Acceleradors lineals de partícules carregades. Com acceleradors de partícules treball. Per què els acceleradors de partícules?

L'accelerador de partícules carregades - un dispositiu en el qual un feix de partícules atòmiques o subatòmiques carregades elèctricament que viatgen a gairebé la velocitat. La base del seu treball és necessari augment de la seva energia mitjançant un camp elèctric i canviar la trajectòria - magnètica.

Quins són els acceleradors de partícules?

Aquests dispositius són àmpliament utilitzats en diversos camps de la ciència i la indústria. Fins a la data, al món hi ha més de 30 mil. Per a la física dels acceleradors de partícules carregades servir com una eina de recerca bàsica sobre l'estructura dels àtoms, la naturalesa de les forces nuclears i les propietats nuclears, que no es produeixen naturalment. Aquests últims inclouen transurànics i altres elements inestables.

Amb el tub de descàrrega s'ha convertit en possible determinar la càrrega específica. acceleradors de partícules carregades també s'utilitzen per a la producció de radioisòtops, en radiografia industrial, radioteràpia, per a l'esterilització de materials biològics, i en anàlisi de radiocarboni. Les unitats més grans s'utilitzen en l'estudi de les interaccions fonamentals.

El temps de vida de les partícules carregades en repòs respecte a l'accelerador és menor que la de partícules accelerades a velocitats properes a la velocitat de la llum. Això confirma la relativament petita quantitat d'estacions de temps. Per exemple, al CERN s'ha aconseguit un augment de la vida útil de la velocitat 0,9994c muó 29 vegades.

Aquest article tracta sobre el que està funcionant dins i accelerador de partícules, el seu desenvolupament, diferents tipus i diferents característiques.

principis d'acceleració

Independentment de quin tipus d'acceleradors de partícules carregades que saps, tots ells tenen elements comuns. En primer lloc, han de tenir una font d'electrons en el cas d'un tub de televisió d'imatge o electrons, protons i els seus antipartícules en el cas d'instal·lacions més grans. D'altra banda, tots ells han de tenir camps elèctrics per accelerar les partícules i camps magnètics per controlar la seva trajectòria. A més, el buit en l'accelerador de partícules carregades (10 ^-11 mm Hg. V.), M. I. Una quantitat mínima d'aire residual, es requereix per assegurar una llarga bigues temps de vida. Finalment, totes les instal·lacions han de disposar de mitjans de registre, el recompte i mesurament de les partícules accelerades.

generació

Els electrons i protons, que s'utilitzen amb més freqüència en els acceleradors, es troben en tots els materials, però primer han de triar entre ells. Els electrons normalment es generen en la mateixa manera que en el tub d'imatge - en un dispositiu que es coneix com "pistola". És un càtode (elèctrode negatiu) en el buit, que s'escalfa a un estat on els electrons comencen a desprendre dels àtoms. partícules carregades negativament són atrets cap a l'ànode (elèctrode positiu) i passen a través de la sortida. L'arma en si és més simple que l'accelerador ja que els electrons es mouen sota la influència d'un camp elèctric. La tensió entre el càtode i l'ànode, típicament en el rang de 50-150 kV.

A part d'electrons en tots els materials continguts protons, però només un únic nucli de protons compon d'àtoms d'hidrogen. Per tant, la font de partícules per acceleradors de protons és el gas hidrogen. En aquest cas, el gas s'ionitza i els protons estan situats a través del forat. En grans acceleradors de protons es formen sovint en la forma d'ions d'hidrogen negatius. Representen un electró addicional d'àtoms que són el producte d'una ionització de gas diatòmic. Com que els ions d'hidrogen carregats negativament en els primers passos de l'obra més fàcil. Després passen a través d'una làmina prima, el que els priva d'electrons abans de l'etapa final de l'acceleració.

acceleració

Com acceleradors de partícules treball? Una característica clau de tots ells és el camp elèctric. L'exemple més senzill - el camp estàtic uniforme entre els potencials elèctrics positius i negatius, similar a la que hi ha entre els terminals de la bateria elèctrica. Aquest camp d'electrons que porta una càrrega negativa està exposat a una força que el dirigeix a un potencial positiu. Accelera, i si no hi ha res que pugui interposar-se en el camí, la seva velocitat i poder augment. Els electrons es mouen cap al potencial positiu en el cable o en l'aire, i xoquen amb els àtoms perden energia, però si es troben en buit, després s'acceleren quan s'acosten a l'ànode.

