Линеарни акцелератори на честички. Како честички акцелератори работа. Зошто честички акцелератори?

За гас од наелектризирани честички - уред назначена со тоа, зрак на наелектризиран атомски или субатомски честички кои патуваат во речиси брзина. Основа на неговата работа е потребно зголемување на нивната енергија од страна на електрично поле и промени на траекторијата - магнетни.

Кои се честички акцелератори?

Овие уреди се користат во различни области на науката и индустријата. До денес, во светот постојат повеќе од 30 илјади. За физика на наелектризирани честички акцелератори да послужи како алатка на основните истражувања на структурата на атомите, природата на нуклеарните сили и нуклеарни својства, кој не постои во природата. Последните вклучуваат transuranic и други нестабилните елементи.

Со цевка за испуштање стана можно да се утврди одредени трошоци. Обвинет честички акцелератори исто така се користат за производство на радиоизотопи, во индустриска радиографија, радиотерапија, за стерилизација на биолошки материјали, како и во анализа Радиоактивниот јаглерод. Најголемата единици се користат во студијата на основните интеракции.

На животниот век на наелектризирани честички во мирување во однос на педалот за гас е помала од онаа на честички забрзани до брзини блиски до брзината на светлината. Со ова се потврдува релативно мала количина на време станици. На пример, во ЦЕРН се постигна зголемување на животниот век на брзината на Muon 0,9994c 29 пати.

Оваа статија гледа во тоа што е внатре и работни акцелератор на честички, нејзиниот развој, различни видови и различни функции.

принципи забрзување

Без оглед на тоа каков вид на наелектризирани честички акцелератори што знаете, сите тие имаат заеднички елементи. Прво, тие мора да имаат извор на електрони во случај на цевка телевизиска слика или електроните, протоните и нивните античестички во случај на поголеми инсталации. Покрај тоа, тие мора да имаат електрични полиња за забрзување на честичките и магнетни полиња за контрола на нивната траекторија. Покрај тоа, вакуум во обвинети акцелератор на честички (10 ^-11 mm Hg. В.), М. Д. минимална количина на преостанатиот воздух, потребно е да се обезбеди долго греди живот на времето. На крајот, сите инсталации мора да има регистрација средства, броење и мерење на забрзана честички.

генерација

Електрони и протони, кои најчесто се користат во акцелератори, се наоѓаат во сите материјали, но тие прво мора да го изберете од нив. Електроните обично се генерирани на ист начин како во сликата цевка - во еден уред кој се нарекува "пиштол". Тоа е катодна (негативна електрода) во вакуум, кој се загрева на државата во која електроните да почне да падне на атоми. Негативно наелектризирани честички се привлечени кон анодата (позитивна електрода) и да помине низ отворот. Пиштол себе е наједноставниот, како на педалот за гас, бидејќи електроните се движат под влијание на електрично поле. Напонот меѓу електролитна и анодна, обично во опсег 50-150 kV.

Покрај електрони во сите материјали содржани протони, но само еден протон јадрото се состои од водородни атоми. Затоа, извор на честички за протонска забрзувачи е водороден гас. Во овој случај, гасот е јонизиран и протоните се наоѓа преку дупка. Во големите забрзувачи на протони често се формираат во форма на негативни водородни јони. Тие претставуваат дополнителен електрон од атоми кои се производ на двоатомската гас јонизација. Од негативно наелектризираните водородни јони во почетните фази на работа полесно. Тогаш тие ќе поминат низ тенка фолија, која ги лишува од електрони пред последната фаза на забрзување.

забрзување

Како честички акцелератори работа? Клучна карактеристика на сите нив е електрично поле. Наједноставен пример - униформата статичко поле помеѓу позитивни и негативни електрични потенцијали, слична на онаа која постои помеѓу терминалите на електрична батерија. Ова поле електрони носи негативен полнеж се изложени на сила која го упатува до позитивен потенцијал. Тоа што се забрзува, а ако има нешто што ќе застане на патот, брзината и неговата моќ се зголеми. Електрони кои се движат кон позитивниот потенцијал на жица или во воздух, и се судираат со атомите изгубите енергија, но ако тие се наоѓаат во вакуум, а потоа забрзано како да им пријдат на анодна.

Тензиите помеѓу почетната и крајната позиција на електрони дефинира ги купи енергија. Кога се движат низ разлика на потенцијалот од 1 V е еднакво на 1 електрон-волти (EV). Ова е еквивалентно на 1,6 × 10 ^-19 џули. Енергијата на летање комарец трилиони пати повеќе. Во Снимката електроните се забрзуваат напон поголем од 10 kV. Многу акцелератори достигне многу повисоки енергии мери мега, гига и Тера електрон-волти.

