Ladattujen hiukkasten lineaariset kiihdyttimet. Kuinka veloitetut hiukkaskiihdyttimet toimivat. Miksi tarvitsemme varautuneiden hiukkasten kiihdyttimet?

Veloitettujen hiukkasten kiihdytin on laite, jossa luodaan sähköisesti varautuneita atomi- tai subatomisia hiukkasia, jotka liikkuvat lähellä valon nopeuksia. Hänen työnsä perusta on kasvattaa energiaansa sähköisellä kentällä ja muuttaa trajektoria - magneettista.

Miksi tarvitsemme varautuneita hiukkaskiihdyttimiä?

Nämä laitteet ovat löytäneet laajan sovelluksen eri tieteen ja teollisuuden aloilla. Tähän mennessä niitä on yli 30 000 maailmanlaajuisesti. Fysiikan osalta varautuneiden hiukkasten kiihdyttimet toimivat ydinteknologian perusteellisten tutkimusten välineenä, ydinvoimien luonteelle ja ydinvoimakkuuden ominaisuuksille, joita ei esiinny luonnossa. Viimeksi mainittuihin kuuluvat transuraani ja muut epävakaat elementit.

Purkausputken avulla on mahdollista määrittää erityinen maksu. Hiukkaskiihdyttimiä käytetään myös radioisotooppien, teollisuuden radiografian, sädehoidon, biologisten materiaalien sterilointiin ja radiokarbonaalianalyysiin. Suurimpia laitteistoja käytetään keskeisten vuorovaikutusten tutkimuksissa.

Latautuneiden hiukkasten käyttöikä, joka levossa on kiihdyttimen suhteen, on pienempi kuin hiukkasille, jotka hajotetaan nopeuteen, joka on lähellä valon nopeutta. Tämä vahvistaa SRT: n aikavälien suhteellisuuden. Esimerkiksi CERN: ssä muonin elinikää kasvatettiin kertoimella 29 nopeudella 0,9994c.

Tässä artikkelissa käsitellään sitä, kuinka varautunut hiukkassopeutin, sen kehitys, erilaiset tyypit ja erottamiskykyiset ominaisuudet ovat järjestettyjä ja toimivia.

Kiihtyvyysperiaatteet

Riippumatta siitä, mitä varautuneiden hiukkasten kiihdyttimet ovat tiedossa, niillä kaikilla on yhteiset elementit. Ensiksikin niillä kaikilla on oltava elektronilähde television kuvaputken tai -elektronien, protonien ja niiden vastaisten partikkelien tapauksessa suurempien installaatioiden tapauksessa. Lisäksi kaikilla niillä on oltava sähkökentät nopeuttaakseen hiukkasia ja magneettikenttiä hallitsemaan niiden liikerataa. Lisäksi varautuneiden hiukkasten (10 - ¹¹ mmHg) kiihdyttimen tyhjiö, ts. Vähimmäisilman määrä, on välttämätöntä palkkien pitkän käyttöiän varmistamiseksi. Ja lopuksi kaikilla laitteilla on oltava keino tallentaa, laskea ja mitata nopeutettuja hiukkasia.

sukupolvi

Kaikissa materiaaleissa on elektronit ja protonit, joita käytetään useimmiten kiihdyttimissä, mutta ne on ensin erotettava niistä. Elektronit muodostuvat pääsääntöisesti samalla tavoin kuin kineskopeissa - laitteessa, jota kutsutaan "aseeksi". Se on katodi (negatiivinen elektrodi) tyhjiössä, joka kuumennetaan tilaan, jossa elektronit alkavat irtautua atomista. Negatiivisesti varautuneet hiukkaset vetäytyvät anodille (positiivinen elektrodi) ja kulkevat poistoaukon läpi. Asema itsessään on myös yksinkertaisin kiihdytin, koska elektronit liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta. Katodin ja anodin välinen jännite on pääsääntöisesti 50 - 150 kV.