La tensió entre la posició inicial i final dels electrons defineix els va comprar energia. Quan es mou a través d'una diferència de potencial d'1 V és igual a 1 electró-volts (eV). Això és equivalent a 1,6 × 10 ^-19 joule. L'energia d'un mosquit volant bilió de vegades més. En electrons del cinescopio s'acceleren tensió més gran que 10 kV. Molts acceleradors arriben energies molt més altes mesures de mega, giga i tera-electró-volts.

espècies

Alguns dels primers tipus d'acceleradors de partícules, com el multiplicador de tensió i el generador de Van de Graaff generador, utilitzant un camp elèctric constant generada pels potencials de fins a un milió de volts. Amb tan altes tensions treballar fàcil. Una alternativa més pràctica és l'acció repetida de camps elèctrics febles produïts baixos potencials. Aquest principi s'utilitza en els dos tipus d'acceleradors moderns - lineals i cíclics (principalment ciclotrons i sincrotrons). acceleradors de partícules lineals, en resum, els van passar un cop a través de la seqüència de camps d'acceleració, mentre que els cíclicament moltes vegades que es mouen en una trajectòria circular a través de la relativament petita del camp elèctric. En els dos casos, l'energia final de les partícules depèn del camp total de l'acció, de manera que moltes petites "protuberàncies" se sumen per donar l'efecte combinat d'una individual gran.

L'estructura repetitiva d'un accelerador lineal per generar camps elèctrics d'una manera natural és fer servir l'AC, no DC. Les partícules carregades positivament s'acceleren al potencial negatiu i reben un nou impuls, si passar a positiu. A la pràctica, la tensió ha de ser canviat molt ràpidament. Per exemple, a una energia d'1 MeV protó es mou a molt alta velocitat és la velocitat de la llum de 0,46, que passa a 1,4 m de 0,01 ms. Això vol dir que en l'estructura de repetició d'uns quants metres de llarg, els camps elèctrics han de canviar de direcció a una freqüència d'almenys 100 MHz. partícules lineals i acceleradors cíclics generalment es dispersen amb la freqüència del camp elèctric altern de 100 MHz a 3000, t. I. En la gamma d'ones de ràdio a les microones.

L'ona electromagnètica és una combinació de camps elèctrics i magnètics oscil·lants oscil·lants en angles rectes entre si. El punt clau és ajustar l'ona de l'accelerador de manera que a l'arribada de les partícules del camp elèctric es dirigeix d'acord amb el vector d'acceleració. Això es pot fer mitjançant l'ús d'una ona estacionària - la combinació d'ones que viatgen en direccions oposades en un espai tancat, les ones sonores en l'òrgan de tubs. Una realització alternativa per als electrons les velocitats properes a la velocitat de la llum, una ona viatgera es mou ràpidament.

Autophasing

Un efecte important de l'acceleració en un camp elèctric altern és una "estabilitat de fase". En un camp d'oscil·lació cicle altern passa per zero del valor màxim de nou a zero, disminueix a un mínim i s'eleva a zero. Per tant, es passa dues vegades pel valor requerit per l'acceleració. Si una partícula la velocitat augmenta, arriba massa aviat, no funcionarà un camp de força suficient, i l'empenta serà feble. Quan s'arriba a la zona següent, la prova més tard i l'impacte. Com es produeix un resultat, l'auto-ajust de fase, les partícules estaran en fase amb cada camp a la regió d'acceleració. Un altre efecte és la ells agrupació en el temps per formar un coàgul en lloc d'un flux continu.

