Lineara akceliloj de eroj ŝarĝita. Kiel partiklaj akceliloj laboro. Kial partiklaj akceliloj?

La akcelilo de eroj ŝarĝita - mekanismo kiu radio de elektre ŝargita atoma aŭ subatoma partikloj vojaĝas je preskaŭ la rapido. La bazo de lia laboro estas necesa pliigo sia energio per elektra kampo kaj ŝanĝi la trajektorion - magneta.

Kion partiklaj akceliloj?

Ĉi tiuj aparatoj estas vaste uzata en diversaj kampoj de scienco kaj industrio. Ĝis nun, tutmonde ekzistas pli ol 30 mil. Por la fiziko de eroj ŝarĝitaj akceliloj servi kiel ilo de baza esploro sur la strukturo de atomoj, la naturo de nukleaj fortoj kaj nukleaj ecoj, kio ne okazas nature. Tiu lasta inkludas transurania kaj aliaj malstabila elementoj.

Kun la elfluon tubon fariĝis ebla determini la specifajn zorge. Ŝargita partiklo akceliloj ankaŭ estas uzitaj por la produktado de radioizotopoj, en industriaj radiografaĵo, radioterapio, por steriligo de biologiaj materialoj, kaj en radiocarbono analizo. La plej grandaj unuoj estas uzitaj en la studo de fundamentaj interagoj.

La vivdaŭro de la eroj ŝarĝitaj en ripozo kun respekto al la akcelilo estas pli malgranda ol tiu de partikloj akcelitaj al rapidoj proksime al la lumrapideco. Tiu konfirmas la relative malgranda kvanto de tempo staciojn. Ekzemple, en la CERN sukcesis kreskon en la vivdaŭro de la muón 0,9994c rapideco 29 fojojn.

Ĉi tiu artikolo rigardas kio interne kaj laboranta partikla akcelilo, ĝia evoluo, malsamaj tipoj kaj malsamaj trajtoj.

akcelo principoj

Sen konsidero de kia ŝargita partiklo akceliloj vi scias, ili ĉiuj havas komunajn elementojn. Unue, ili devas havi fonton de elektronoj en la kazo de televido bildo tubo aŭ elektronoj, protonoj kaj ilia antipartículas en la kazo de pli granda instalaĵoj. Krome, ili devas ĉiuj havas elektrajn kampojn akceli partikloj kaj magneta kampoj por kontroli lian trajektorion. Krome, la vakuo en la ŝargita partiklo akcelilo (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Minimuma kvanto de postrestanta aero, estas bezonata por certigi longan vivon tempo traboj. Fine, ĉiuj instalaĵoj devas havi registriĝo rimedoj, la nombrado kaj mezurado de la akcelita partikloj.

generacio

Elektronoj kaj protonoj, kiuj estas plej ofte uzita en akceliloj, troviĝas en ĉiuj materialoj, sed unue ili devas elekti el ili. Elektronoj tipe generas en la sama maniero kiel en la bildo tubon - en mekanismo kiu nomiĝas "pafilo". Estas katodo (negativa elektrodo) en la vakuo, kiu estas varmigita al stato kie elektronoj komencas elspezi de la atomoj. Negative ŝargitaj partikloj estas altiritaj al la anodo (pozitiva elektrodo) kaj pasas tra la elirejo. La pafilo mem estas plej simpla kiel la akcelilon ĉar la elektronoj moviĝas sub la influo de elektra kampo. La tensio inter la katodo kaj anodo, kutime en la gamo 50-150 kV.

Krom elektronoj en ĉiuj materialoj enhavis protonojn, sed nur ununura protono kerno konsistas el hidrogeno atomoj. Sekve, la partiklo fonto por protono akceliloj estas hidrogeno gaso. En ĉi tiu kazo, la gaso estas jonigita kaj la protonoj estas lokita tra truo. En granda akceliloj protonojn ofte formis en la formo de negativa hidrogeno jonoj. Ili reprezentas kroman elektronon de atomoj kiuj estas la produkto de duatoma gaso ionización. Ekde la negative ŝargita hidrogeno jonoj en la komencaj stadioj de la laboro pli facila. Poste ili pasas tra maldika folio, kiu senigas ilin de elektronoj antaŭ la fina stadio de akcelo.