Elektronien lisäksi kaikki materiaalit sisältävät protoneja, mutta vain vetyatomien yksittäiset ytimet koostuvat yksittäisistä protoneista. Siksi protonikiihdyttimien hiukkasten lähde on vetykaasu. Tässä tapauksessa kaasu ionisoituu ja protonit poistuvat reiän läpi. Suurissa kiihdyttimissä protonit muodostuvat usein negatiivisten vetyionien muodossa. Ne ovat atomeja, joissa on ylimääräinen elektronit, jotka ovat diatomin kaasun ionisaatiota. Negatiivisesti varautuneita vetyioneja alkuvaiheissa on helpompi työskennellä. Sitten ne ohjataan ohutkalvolla, joka riistää elektronit ennen kiihdyttämisen viimeistä vaihetta.

kiihtyvyys

Kuinka veloitetut hiukkassopeuttimet toimivat? Näiden kaikkien tärkeimpänä ominaisuutena on sähkökenttä. Yksinkertaisin esimerkki on yhtenäinen staattinen kenttä positiivisten ja negatiivisten sähköisten potentiaalien välillä, samanlainen kuin sähköakun liittimien välillä. Tällaisessa kentässä elektronia, joka kantaa negatiivista varausta, kohdistuu voiman toimintaan, joka ohjaa sen positiiviseen potentiaaliin. Se kiihdyttää sitä, ja jos mikään ei estä sitä, sen nopeus ja energia lisääntyvät. Elektronit, jotka liikkuvat kohti positiivista potentiaalia pitkin lankaa tai jopa ilmassa törmäävät atomeihin ja menettävät energiaa, mutta jos ne ovat tyhjiössä, ne nopeutuvat lähestyttäessä anodia.

Elektronin alku- ja lopullisten paikkojen välinen jännite määrittää hankitun energian. Siirrettäessä mahdollisen 1 V: n eron läpi, se on 1 elektronivirtti (eV). Tämä vastaa 1,6 × 10 ^-19 joulia. Lentävän hyttynen energia on triljoonaa kertaa suurempi. Kineskopeessa elektronit kiihdytetään yli 10 kV: n jännitteellä. Monet kiihdyttimet saavuttavat paljon suurempia energeettejä, mitattuna mega-, giga- ja tera-elektronin volttimilla.

laji

Jotkut aikaisimmista tyyppisistä varautuneista hiukkaskiihdyttimistä, kuten jännitteen kertoimesta ja Van de Graaffin generaattorista, käyttävät vakiintuneita sähkökenttiä, joita luotiin potentiaalisesti jopa miljoonalla voltilla. Tällaisilla suurilla jännitteillä ei ole helppoa työskennellä. Käytännöllisemmäksi vaihtoehdoksi on heikon sähkökentän toistuva toiminta pienillä potentiaaleilla. Tätä periaatetta käytetään kahdessa modernissa kiihdyttimessä: lineaarinen ja syklinen (pääasiassa syklotroneissa ja synkrotronissa). Veloitettujen hiukkasten lineaariset kiihdyttimet, lyhyesti, ohita ne kerran kiihdytyskenttien sekvenssin läpi, kun taas syklissä ne liikkuvat toistuvasti pyöreän reitin läpi suhteellisen pienillä sähkökentillä. Molemmissa tapauksissa hiukkasten lopullinen energia riippuu kenttien kokonaistoiminnasta, joten niin monta pienempää "nykimistä" lisätään yhteen, jolloin saadaan yksi suuren kumulatiivinen vaikutus.

Lineaarisen kiihdyttimen toistuva rakenne sähköisten kenttien muodostamiseksi luonnollisesti edellyttää vuorottelevan jännitteen käyttöä, ei jatkuvaa jännitettä. Positiivisesti varautuneita hiukkasia kiihdytetään negatiiviseen potentiaaliin ja saadaan uusi työntö, jos ne kulkevat positiivisen. Käytännössä jännitteen tulisi muuttua hyvin nopeasti. Esimerkiksi 1 MeV: n energia, proton liikkuu hyvin suurilla nopeuksilla, mikä muodostaa 0,46 kertaa nopeuden valon, kulkee 1,4 m 0,01 ms. Tämä tarkoittaa sitä, että toistuvassa rakenteessa, jonka pituus on useita metrejä, sähkökenttien on vaihdettava suuntaan vähintään 100 MHz: n taajuudella. Varautuneiden hiukkasten lineaariset ja sykliset kiihdyttimet pääsevät pääsääntöisesti jakamaan ne vuorottelevilla sähkökentillä, joiden taajuus on 100-3000 MHz, toisin sanoen radioaalloilta mikroaalloilta.