La direcció del feix

Un paper important en el funcionament i l'accelerador de partícules, el joc i els camps magnètics, ja que poden canviar la direcció del seu moviment. Això vol dir que es poden utilitzar per a "flexió" de la biga en una trajectòria circular, de manera que en repetides ocasions van passar a través de la mateixa secció d'acceleració. En el cas més senzill, sobre una partícula carregada que es mou en un angle recte a la direcció del camp magnètic homogeni, un vector de força perpendicular tant del seu moviment, i al camp. Això fa que el feix es mogui en una trajectòria circular perpendicular al camp, fins que surti del seu camp d'acció o una altra força comença a actuar-hi. Aquest efecte s'utilitza en els acceleradors cíclics com ara un sincrotró i ciclotró. En un ciclotró, el camp constant és produït per un imant gran. Les partícules amb l'augment de la seva energia que es mou en espiral cap a l'exterior es van accelerar amb cada revolució. Els coàguls de sincrotró es mouen al voltant de l'anell amb un radi constant, i el camp generat pels electroimants voltant de l'anell augmenta a mesura que les partícules s'acceleren. Els imants que proporcionen "flexió", representen dipols amb pols nord i sud, doblada en forma de ferradura de manera que el feix pot passar entre els mateixos.

La segona funció important dels electroimants és enfocar els feixos de manera que siguin tan estret i intens com sigui possible. La forma més simple d'un imant d'enfocament - amb quatre pols (dos nord i sud) dues situats un davant l'altre. Es empenyen les partícules al centre en una direcció, però permeti que es poden distribuir en la perpendicular. Quadrupol imants enfocar el feix en horitzontal, el que permet que es vagi fora de focus verticalment. Per a això, han d'usar-en parells. Per a un enfocament més precís també s'utilitzen imants més sofisticats amb un gran nombre de pols (6 i 8).

Ja que l'energia dels augments de les partícules, la força del camp magnètic, dirigint ells augmenta. Això manté el feix en la mateixa trajectòria. La quallada s'introdueix en l'anell i és accelerat a una energia desitjada abans que pugui ser retirada i utilitzada en els experiments. La retracció s'aconsegueix mitjançant electroimants que s'activen per empènyer les partícules de l'anell sincrotró.

col·lisió

acceleradors de partícules carregades utilitzades en la medicina i la indústria, principalment produir un feix per a un propòsit particular, per exemple, irradiació o implantació d'ions. Això significa que les partícules d'utilitzar-se una vegada. El mateix es pot dir dels acceleradors utilitzats en la investigació bàsica durant molts anys. No obstant això, els anells es van desenvolupar en 1970, en la qual dos feixos que circula en direccions oposades i xoquen pel circuit. El principal avantatge d'aquests sistemes és que, en una energia de col·lisió frontal de partícules va directament a l'energia d'interacció entre ells. Això contrasta amb el que succeeix quan el feix xoca amb un estacionàries imatges, en aquest cas la major part de l'energia passa a la reducció del material objectiu en moviment, d'acord amb el principi de conservació del moment.

Algunes màquines amb bigues de col·lisió es construeixen amb dos anells, que intersecta en dos o més llocs, en què circulaven en direccions oposades, les partícules del mateix tipus. Més comú col·lisionador de partícules-antipartícula. Antipartícula té la càrrega oposada de les partícules associades. Per exemple, el positró, té càrrega positiva i electrons - negativament. Això vol dir que un camp que accelera l'electró, el positró s'alenteix, es mou en la mateixa direcció. Però si aquest es mou en la direcció oposada, s'accelerarà. De la mateixa manera, un electró que es mou a través d'una corba de camp magnètic voluntat a l'esquerra, i el positró - dreta. Però si el positró s'està movent cap endavant, llavors el seu camí continuarà a desviar cap a la dreta, però en la mateixa corba que la de l'electró. No obstant això, això significa que les partícules es poden moure a través de l'anell del sincrotró mateixos imants i accelerat pels mateixos camps elèctrics en direccions oposades. En aquest principi va crear moltes colisionadores poderoses que col·lisionen bigues, t. A. L'única requereix un accelerador d'anell.