akcelo

Kiel partiklaj akceliloj laboro? Ŝlosila karakterizaĵo de ĉiuj ili estas la elektra kampo. La plej simpla ekzemplo - la uniformo statika kampo inter la pozitivaj kaj negativaj elektraj potencialoj, simila al tio, kio ekzistas inter la fina stacioj de la elektra pilo. Ĉi elektrona kampo portanta negativa ŝarĝo estas elmontrita al forto kiu direktas ĝin al pozitiva potencialo. Ĝi akcelas ĝin, kaj se estas io, kio malhelpas, lia rapido kaj potenco kresko. Elektronoj moviĝas al la pozitiva potencialo sur la drato aŭ en la aero, kaj kolizias kun la atomoj perdas energion, sed se estas lokitaj en vacuo, tiam akcelis kiel ili alproksimigas la anodo.

Streĉiĝo inter la komenca kaj fina pozicio de la elektrono difinas aĉetis ilin energion. Al la movi tra potenciala diferenco de 1 V egalas 1 elektrono-volto (eV). Tio estas ekvivalenta al 1.6 × 10 ^-19 julio. La energio de fluganta moskito duilionoj fojojn pli. En kinescope elektronoj estas akcelitaj tensio pli granda ol 10 kV. Multaj akceliloj atingi multe pli altaj energioj mezuris mega, giga kaj tera-elektrono-voltoj.

specioj

Kelkaj el la plej fruaj specoj de partiklaj akceliloj, ekzemple la tensio multiplikanto kaj la generatoro Iras de Graaff generatoro, uzante konstanta elektra kampo generita de la potencialoj de ĝis miliono da voltoj. Kun tia alta tensioj labori facile. Al pli praktika alternativo estas la ripetita ago de malforta elektra kampoj produktitaj malalta potenciales. Tiu principo estas uzita en la du specoj de modernaj akceliloj - lineara kaj cikla (ĉefe ciclotrones kaj synchrotrons). Lineara partiklaj akceliloj, mallonge, preterpasis ilin iam per la sinsekvo de akceli kampoj, dum la cikle multfoje ili movas en cirkla pado tra la relative malgranda elektra kampo. En ambaŭ kazoj, la fina energio de la partikloj dependas de la tuta kampo de agado, tiel ke multaj malgrandaj "vela" estas aldonitaj kune por doni la efekto kombinita de ununura granda.

La ripetema strukturo de akcelilo lineal por generi elektrajn kampojn en natura vojo estas uzi la AK, ne PK. La pozitive ŝargitaj partikloj estas akcelitaj al la negativa potencialo kaj akiri novan impeton, se pasas pozitiva. Praktike, la tensio devas esti ŝanĝita tre rapide. Ekzemple, je energio de 1 MeV protono moviĝas je tre alta rapido estas la rapido de lumo de 0.46, pasante 1,4 m de 0,01 m. Tio signifas, ke en la ripetanta strukturo de kelkaj metroj de longa, la elektra kampo devas ŝanĝi direkton al ofteco de almenaŭ 100 MHz. Lineara kaj cikla akceliloj partikloj kutime dispelos ilin kun la alterna elektra kampo ofteco de 100 MHz al 3000, t. E. En la gamo de radiondoj por mikroondoj.

La elektromagneta ondo estas kombino de oscilante elektra kaj magneta kampoj oscilanta rektangule al unu la alian. La ŝlosila punkto estas agordi la akcelilo ondo tiel ke la alveno de la partikloj la elektra kampo estas direktita laŭ la akcela vektoro. Tio povas esti farita uzante staranta ondo - la kombino de ondoj vojaĝas en kontraŭaj direktoj en fermita spaco, la voĉaj ondoj en la tuborgeno. Alternativa personigo por rapide movi elektronojn kies rapidoj alproksimiĝis al la rapido de lumo, migra ondo.

autophasing

Grava efiko de la akcelo en alterna elektra kampo estas "fazo stabileco". En unu oscilado ciklo alterna kampo trapasas nulo de la maksimuma valoro al nulo, ĝi malgrandiĝas al minimumo kaj leviĝas al nulo. Tiel, ĝi pasas dufoje per la valoro postulata por akcelo. Se partiklo kies rapido pliigas, venas tro frue, ĝi ne funkcios en kampo de sufiĉa forto, kaj la antaŭenpuŝo estos malforta. Kiam ĝi atingas la sekvanta areo, la testo malfrue kaj pli efikon. Rezulte, mem-phasing okazas, la eroj estos en fazo kun unu la kampo en la akcelanta regiono. Alia efiko estas la kolektante ilin en tempo por formi coágulo anstataŭ kontinuan rivereton.