видови

Некои од најстарите видови на честички акцелератори, како мултипликатор напон и генератор Ван де Graaff генератор, со користење на постојана електричното поле генерирани од страна на потенцијалите на до еден милион волти. Со таков висок напон работат лесно. А повеќе практична алтернатива е повторното акција на слаби електрични полиња произведува ниско потенцијали. Овој принцип се користи во два вида на модерната акцелератори - линеарни и циклична (главно cyclotrons и synchrotrons). Линеарни акцелератори на честички, на кратко, ги донесе еднаш преку низа на забрзување полиња, додека на циклично многу пати тие се движат во кружна патека низ релативно мал електрично поле. Во двата случаи, на финална енергија на честичките зависи од вкупниот поле на дејствување, така што многу мали "удари" се додаваат заедно за да им даде на комбинираниот ефект на еден голем.

Повторувачки структура на линеарен акцелератор за производство на електрична полиња на природен начин е да се користи наизменична струја, не DC. Позитивно наелектризираните честички се забрзуваат до негативен потенцијал и да добијат нов поттик, ако помине позитивни. Во пракса, на напонот мора да се менува многу брзо. На пример, при енергија од 1 MeV протон се движи во многу голема брзина е брзината на светлината од 0,46, поминува 1,4 m од 0,01 ms. Ова значи дека во повторување структура на долг неколку метри, електрични полиња мора да се промени насоката на фреквенција од најмалку 100 MHz. Линеарни акцелератори и циклична честички обично ги растера со наизменични фреквенција електричното поле од 100 MHz до 3000, т. Е. Во опсегот на радио бранови на микробранови.

Електромагнетни бранови е комбинација на осцилирачки електрични и магнетни полиња осцилирачки под прав агол на едни со други. Клучот точка е да се прилагодите на педалот за гас бран, така што на доаѓањето на честички во електричното поле е насочена во согласност со векторот на забрзување. Ова може да се направи со помош на стои бран - комбинацијата на бранови патуваат во спротивни насоки во затворен простор, на звучните бранови во орган на цевката. Алтернатива олицетворение за брзо се движат електрони чија брзина се приближува со брзина на светлината, еден бран патување.

autophasing

Значаен ефект на забрзување на наизменични електричното поле е "стабилност фаза". Во едно поле осцилации циклус наизменична поминува низ нула од максималната вредност назад до нула, тоа се намалува на минимум и се издига до нула. Така, таа два пати поминува преку вредноста потребни за забрзување. Ако на честички чија брзина се зголемува, доаѓа премногу рано, тоа нема да работи на полето на доволно сила, и со притискање ќе биде слаб. Кога ќе стигне до следната област, тестот доцна и поголемо влијание. Како што се случува резултат на тоа, само-фазно, честичките ќе биде во фаза со секоја област во забрзување регион. Друг ефект е групирање нив во време да се формира тромб, отколку еден континуиран поток.

Во насока на зракот

Важна улога во тоа како работи и акцелератор на честички, игра и магнетни полиња, како што може да се промени насоката на нивното движење. Ова значи дека тие може да се користи за "виткање" на зракот во кружна патека, така што тие постојано помина низ истиот забрзување секција. Во наједноставен случај, на обвинет честички се движат под прав агол на правецот на хомогена магнетно поле, вектор сила нормално и на неговото движење, и во оваа област. Ова предизвикува зрак да се движат во кружен пат под прав агол на полето, додека не излезе од своето поле на дејствување или друга сила почнува да дејствува на него. Овој ефект се користи во циклична акцелератори како Synchrotron и циклотрон. Во циклотрон, постојана поле е произведен од страна на голем магнет. Честички со зголемување на нивната енергија се движи спирално надворешно забрзано со секоја револуција. згрутчувања Synchrotron се движи околу прстен со константен радиус, како и областа генерирани од страна на електромагнети околу зголемува прстен како на честички се забрза. Магнетите обезбедување на "виткање", претставуваат диполи со север и југ столбови, свиткани во форма на потковица, така што зрак може да помине помеѓу нив.

Втората важна функција на електромагнети е да се фокусираат на греди, така што тие се толку тесни и интензивна што е можно. Наједноставниот облик на фокусирање магнет - со четири столбови (две северна и јужна две) се наоѓа спроти друг. Тие им помогнам на честички во центарот во една насока, но ќе им дозволи да се дистрибуира во нормалата. Четворополна магнети се фокусираат зракот хоризонтално, што му овозможува да се оди надвор од фокусот вертикално. За да го направите ова, треба да се користат во парови. За повеќе прецизно фокусирање исто така се користат пософистицирани магнети со голем број на половите (6 и 8).