Sähkömagneettinen aalto on vuorottelevien sähkö- ja magneettikenttien yhdistelmä, joka heilahtelee kohtisuorasti toisiinsa nähden. Kiihdyttimen avainpiste on aallon viritys siten, että kun partikkeli saapuu sähkökentälle, se suunnataan kiihtyvyysvektorin mukaisesti. Tämä voidaan tehdä seisovan aallon avulla - yhdistelmä aaltoja, jotka liikkuvat vastakkaisiin suuntiin suljetussa tilassa, kuten äänen aaltoja urkuputkessa. Vaihtoehtoinen vaihtoehto hyvin nopeasti liikkuville elektroneille, joiden nopeus lähestyy valon nopeutta, on matka-aalto.

autophasing

Merkittävä vaikutus kiihdyttämisessä vuorottelevassa sähkökentässä on "automaattinen tahdistus". Yhdellä värähtelyjaksolla vuorotteleva kenttä siirtyy nollasta maksimiarvon kautta nollaan, laskee minimiin ja nousee nollaan. Siten se kulkee kahdesti kiihtyvyysarvon kautta. Jos hiukkanen, jonka nopeus kasvaa, saapuu liian aikaisin, niin sillä ei ole riittävän vahvaa aluetta, ja työntövoima on heikko. Kun se tulee seuraavaa osaan, se on myöhässä ja sillä on voimakkaampi vaikutus. Tuloksena syntyy automaattipulsio, hiukkaset ovat vaiheessa kentän kanssa jokaisessa kiihdytysalueella. Toinen vaikutus on niiden ryhmittely ajassa, kun muodostuu hyytymisiä, eikä jatkuva virtaus.

Säteen suunta

Merkittävää roolia raskaiden hiukkasten kaasupolkimen järjestämisessä ja käyttämisessä on magneettikenttiä, koska ne voivat muuttaa liikkeensä suunnan. Tämä tarkoittaa sitä, että niitä voidaan käyttää "taipumaan" palkkeja pitkin pyöreää polkua niin, että ne kulkevat useita kertoja saman kiihdytysosan kautta. Yksinkertaisimmassa tapauksessa voiman, joka vaikuttaa kohtisuoraan sekä siirtymävektoriin että kenttään, toimii varautuneella hiukkasella, joka liikkuu suorassa kulmassa yhtenäisen magneettikentän suuntaan. Tämä saa palkin liikuttamaan ympyränmuotoista polkua kohtisuoraan kenttään, kunnes se jättää toimintaansa alueelle tai joku muu voima vaikuttaa siihen. Tätä vaikutusta käytetään syklisissä kiihdyttimissä, kuten syklotrona ja synkrotrona. Syklotronissa vakainen magneettikenttä luo vakion magneettikentän. Hiukkaset, kun ne kasvattavat energiaansa, liikkuvat spiraalisesti ulospäin, kiihdyttäen jokaisella kierroksella. Synkrotronissa rypyt liikkuvat renkaan ympärillä jatkuvalla säteellä, ja rengas ympärillä olevien sähkömagneettien aiheuttama kenttä kasvaa hiukkasten nopeuttamiseksi. "Taivuta" tarjoavat magneetit ovat dipoleja, joissa pohjois- ja etelä-sauvat ovat hevosenkengän muodossa taivutettuja siten, että palkki voi kulkea niiden välillä.