La direkto de la trabo

Grava rolo en kiel la verkoj kaj partikla akcelilo, ludi kaj magneta kampoj, kiel ili povas ŝanĝi la direkton de sia movado. Tio signifas ke ili povas esti uzitaj por "kliniĝante" de la trabo en cirkla pado, do ili ree trairis la saman akceli sekcio. En la plej simpla kazo, sur ŝargita partiklo movanta en rekta angulo al la direkto de la homogena magneta kampo, forto vektoro perpendikulara al ambaŭ de lia movado, kaj por la kampo. Tiu kaŭzas la trabon por movi en cirkla pado perpendikulara al la kampo, gxis gxi eliros el lia kampo de ago aŭ aliaj forto komencas agi sur ĝi. Tiu efiko estas uzata en cikla akceliloj tiaj kiel sincrotrón kaj ciklotrono. En ciklotrono, la konstanta kampo estas produktita de granda magneto. Partikloj kun kreskanta ilia energio kortuŝo espiral ekstere akcelis kun ĉiu revolucio. La sincrotrón coágulos movi ĉirkaŭ la ringo kun konstanta radiuso, kaj la kampo generita de la electroimanes ĉirkaŭ la ringo pliiĝas kiel la partikloj estas akcelitaj. La magnetoj provizante "kliniĝante", reprezentas dipolos kun norda kaj suda polusoj, kliniĝis en huffero formon tiel ke la trabo povas pasi therebetween.

La dua grava funkcio de la electroimanes estas enfokusigi la trabojn kaj ili estas tiom mallarĝa kaj intensa kiel eble. La plej simpla formo de enfokusigi magneto - kun kvar polusoj (du nordaj kaj du sudaj) lokita malo reciproke. Ili puŝas la partikloj al la centro en unu direkton, sed permesas ilin por esti distribuita en la perpendikulara. Quadrupole magnetoj enfokusigi la trabon horizontale, permesante lin iri malfokusita vertikale. Por fari tion, oni devas uzi en paroj. Por pli preciza enfokusigante ankaŭ uzata pli kompleksa magnetoj kun granda kvanto de polusoj (6 kaj 8).

Ekde la energio de la partiklo pliigas, la forto de la magneta kampo, direktante ilin pliigas. Tiu tenas la trabo en la sama trajektorio. La kazeo estas enkondukita en la ringon kaj akcelas al deziris energio antaŭ ĝi povas esti retirita kaj uzitaj en eksperimentoj. Retracción fariĝas electroimanes kiuj estas aktivigita puŝi la partikloj de la sincrotrón ringo.

kolizio

Ŝargita partiklo akceliloj uzataj en medicino kaj industrio, ĉefe produkti trabon por aparta celo, ekz-e, radiado aŭ jona implantado. Tio signifas ke la eroj uzita unufoje. La sama estis vera de akceliloj uzataj en baza esploro por multaj jaroj. Sed la ringoj estis disvolvita en 1970, en kiu du traboj cirkulanta en kontraŭaj direktoj kaj kolizias ĉirkaŭ la cirkvito. La ĉefa avantaĝo de tiaj sistemoj estas ke en alfrontan kolizion energio de partikloj iras rekte al la interagado de energio inter ili. Ĉi tio kontrastas kun kio okazas kiam la trabo kolizias kun senmova bildojn, tiuokaze la plejparto de la energio iras al la redukto de la celo materialo en movado, laŭ la principo de konservado de movokvanto.

Iuj maŝinoj kun karamboli traboj estas konstruitaj kun du ringoj, sekcantaj en du aŭ pli lokoj, en kiuj cirkulis en kontraŭaj direktoj, la eroj de la sama tipo. Pli ofta colisionador ero-antipartícula. Antipartícula havas la kontraŭan zorge de la asociita partikloj. Ekzemple, la pozitrono, estas pozitive ŝargita, kaj elektronoj - negative. Tio signifas, ke kampo kiu akcelas la elektrono, la pozitrono malrapidiĝas, movante en la sama direkto. Sed se la lasta moviĝas en la kontraŭa direkto, tio akcelos. Simile, elektrono moviĝas tra magneta kampo volo kurbo maldekstren, kaj la pozitrono - dekstre. Sed se la pozitrono moviĝas antaŭen, tiam lia vojo daŭre devii dekstren, sed en la sama kurbo kiel tiu de la elektrono. Tamen, ĉi tiu signifas ke la eroj povas movi tra la ringo de la sincrotrón sama magnetoj kaj akcelita de la sama elektra kampoj en kontraŭaj direktoj. Laŭ ĉi tiu principo kreis multajn potencajn colliders karamboli traboj, t. Por. La sola postulas unu ringo akcelilo.