Бидејќи енергијата на зголемување на честички, силата на магнетното поле, упатувајќи се зголемува. Ова задржува зрак на истата траекторија. На кајмак се воведува во рингот и да се забрза до саканата енергија пред да може да се повлече и се користат во експерименти. Повлекување се постигнува со електромагнети кои се активирани да им помогнам на честички од Synchrotron прстен.

судир

Обвинет честички акцелератори се користи во медицината и индустријата, главно, произведува зрак за одредена цел, на пример, зрачење или јонска имплантација. Ова значи дека честичките се користи еднаш. Истото важи и за акцелератори се користи во основните истражувања за многу години. Но, прстени биле развиени во 1970 година, во која две греди циркулира во спротивни насоки и се судираат околу патеката. Главната предност на ваквите системи е дека во фронтален судир енергијата на честички оди директно на енергија на интеракцијата помеѓу нив. Ова е во спротивност со она што се случува кога зракот се судира со неподвижна слики, при што најголем дел од енергијата оди на намалување на цел материјал во движење, во согласност со принципот на конзервација на интензитет.

Некои машини со судирање греди се изградени со два прстени, ја сече во две или повеќе места, во кои циркулираат во спротивни насоки, честичките од ист тип. Почеста судирач на честички-античестичка. Античестичка има спротивен задолжен за поврзани честички. На пример, позитрон, се позитивно наелектризирани, и електроните - негативно. Ова значи дека на полето дека го забрзува електроните, позитронски забавува, се движат во иста насока. Но, ако таа се движи во спротивна насока, тоа ќе се забрза. Слично на тоа, еден електрон се движат низ магнетното поле волја крива на лево, и позитрон - десно. Но, ако томографија се движи напред, а потоа неговиот пат ќе продолжи да се отстапи на десно, но на истата крива како онаа на електронот. Сепак, тоа значи дека на честички можат да се движат низ прстенот на Synchrotron исто магнети и забрзана од страна на истиот електрични полиња во спротивни насоки. На овој принцип создаде многу моќен colliders судир греди, т. Да. На само бара еден прстен за гас.

Зрак во Synchrotron не се движи постојано и интегрирани во "купчиња." Тие можат да бидат неколку сантиметри во должина и една десетина од милиметар во дијаметар, и се состојат од околу 10 ¹² честички. Оваа ниска густина, бидејќи големината на таков материјал содржи околу ^{23 октомври} атоми. Затоа, кога еден судир зраци се вкрстуваат, постои само една мала веројатност дека честички ќе реагираат едни со други. Во пракса згрутчување продолжи да се движи околу прстенот и се сретнеме повторно. Висок вакуум во акцелераторот на честички (10 ^-11 mm Hg. V.) е потребно со цел да честичките може да циркулира за многу часови без судири со молекулите на воздухот. Затоа, прстенот е исто така, повика кумулативни, бидејќи греди, всушност, се чуваат во него за неколку часа.

регистрација

Обвинет честички акцелератори во мнозинство да се регистрирате случува кога честички погоди во целта или на друг зрак, се движат во спротивна насока. Во цевка телевизиска слика, електроните од пиштолот на штрајк екран фосфорни на внатрешната површина и емитираат светлина, кои со тоа повторно го пренесе сликата. Во акцелератори такви специјализирани детектори реагира на расфрлани честички, но тие обично се дизајнирани да создадат електрични сигнали кои можат да се претворат во компјутерски податоци и анализирани со помош на компјутерски програми. Само обвинет елементи се произведуваат електрични сигнали што минува низ материјалот, на пример од страна на јонизација или побудување на атомите, и може да се открие директно. На неутрални честички како што се неутрони или фотони може да се детектира индиректно преку однесувањето на честички дека тие се во движење.

Постојат многу специјализирани детектори. Некои од нив, како што е Гајгер контра, бројот на честички и други намени, на пример, за снимање песни или мерење на брзината на енергија. Модерни детектори во големина и технологија, може да се разликуваат од мала задолжен комбинација уреди за големи гас исполнето со комори со жици кои детектираат јонизиран песни произведени од наелектризирани честички.