Sähkömagneettien toinen tärkeä tehtävä on palkkien keskittyminen niin, että ne ovat mahdollisimman kapeita ja voimakkaita. Tarkennusmagneetin yksinkertaisin muoto on neljä napaa (kaksi pohjaa ja kaksi etelää), jotka sijaitsevat vastapäätä toisiaan. Ne työntävät hiukkasia kohti keskustaa yhteen suuntaan, mutta sallivat niiden etenemisen kohtisuorassa suunnassa. Quadrupole-magneetit keskittävät palkin vaakasuoraan, jolloin se voi poistua tarkennuksesta pystysuoraan. Tätä varten niitä on käytettävä pareittain. Tarkempaan tarkentamiseen käytetään myös monimutkaisempia magneetteja, joissa on suuri määrä napoja (6 ja 8).

Hiukkasten energian noustessa niiden magneettikentän voimakkuus kasvaa. Tämä pitää palkin samalla polulla. Nippu syötetään renkaaseen ja kiihdytetään tarvittavaan energiaan ennen kuin se poistetaan ja sitä käytetään kokeissa. Vetäytyminen saavutetaan elektromagneetteilla, jotka kytketään päälle hiukkasten karkottamiseksi synkrotronirenkaasta.

törmäys

Lääketieteessä ja teollisuudessa käytettävät hiukkasten kiihdyttimet tuottavat yleensä palkkia tietylle tarkoitukselle, esimerkiksi sädehoidon tai ioni-istutuksen osalta. Tämä tarkoittaa, että hiukkasia käytetään kerran. Monia vuosia sama pätee peruskokeessa käytettäviin kiihdyttimiin. Mutta 1970-luvulla kehitettiin renkaita, joissa kaksi palkkia kiertävät vastakkaisiin suuntiin ja törmäävät koko ääriviivoon. Tällaisten asennusten tärkein etu on se, että päissä tapahtuvalla törmäyksellä hiukkasten energia siirtyy suoraan niiden väliseen vuorovaikutukseen. Tämä on ristiriidassa sen kanssa, mitä tapahtuu, kun säde törmää lepäämän materiaalin kanssa: tässä tapauksessa suurin osa energiasta menee tavoiteaineiston viemiseksi liikkeelle vauhdin säilyttämisperiaatteen mukaisesti.

Jotkut koneet, joilla on törmäyspalkit, on rakennettu kahdella renkaalla, jotka leikkaavat kahdessa tai useammassa paikassa, joissa saman tyyppiset hiukkaset kiertävät vastakkaisiin suuntiin. Hiukkasilla ja hiukkasilla esiintyvät kolarierit ovat yleisempiä. Antipartikkelillä on vastakkainen varaus hiukkaskoon siihen. Esimerkiksi positroni on positiivisesti varautunut, ja elektroni on negatiivinen. Tämä tarkoittaa, että kenttä, joka kiihdyttää elektronia, hidastaa positronin siirtymistä samaan suuntaan. Mutta jos jälkimmäinen liikkuu vastakkaiseen suuntaan, se nopeutuu. Vastaavasti magneettikentän läpi kulkeva elektron kääntyy vasemmalle ja positroni oikealle. Mutta jos positroni liikkuu vastaamaan, polku jatkuu poiketa oikealta, mutta samalla kaarteella kuin elektronilla. Yhdessä tämä tarkoittaa, että nämä hiukkaset voivat liikkua synkrotronirenkaaseen samojen magneettien ansiosta ja niitä kiihdytetään samoilla sähkökentillä vastakkaisiin suuntiin. Tällä periaatteella luodaan monia voimakkaita törmäyksisiä törmäyspalkkeihin, koska vain yksi kiihdytysrengas tarvitaan.

Synkrotronin säde ei liiku jatkuvasti, mutta se yhdistetään "hyytymiin". Ne voivat olla pituudeltaan useita senttimetriä ja halkaisijaltaan kymmenesosa millimetrejä, ja ne sisältävät noin 10 ¹² partikkelia. Tämä on pieni tiheys, koska samankokoisissa aineissa on noin 10 ²³ atomia. Siksi, kun palkit leikkaavat törmäyspalkkien kanssa, on hiukan todennäköistä, että hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Käytännössä hyytymät jatkavat rengasta pitkin ja tapaavat uudelleen. Syvä tyhjiö varautuneessa hiukkaskiihdyttimessä (10 - ¹¹ mm Hg) on välttämätön, jotta hiukkaset voisivat kiertää useita tunteja törmäämättä ilman molekyylien kanssa. Siksi renkaita kutsutaan myös kumulatiivisiksi renkaiksi, koska palkit ovat itse asiassa tallennettuina useita tunteja.