Trabo en la sincrotrón ne moviĝas senĉese kaj integritaj en "aretoj". Ili povas esti pluraj centimetroj de longa kaj dekono de milimetro en diametro, kaj ili formas parton pri ^{12 oktobro} partikloj. Tiu malalta denseco, ĉar la grandeco de tiaj materialoj enhavas ĉirkaŭ ^{23 Oktobro} atomoj. Tial, kiam karamboli traboj sekci, ekzistas nur malgranda probablo ke la eroj reagos kun la alia. Praktike coágulos daŭrigi movi ĉirkaŭ la ringo kaj renkonti denove. Alta vakuo en la akcelilo de eroj ŝarĝita (10 ^-11 mm Hg. V.) Ĉu necesas por ke la eroj povas cirkuli por multaj horoj sen kolizioj kun aero molekuloj. Sekve, la ringo estas ankaŭ nomita tuteca, ĉar traboj fakte stokita en ĝi dum kelkaj horoj.

registriĝo

Ŝargita partiklo akceliloj en la plimulto povas registriĝi okazas kiam la partikloj en la celo aŭ la alia trabo, movante en la kontraŭa direkto. En televido bildo tubo, elektronojn de la pafilon por frapi la fosforo ekrano sur la interna surfaco kaj ili elsendas lumon, kiu tiel amuzas la transdonitaj bildo. En akceliloj tiaj specialigitaj detektilojn reagi al disaj eroj, sed ili estas kutime dizajnitaj por krei elektraj signaloj kiu povas esti transformita en komputilo datumoj kaj analizitaj uzante komputilo programoj. Nur ŝargita elementoj produktas elektrajn signalojn pasanta tra la materialo, ekzemple per ionización aŭ ekscito de atomoj, kaj povas detekti rekte. La neŭtralaj partikloj kiel ekzemple neŭtronoj aŭ fotonoj povas detekti malrekte tra la konduto de eroj ŝarĝita ke ili estas en moviĝo.

Estas multaj specialigitaj detektilojn. Kelkaj el ili, kiel mezurilo, partiklo grafo, kaj aliaj uzoj, ekz-e, por registradon spurojn aŭ rapido mezurado de energio. Moderna detektilojn en grandeco kaj teknologio, povas varii de malgranda zorge kuplita aparatoj al granda gaso-plenaj kameroj kun dratoj kiuj detektas jonigitaj spurojn produktita de eroj ŝarĝita.

rakonto

Ŝargita partiklo akceliloj ĉefe evoluigita por studoj de la proprietoj de la atomaj kernoj kaj elementaj partikloj. Ekde la malfermo de la brita fizikisto Ernest Rutherford en 1919, la reago de la nitrogeno kerno kaj alfa partiklo, ĉiuj esploroj en la kampo de nuklea fiziko al 1932 estis realigitaj kun heliumo kernoj, eldonita de la dekadenco de naturaj radioaktivaj elementoj. Natura alfa-partikloj havas kineta energio de 8 MeV, sed Rutherford kredis ke ili devas esti artefarite akcelis al eĉ pli altaj valoroj por monitori la dekadenco de pezaj nukleoj. Tiutempe ŝajnis malfacila. Tamen, la ŝtono farita en 1928 por Georgiem Gamovym (en la Universitato de Göttingen, Germanio), montris ke la jonoj povas esti uzata je multe pli malalta energioj, kaj tio stimulis provoj konstrui instalaĵo kiu disponigas trabo sufiĉa por Nuklea Esploro.