приказна

Обвинет честички акцелератори главно развиена за студии на својствата на атомски јадра и елементарните честички. Од отворањето на британскиот физичар Ернест Радерфорд во 1919 година, реакцијата на јадрото на азот и алфа честички, сите истражувања во областа на нуклеарната физика до 1932 година беа спроведени со хелиум, објавени од страна на распаѓање на природните радиоактивни елементи. Природни алфа-честички имаат кинетичка енергија од 8 MeV, но Rutherford верува дека тие мора да бидат вештачки забрза за да се дури и повисоки вредности за следење на распаѓање на тешки јадра. Во тоа време се чинеше тешко. Сепак, пресметката направена во 1928 година од страна на Georgiem Gamovym (на Универзитетот во Гетинген, Германија), покажа дека јони може да се користи во многу пониски енергии, а тоа го стимулира обиди да се изгради објект што се обезбедува зрак доволно за нуклеарни истражувања.

Други настани за овој период покажа начелата врз кои обвинет акцелератори на честички се изградени за да овој ден. Првата успешна експерименти со вештачки забрзана јони се одржаа Cockroft Волтон и во 1932 година на Универзитетот во Кембриџ. Со користење на напон множител, протоните се забрза до 710 keV, и покажал дека вториот реагираат со литиум да се формираат две алфа честички. До 1931 година, на Универзитетот Принстон во Њу Џерси, Роберт Ван де Graaff електростатско појас изграден првиот висок потенцијал генератор. Напон мултипликатор Cockcroft-Волтон генератори и Ван де Graaff генератор се уште се користи како извор на енергија за акцелератори.

Принципот на линеарна резонантната гас беше демонстрирано Ролф Widerøe во 1928 година Рајна-Вестфалија Техничкиот универзитет во Ахен, Германија, тој се користи висок напон AC да се забрза и натриум јони на енергија во износ поголем од два пати да им каже. Во 1931 година во САД Ернест Lourens и неговиот помошник Дејвид Слоан на Универзитетот во Калифорнија, Беркли, користените области на висока фреквенција за да се забрза жива јони на енергија поголема од 1,2 MeV. Оваа работа е надополнета акцелератор на честички Wideröe тешки, но јонски зраци не се корисни за нуклеарни истражувања.

Магнетна резонанца педалот за гас или циклотрон, беше замислена како модификација на Лоренс Wideröe инсталација. Студентски Лоренс Ливингстон покажа принципот на циклотрон во 1931 година, со што на јони со енергија од 80 keV. Во 1932 година, Лоренс и Ливингстон најави забрзување на протони до повеќе од 1 MeV. Подоцна во текот на 1930-тите, енергија cyclotrons достигна околу 25 MeV и Ван де Graaff - околу 4 MeV. Во 1940 година, Доналд Kerst, со примена на резултатите од внимателни пресметки на орбитата на структурата на магнет, изградена на Универзитетот во Илиноис, првиот betatron, магнетна индукција електронски акцелератор.

Модерната физика: честички акцелератори

По Втората светска војна имаше брзиот напредок во науката за забрзување на честичките на високи енергии. Таа почна Едвин McMillan во Беркли и Владимир Veksler во Москва. Во 1945 година, тие се, независно еден од друг ги опишавме принципот на стабилноста фаза. Овој концепт нуди средства за одржување на стабилни орбити на честички во кружна педалот за гас, кој се отстранат ограничувањата за енергија протонот и помогна да се создаде магнетна резонанца акцелератори (synchrotrons) за електрони. Autophasing, спроведувањето на принципот на стабилноста фаза, беше потврдено по изградба на мали synchrocyclotron на Универзитетот во Калифорнија и Synchrotron во Англија. Кратко потоа, првиот протонски линеарен акцелератор псеудо беше замислен. Овој принцип се користи во сите поголеми протон synchrotrons изградена од тогаш.

Во 1947 година, Вилијам Хансен, на Универзитетот Стенфорд во Калифорнија, ја изградил првата електрони линеарен акцелератор на бран на патувањето, кои се користат микробранова технологија која е развиена за радарот за време на Втората светска војна.

Напредок во студијата беше овозможено од страна на зголемување на протонската енергија, што доведе до изградба на уште поголем акцелератори. Овој тренд е бил запрен високи производствени трошоци огромен магнет прстен. Најголемата тежи околу 40.000 тони. Методи за зголемување на енергетската без раст големината машина беа прикажани околу 1.952 godu Ливингстон, Courant и Снајдер техника на наизменична фокусирање (понекогаш се нарекува силен фокус). Synchrotrons работат на овој принцип, користете магнети 100 пати помала отколку порано. Таквите фокусирање се користи во сите модерни synchrotrons.

Во 1956 година Kerst сфати дека ако двете групи на честички се задржува на пресечни орбити, може да се види им се судираат. Примената на оваа идеја бара акумулацијата забрзана греди во циклуси, наречен кумулативни. Оваа технологија има постигнато најмногу енергија на честички интеракција.