Biga en el sincrotró no es mou de forma contínua i integrada en "grumolls". Poden ser de diversos centímetres de longitud i una dècima de mil·límetre de diàmetre, i comprendre aproximadament ¹² partícules ^d'octubre. Aquesta baixa densitat, perquè la mida d'aquest material conté al voltant de ²³ àtoms ^d'octubre. Per tant, quan un bigues que xoquen es creuen, només hi ha una petita probabilitat que les partícules reaccionaran entre ells. A la pràctica coàguls continuen movent-se al voltant de l'anell i reunir-se de nou. D'alt buit en l'accelerador de partícules carregades (10 ^-11 mm Hg. V.) cal per tal que les partícules poden circular durant moltes hores sense col·lisions amb les molècules d'aire. Per tant, l'anell també es diu acumulativa, perquè bigues realment emmagatzemats en el mateix durant diverses hores.

registre

acceleradors de partícules carregades en la majoria poden registrar es produeix quan les partícules en el blanc o l'altre feix, movent-se en la direcció oposada. En un tub d'imatge de televisió, els electrons de la pistola de vaga la pantalla de fòsfor en la superfície interior i emeten llum, que recrea així la imatge transmesa. En acceleradors tals detectors especialitzats reaccionen a les partícules disperses, però en general estan dissenyades per crear senyals elèctriques que poden ser convertits en dades d'ordinador i es van analitzar utilitzant programes d'ordinador. Només paguen elements produeixen senyals elèctrics que passen a través del material, per exemple per ionització o excitació dels àtoms, i poden ser detectats directament. Les partícules neutres com ara neutrons o fotons poden ser detectats indirectament a través del comportament de les partícules carregades que es troben en moviment.

Hi ha molts detectors especialitzats. Alguns d'ells, com ara un comptador Geiger, un recompte de partícules, i altres usos, per exemple, per pistes de gravació o mesurament de la velocitat de l'energia. detectors moderns en grandària i la tecnologia, poden variar des de petits dispositius de càrrega acoblats a grans cambres plenes de gas amb cables que detecten pistes ionitzats produïts per partícules carregades.

història

Els acceleradors de partícules carregades es van desenvolupar principalment per a estudis de les propietats dels nuclis atòmics i les partícules elementals. Des del descobriment del físic britànic Ernest Rutherford en 1919, les reaccions del nucli de nitrogen i partícules alfa, totes les investigacions en física nuclear fins a 1932 es van realitzar amb nuclis d'heli alliberats com a conseqüència de la decadència d'elements radioactius naturals. Les partícules alfa naturals tenen una energia cinètica de 8 MeV, però Rutherford creu que per observar la decadència dels nuclis gruixuts, és necessari accelerar-los artificialment fins a valors encara més grans. En aquest moment semblava difícil. Tanmateix, el càlcul realitzat el 1928 per Georgy Gamow (a la Universitat de Göttingen, Alemanya) va demostrar que es podien utilitzar ions amb energies molt més baixes i això va estimular els intents de construir una instal·lació que proporcionés una biga suficient per a la investigació nuclear.

Altres esdeveniments d'aquest període van demostrar els principis pels quals s'acumulen acceleradors de partícules carregades fins als nostres dies. Els primers experiments reeixits amb ions accelerats artificialment van ser creats per Cockcroft i Walton el 1932 a la Universitat de Cambridge. Utilitzant un multiplicador de tensió, van accelerar els protons a 710 keV i van mostrar que aquest últim reaccionava amb el nucli de liti per formar dues partícules alfa. El 1931, a la Universitat de Princeton de Nova Jersey, Robert Van de Graaf va construir el primer generador electrostàtic de cinturons d'alt potencial. Els multiplicadors de voltatge Cokroft-Walton i els generadors Van de Graaff encara s'utilitzen com a fonts d'energia per als acceleradors.