Aliaj okazaĵoj de tiu periodo pruvis la principojn, per kiu la eroj ŝarĝitaj akceliloj estas konstruitaj por hodiaŭ. La unua sukcesa eksperimentoj kun artefarite akcelis jonoj okazis Cockroft kaj Walton en 1932 en Cambridge University. Uzante tensio multiplikanto, protonoj estas akcelitaj al 710 keV, kaj montris, ke la lasta reagas kun litio por formi du alfa partikloj. Per 1931, ĉe Universitato Princeton en Nov-Ĵerzejo, Robert Van de Graaff elektrostatika zono konstruita la unua alta potencialo generatoro. Tensio multiplikanto Cockcroft-Walton generatoroj kaj Van de Graaff generatoro daŭre uzata kiel energio fontoj por akceliloj.

La principo de lineara resonante akcelilo pruvis Rolf Widerøkaj en 1928. La Rejno-vestfalia Technical University en Aachen, Germanio, li uzis altan alterna fluo por akceli la natrio kaj kalio jonoj al energioj en eksceso de du tempoj diri ili. En 1931 en Usono Ernest Lourens kaj lia asistanto David Sloan de la Universitato de Kalifornio, Berkeley, uzis la altfrekvenca kampo akceli hidrargo jonojn al energioj pli grandaj ol 1.2 MeV. Tiu laboro estas kompletigita akcelilo de pezaj eroj ŝarĝita Widerøkaj, sed la jono traboj ne estas utilaj en nuklea esploro.

Magneta resono akcelilo aŭ ciklotrono, estis konceptita kiel modifo de Lawrence Widerøkaj instaladon. Studenta Lawrence Livingston montris la principon de la ciklotrono en 1931, farante la jonoj kun energio de 80 keV. En 1932, Lawrence kaj Livingston anoncis la akcelo de protonojn ĝis pli ol 1 MeV. Poste en la 1930-aj jaroj, energio ciclotrones atingis ĉirkaŭ 25 MeV kaj la Van de Graaff - proksimume 4 MeV. En 1940, Donald Kerst, aplikante la rezultoj de zorgema ŝtonoj de la orbito al la magneto strukturo, konstruita en la Universitato de Ilinojso, la unua betatron, magneta indukto elektrona akcelilo.

Moderna fiziko: partiklaj akceliloj

Post la dua mondmilito estis rapida progreso en la scienco de akceli partikloj al altaj energioj. Ĝi komencis Edwin McMillan ĉe Berkeley kaj Vladimir Veksler en Moskvo. En 1945, ili estas ambaŭ sendepende unu de la aliaj priskribis la principon de fazo stabileco. Tiu koncepto proponas rimedon por subteni la stabilaj orbitoj de la eroj en cirkla akcelilo ke forigis limojn sur la protono energio kaj helpis krei magneta resono akceliloj (synchrotrons) por elektronoj. Autophasing, la efektivigo de la principo de fazo stabileco, estis konfirmita post la konstruo de malgranda synchrocyclotron en la Universitato de Kalifornio kaj la sincrotrón en Anglio. Poste tio, la unua protono lineara resonante akcelilo estis kreita. Tiu principo estas uzata en ĉiuj ĉefaj protono synchrotrons konstruita tiam.

En 1947, William Hansen, en Universitato Stanford en Kalifornio, konstruita la unua elektrona akcelilo lineal en la vojaĝanta ondo, kiu uzis mikroonda teknologio kiu estis evoluigita por radaro dum la Dua Mondmilito.

Progreso en la studo estis ebligita de kreskanta la protono energio, kiu kondukis al la konstruo de iam pli granda akceliloj. Tiu tendenco estas de alta kosto de fabrikado grandega magneto ringo estis haltis. La plej granda pezas ĉirkaŭ 40,000 tunojn. Manieroj por pliigi la energion sen maŝino grandeco kresko estis ekzamenita en proksimume 1952 godu Livingstone, Courant kaj Snyder teknikon de alterna koncentranta (kelkfoje nomita forta enfokusigante). Synchrotrons laboras pri tiu principo, uzi magnetojn 100 fojojn pli malgranda ol antaŭe. Tia enfokusigante estas uzata en ĉiuj modernaj synchrotrons.

En 1956 Kerst rimarkis ke se la du aroj de partikloj estas retenitaj sur sekcanta orbitoj, vi povas rigardi ilin kolizias. La apliko de ĉi tiu ideo postulis la amasiĝo akcelis traboj en cikloj, nomitaj tuteca. Tiu teknologio atingis maksimuman energion de interago partikloj.