Ilmoittautumislomake

Ennalta varautuneiden hiukkasten kiihdyttimet voivat rekisteröidä tapahtuman, kun haluttu hiukkaskoko kohdistuu tai muussa nipussa liikkuu vastakkaiseen suuntaan. TV-kuvaputkessa pistoolin elektronit osuvat fosforissa näytön sisäpinnalla ja lähettävät valoa, mikä siis luo lähetetyn kuvan uudelleen. Kiihdyttimissä nämä erikoisanturit reagoivat hajallaan oleviin hiukkasiin, mutta ne on tavallisesti suunniteltu tuottamaan sähköisiä signaaleja, jotka voidaan muuntaa tietokoneen tietoiksi ja analysoida tietokoneohjelmien avulla. Vain latautuneet elementit luovat sähköisiä signaaleja, jotka kulkevat materiaalin läpi, esimerkiksi jännittäviä tai ionisoivia atomeja, ja ne voidaan havaita suoraan. Neutraaliset hiukkaset, kuten neutroneja tai fotoneja, voidaan havaita epäsuorasti käyttämättömien varautuneiden hiukkasten käyttäytymisestä.

On olemassa monia erikoistuneita ilmaisimia. Jotkut niistä, kuten Geiger-laskuri, laskevat hiukkaset vain, kun taas toisia käytetään esimerkiksi raitojen tallentamiseen, nopeuden tai energian määrän mittaamiseen. Nykyaikaiset koonilmaisimet ja -teknologiat vaihtelevat pienistä latauskytketyistä laitteista suuriin kaasutäytteisiin kameroihin, joissa on johdot, jotka havaitsevat ladattujen hiukkasten aiheuttamat ionisoituneet jäljet.

tarina

Varatun hiukkasen kiihdyttimiä pääasiassa kehitetty tutkimukset ominaisuuksien atomiytimeen ja alkeishiukkaset. Koska avaaminen brittifyysikko Ernest Rutherford 1919, reaktio typen tumaan ja alfa-hiukkanen, kaikki tutkimuksen alalla ydinfysiikkaan 1932 suoritettiin heliumytimiä, vapautuu rappeutuminen luonnon radioaktiiviset aineet. Luonnollisen alfa-hiukkasten kineettinen energia on 8 MeV, mutta Rutherford uskoi, että niiden on oltava keinotekoisesti kiihdyttää jopa korkeampia arvoja seurantaan rappeutuminen raskaiden ydinten. Tuolloin se tuntui vaikeaa. Kuitenkin, tehty laskelma 1928 Georgiem Gamovym (University of Göttingen, Saksa), osoitti, että ionit voidaan käyttää paljon pienempinä energioita, ja tämä on lisännyt pyrkimyksiä rakentaa laitos, joka tuottaa säteen riittävä Nuclear Research.

Muita tapahtumia tämän ajan osoittivat periaatteet, joilla peritään hiukkaskiihdyttimiin on rakennettu tähän päivään. Ensimmäinen onnistunut kokeilut keinotekoisesti nopeutetun ionien pidettiin Cockroftin ja Walton vuonna 1932 Cambridgen yliopistossa. Käyttämällä jännitteen kertojaa, protonit kiihdytetään 710 keV, ja osoitti, että viimeksi mainittu reagoi litiumin muodostamiseksi, kaksi alfa-hiukkasia. Vuoteen 1931, Princetonin yliopistossa New Jerseyssä, Robert Van de Graaff sähköstaattinen hihna rakensi ensimmäisen suuren potentiaalin generaattori. Jännitekertoja Cockcroft-Walton generaattorit ja Van de Graaff generaattori käytetään yhä energialähteiden kiihdyttimiä.

