in de meerderheid kunnen inschrijven gebeurt wanneer de deeltjes raakte het doel of de andere bundel, beweegt in de tegenovergestelde richting. In een televisiebeeldbuis, elektronen van het pistool naar het fosforscherm treffen op het binnenoppervlak en licht uitzenden, die daardoor reconstrueert het verzonden beeld. In versnellers dergelijke gespecialiseerde detectoren reageren op verspreide deeltjes, maar ze zijn meestal bedoeld om elektrische signalen die kunnen worden omgezet in computergegevens en geanalyseerd met behulp van computer programma's. Betaalt alleen elementen produceren elektrische signalen die door het materiaal, bijvoorbeeld door ionisatie of excitatie van atomen en kan direct worden gedetecteerd. De neutrale deeltjes zoals neutronen en fotonen kunnen indirect worden gedetecteerd door het gedrag van geladen deeltjes die zij in beweging.

Er zijn vele gespecialiseerde detectoren. Sommigen van hen, zoals een geigerteller, een deeltjestelling, en andere toepassingen, bijvoorbeeld voor registratiesporen of snelheidsmeting energie. Moderne detektoren groot en technologie kunnen variëren van kleine ladingsgekoppelde inrichtingen op grote gas gevulde kamers met draden die geïoniseerde sporen door geladen deeltjes te detecteren.

verhaal

Geladen deeltjesversnellers vooral ontwikkeld voor onderzoek naar de eigenschappen van atoomkernen en elementaire deeltjes. Sinds de opening van de Britse natuurkundige Ernest Rutherford in 1919, de reactie van het stikstof kern en een alfa deeltje, al het onderzoek op het gebied van nucleaire natuurkunde 1932 werden uitgevoerd met heliumkernen, vrijgegeven door het verval van natuurlijke radioactieve elementen uitgevoerd. Natuurlijke alfa-deeltjes een kinetische energie van 8 MeV, maar Rutherford aangenomen dat zij kunstmatig moeten worden versneld tot nog hogere waarden voor het bewaken van de afbraak van zware kernen. Op het moment leek het moeilijk. Echter, de berekening in 1928 door Georgiem Gamovym (aan de Universiteit van Göttingen, Duitsland), bleek dat de ionen kunnen worden gebruikt bij veel lagere energieën, en dit heeft gestimuleerd pogingen om een faciliteit die een bundel voldoende voor Nucleair Onderzoek biedt bouwen.

Andere gebeurtenissen van deze periode toonde de principes op basis waarvan de geladen deeltjesversnellers worden gebouwd aan deze dag. De eerste succesvolle experimenten met kunstmatig versnelde ionen werden gehouden Cockroft en Walton in 1932 aan de Universiteit van Cambridge. Door een spanningsvermenigvuldiger worden protonen versneld tot 710 keV, en toonde aan dat deze reageren met lithium twee alfadeeltjes vormen. Tegen 1931, aan de Princeton University in New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatische band bouwde de eerste hoog potentieel generator. Voltage multiplier Cockcroft-Walton generatoren en vandegraaffgenerator wordt nog steeds gebruikt als energiebron voor versnellers.

Het principe van resonantie lineaire versneller werd aangetoond Rolf Widerøe in 1928. De Rijn-Westfalen TU Aken, Duitsland, gebruikt hij een hoge wisselspanning naar de natrium- en kaliumionen energieën versnellen dan twee keer te vertellen. In 1931 in de Verenigde Staten Ernest Lourens en zijn assistent David Sloan van de University of California, Berkeley, gebruikte de hoogfrequente velden om kwik-ionen te versnellen tot energieën groter dan 1,2 MeV. Dit werk wordt aangevuld accelerator van zware geladen deeltjes Wideroe, maar de ionenbundels zijn niet bruikbaar in nucleair onderzoek.

Magnetische resonantie accelerator of cyclotron, werd opgevat als een wijziging van Lawrence Widerøe installatie. Student Lawrence Livingston aangetoond dat het principe van de cyclotron in 1931, waardoor de ionen met een energie van 80 keV. In 1932, Lawrence en Livingston kondigde de versnelling van protonen tot meer dan 1 MeV. Later in de jaren 1930, energie-cyclotrons bereikt ongeveer 25 MeV, en het Van de Graaff - ongeveer 4 MeV. In 1940, Donald Kerst toepassing van de resultaten van een zorgvuldige berekening van de baan aan de magneetstructuur, gebouwd op de University of Illinois, de eerste betatron, magnetische inductie elektronenversneller.

Modern physics: deeltjesversnellers

Na de Tweede Wereldoorlog was er een snelle vooruitgang in de wetenschap te versnellen deeltjes tot hoge energieën. Het begon Edwin McMillan in Berkeley en Vladimir Veksler in Moskou. In 1945 zijn ze beiden onafhankelijk van elkaar het principe van fasenstabiliteit beschreven. Dit concept biedt een middel om de stabiele banen van de deeltjes in een cirkelvormige versneller die beperkingen op de protonenergie verwijderd en bijgedragen tot een magnetische resonantie versnellers (synchrotrons) om elektronen te handhaven. Autophasing, de toepassing van het beginsel van fase stabiliteit, werd bevestigd na de bouw van een kleine synchrocyclotron aan de Universiteit van Californië en de synchrotron in Engeland. Kort daarna, de eerste proton lineaire resonante versneller is gemaakt. Dit principe wordt gebruikt in alle grote proton synchrotronen gebouwd sindsdien.

In 1947, William Hansen, aan de Stanford University in Californië, bouwde de eerste elektron lineaire versneller bij de reizende golf, die microgolf technologie die voor radar heeft ontwikkeld tijdens de Tweede Wereldoorlog gebruikt.

De vooruitgang in het onderzoek werd mogelijk gemaakt door het verhogen van de proton energie, die leidde tot de bouw van steeds grotere versnellers. Deze trend is van hoge productiekosten enorme magneet ring is gestopt. De grootste weegt ongeveer 40.000 ton. Werkwijzen voor het verhogen van de energie zonder machinegrootte groei werden op ongeveer 1952 GODU Livingstone, Courant en Snyder techniek afwisselende richten (ook wel strong focusing). Synchrotrons werken aan dit principe te gebruiken magneten 100 keer kleiner dan voorheen. Een dergelijke focussering wordt gebruikt in alle moderne synchrotrons.

In 1956 realiseerde Kerst dat als de twee sets van de deeltjes worden vastgehouden op kruisende banen, kunt u kijken ze met elkaar botsen. De toepassing van dit idee vereist de accumulatie versnelde balken in cycli, de zogenaamde cumulatief. Deze technologie heeft een maximale energie van interactie deeltjes bereikt.