El principi d'un accelerador de ressonància lineal va ser demostrat per Rolf Wideröe el 1928. A la Universitat Tècnica Rhine-Westphalian a Aquisgrà, Alemanya, va utilitzar un alt voltatge alternatiu per accelerar els ions de sodi i potassi a les energies el doble que els va reportar. El 1931, als Estats Units, Ernest Lawrence i el seu assistent David Sloan de la Universitat de Califòrnia, Berkeley, van utilitzar camps d'alta freqüència per accelerar els ions de mercuri a energies que superaven els 1,2 MeV. Aquest treball va ser complementat per l'accelerador de partícules pesades Wideröe, però les bigues d'ions no eren útils en la investigació nuclear.

Un accelerador de ressonància magnètica, o ciclotron, va ser concebut per Lawrence com una modificació de la instal·lació Wideröe. Un estudiant de Lawrence Livingston va demostrar el principi ciclotron el 1931, produint ions amb una energia de 80 keV. El 1932, Lawrence i Livingston van anunciar l'acceleració de protons a més d'1 MeV. Més tard, a la dècada de 1930, l'energia de ciclotron aconseguí uns 25 MeV, i els generadors Van de Graaff sobre 4 MeV. El 1940 Donald Kerst, utilitzant els resultats d'un càlcul acurat de l'òrbita al disseny d'imants, va construir el primer betatron de la Universitat d'Illinois, un accelerador d'electrons d'inducció magnètica.

Física moderna: acceleradors de partícules carregades

Després de la Segona Guerra Mundial, la ciència de l'acceleració de les partícules a les altes energies ha avançat ràpidament. Va començar Edwin Macmillan a Berkeley i Vladimir Veksler a Moscou. El 1945, ambdós van descriure de forma independent el principi d'estabilitat de fase. Aquest concepte ofereix els mitjans per mantenir òrbites estables de partícules en un accelerador cíclic, que elimina la restricció de l'energia dels protons i permet la creació d'acceleradors de ressonància magnètica (sincrotrons) per a electrons. Autofase, la implementació del principi d'estabilitat de fase, es va confirmar després de la construcció d'un petit sincrociclòtron a la Universitat de Califòrnia i el sincrotró a Anglaterra. Poc després d'això, es va crear el primer accelerador ressonant lineal de protons. Aquest principi s'utilitza en tots els grans sincrotrons de protons construïts des d'aleshores.

El 1947, William Hansen, a la Universitat de Stanford, a Califòrnia, va construir el primer accelerador d'electrons lineals en una ona viatjant, utilitzant tecnologia de microones, que es va desenvolupar per al radar durant la Segona Guerra Mundial.

El progrés en la investigació es va fer possible mitjançant l'augment de l'energia dels protons, que va conduir a la construcció d'acceleradors cada vegada més grans. Aquesta tendència va ser detinguda per l'alt cost de fabricar imants de gran anell. El més gran pesa unes 40.000 tones. Els mètodes per augmentar l'energia sense augmentar les dimensions de les màquines van ser demostrades el 1952 per Livingston, Courant i Snyder en la tècnica d'enfocament alternatiu (de vegades anomenat fort enfocament). Els sincrotrons que treballen en aquest principi usen imants 100 vegades més petits que abans. Aquest enfocament s'utilitza en tots els sincrotrons moderns.

El 1956 Kerst es va adonar que si es mantenen dos conjunts de partícules en òrbites que s'integren, es poden observar les seves col·lisions. L'aplicació d'aquesta idea requeria l'acumulació de bigues accelerades en cicles anomenats bigues acumulades. Aquesta tecnologia ha permès aconseguir la màxima interacció energètica de les partícules.