Periaate lineaarinen resonanssitaajuuden kiihdytin osoitettiin Rolf Widerøe 1928. Rein-westfalenilaisia Technical University Aachen, Saksa, hän käytti korkea AC-jännitteen nopeuttaa natrium ja kalium-ionien energioiden yli kaksi kertaa kertoa heille. Vuonna 1931 Yhdysvalloissa Ernest Lourens ja hänen apulaisensa David Sloan yliopiston Berkeleyn, käytetään korkean taajuuden kenttien nopeuttaa elohopea ionit energioiden suurempi kuin 1,2 MeV. Tämä työ on täydennetty kiihdytin raskaiden varattujen hiukkasten Widerøe, mutta ionisuihkut eivät ole käyttökelpoisia ydintutkimusta.

Magneettikuvaus kaasupolkimen syklotroni, luotiin muuttamista Lawrence Widerøe asennuksen. Opiskelija Lawrence Livingston osoitti periaatetta syklotronin vuonna 1931, jolloin ionit, jonka energia on 80 keV. Vuonna 1932, Lawrence ja Livingston ilmoitti kiihtyvyys protonien jopa yli 1 MeV. Myöhemmin 1930-luvulla, energia cyclotrons saavutti noin 25 MeV, ja Van de Graaff - noin 4 MeV. 1940, Donald Kerst, soveltamalla tuloksia huolellinen laskelmien kiertoradalla magneetin rakenne, rakennettu University of Illinois, ensimmäisen beetatronikäämit, magneettinen induktio elektronikiihdyttimellä.

Moderni fysiikka: hiukkaskiihdyttimiä

Toisen maailmansodan jälkeen oli nopeaa edistystä tieteen nopeuttaa hiukkasia korkeilla energioilla. Se alkoi Edwin McMillan Berkeleyn ja Vladimir Veksler Moskovassa. Vuonna 1945, ne ovat molemmat toisistaan riippumatta ovat kuvanneet periaatetta vaiheen vakauden. Tämä käsite tarjoaa keinon ylläpitää vakaa kiertoradat hiukkasten pyöreä kiihdytin, joka poistaa rajoitukset protonin energia ja auttoi luomaan magneettikuvaus kiihdyttimet (synkrotronista) elektroneja. Autophasing, täytäntöönpano periaatteen faasistabiilisuuden, vahvistettiin rakentamisen jälkeen pienen synchrocyclotron yliopistossa Kaliforniassa ja synkrotronisäteilyn Englannissa. Pian sen jälkeen, ensimmäinen protoni lineaarinen resonanssipiirin kiihdytin luotiin. Tätä periaatetta käytetään kaikissa tärkeimmissä protoni synkrotronista rakennettu jälkeen.

Vuonna 1947, William Hansen, Stanfordin yliopistossa Kaliforniassa, rakennettiin ensimmäinen elektroni lineaarikiihdytin klo kulkuaaltokerrointa, jota käytetään mikro-tekniikkaa, joka on kehitetty tutka- aikana toisen maailmansodan.

Edistyminen tutkimuksessa oli mahdollista lisäämällä protonin energia, joka johti rakentamista yhä suurempia kiihdyttimiä. Tämä suuntaus on korkeat valmistuskustannukset valtava magneetti rengas on pysäytetty. Suurin painaa noin 40000 tonnia. Menetelmät lisätä energiaa ilman koneen koko kasvu seulottiin noin 1952 GODU Livingstone, Courant ja Snyder tekniikka vuorotellen fokusointi (kutsutaan joskus voimakas fokusointi). Synkrotronista työskentelee tällä periaatteella, käytä magneetteja 100 kertaa pienempi kuin ennen. Tällainen tarkennus on käytössä kaikissa nykyisissä synkrotronista.

Vuonna 1956 Kerst tajusi, että jos kaksi hiukkasia pidettyjen risteäviä kiertoradat, voit katsella niitä törmäävät. Soveltaa tätä ajatusta vaaditaan kertyminen kiihtyi palkit jaksoissa, kumulatiivinen. Tämä tekniikka on saavuttanut maksimienergia vuorovaikutuksen hiukkasia.