Линеарних акцелератора наелектрисаних честица. Као акцелератори честица рада. Зашто акцелератори честица?

Убрзивач наелектрисаних честица - уређај при чему сноп наелектрисаних атомских или субатомске честице путују у скоро брзини. Основа његовог рада је потребно повећати своју енергију помоћу електричног поља и промени путању - магнетни.

Шта су акцелератори честица?

Ови уређаји имају широку примену у разним областима науке и индустрије. До данас, у свету постоји више од 30 хиљада. За физике терети акцелератора честица служи као средство основних истраживања о структури атома, природе нуклеарних снага и нуклеарним карактеристикама, које не настају природно. Ово последње обухвата трансуранских и друге нестабилне елементе.

Са пражњење цеви је постало могуће утврдити специфичне оптужбе. Цхаргед акцелератори честица се такође користе за производњу радиоизотопа, у индустријској радиографији, радиотерапија, за стерилизацију биолошких материјала, иу анализи радиокарбонска. Највеће јединице се користе у изучавању фундаменталних интеракција.

Век трајања наелектрисаних честица мирује у односу на акцелератору је мања него честица убрзан на брзинама блиским брзини светлости. Ово потврђује релативно мало времена станица. На пример, у ЦЕРН-у је постигнуто повећање животног века мион брзине 0,9994ц 29 пута.

Овај чланак гледа шта се унутра и ради акцелератор честица, његов развој, различитих типова и различите функције.

principi убрзања

Без обзира какве наелектрисаних честица акцелератора знате, сви они имају заједничке елементе. Прво, они морају имати извор електрона у случају цеви телевизијске слике или електрона, протона и њихових античестица у случају већих инсталација. Осим тога, они морају да имају електрично поље да убрза честице и магнетних поља да контролишу своју путању. Поред тога, вакуум у наелектрисане честице акцелератора (10 ^-11 мм Хг. В.), М. Е. минимална количина резидуалног ваздуха, потребно да се обезбеди дуг век трајања греда. На крају, све инсталације морају имати регистрацију средстава, бројање и мерење убрзаног честица.

генерација

Електрони и протони, који се најчешће користе у акцелераторима, могу се наћи у свим материјалима, али прво морају изабрати од њих. Електрони обично настају на исти начин као на слици цеви - у уређај који се назива "пиштољ". То је катода (негативна електрода) у вакууму који је загреван до стања у којем електрони поцну са атоме. Негативно наелектрисане честице привлачи анода (позитивне електроде) и пропустити кроз утичницу. Сама Пиштољ је најједноставнији као акцелератор јер су електрони се крећу под утицајем електричног поља. Напон између катоде и аноде, обично у опсегу 50-150 кВ.

Поред електрона у свим материјалима садржани протоне, али само један протон језгро састоји од атома водоника. Стога извор честица за протонске акцелераторе је водоник гас. У том случају, гас се јонизујућег и протони су лоцирани кроз рупу. У великим акцелераторима протона често формира у облику негативних јона водоника. Они представљају додатни електрон из атома, који су производ једног двоатомски гаса јонизације. Од негативно наелектрисаних водоникових јона у почетним фазама рада лакше. Онда они пролазе кроз танку фолију, што их лишава електрона пре завршној фази убрзања.

убрзање

Као акцелератори честица посао? Кључна карактеристика свих њих је електрично поље. Најједноставнији пример - униформа статички поље између позитивних и негативних електричних потенцијала, сличан оном који постоји између терминала на електричне батерије. Ово поље електрон носи негативно наелектрисање је изложена силе која га усмерава на позитиван потенцијал. Она га убрзава, а ако постоји нешто што би стајао на путу, његовом повећању брзине и снаге. Електрони крећу према позитивним потенцијалом на жици или у ваздуху, а сударају са атомима губе енергију, али ако се налазе у вакууму, затим убрзано јер прилазе аноду.

Тензије између почетка и завршетка положај електрона су дефинисане купио енергију. При кретању кроз потенцијалне разлике од 1 В је једнака 1 електрон-волти (ЕВ). Ово је еквивалентно 1,6 × 10 ^-19 Јоуле. Енергија летећег комарца безброј пута више. У кинетоскоп електрона су убрзани напон већи од 10 кВ. Многи акцелератори до много веће енергије измерене мега, гига и тера-електрон-волти.

врста

Неки од најранијих облика акцелераторима честица, као што су напон мултипликатор и генератор ван де Граафф, користећи сталну електричног поља генерише потенцијала до милион волти. Са таквим високом напону раде лако. Практичнија алтернатива је поновљена радња слабих електричних поља произведених ниске потенцијали. Овај принцип се користи у две врсте савремених акцелератора - линеарно и циклично (углавном циклотрон и Синцхротронс). Линеарних акцелератора честица, укратко, прошао их једном кроз низ убрзања поља, док су циклично много пута се уселе у кружном путу кроз релативно мали електричног поља. У оба случаја, коначна енергија честица зависи од укупне области деловања, тако да многе мале "испупчења" се сабирају да дају комбиновани ефекат један велики.

Учестали структура линеарни акцелератор за генерисање електричне поља на природан начин је да користите климу, а не ДЦ. Позитивно наелектрисане честице су убрзана у негативном потенцијала и добити нови подстицај, ако прође позитивно. У пракси, напон мора бити врло брзо променити. На пример, при енергији од 1 МеВ протона креће великом брзином је брзина светлости 0.46, пролазећи 1.4 м од 0,01 мс. То значи да у понављање структури неколико метара, су електрична поља мора да се промени правац на фреквенцији од најмање 100 МХз. Линеарна и цикличне Картице честице их Е. обично растера уз наизменично фреквенцијом електричног поља од 100 МХз до 3000, т. У распону радиоталаса микроталасима.

Електромагнетна таласа је комбинација осциловања електричног и магнетног поља осцилационих под правим углом једни на друге. Кључна ствар је да се прилагоди за гас талас тако да у доласку честица електрично поље усмерена у складу са вектором убрзања. Ово се може урадити помоћу Стандинг Ваве - комбинацију таласа који путују у супротним правцима у затвореном простору, звучних таласа у органу цеви. Једна алтернативна изведба за брзо кретање електрона чији брзине приближавају брзини светлости, путујућег таласа.

аутопхасинг

Важан ефекат убрзања у електричном пољу наизменичног је "стабилност фаза". У једном осцилације циклус наизменичне поље пролази кроз нулу од максималне вредности на нулу, смањује на минимум и расте на нулу. Тако два пролази кроз вредности потребног за убрзање. Ако је честица чији је брзина повећава, долази прерано, неће радити поље довољне снаге, а пусх ће бити слаб. Када се достигне следећи простор, тест касно и више утицаја. Као што се дешава резултат, селф-пхасинг, честице ће бити у фази са свако поље у убрзава региону. Други ефекат је да их груписање у време да се формира угрушак пре него континуални млаз.

Смер снопа

Значајну улогу у томе како се ради и акцелератор честица, играју и магнетна поља, јер они могу променити правац њиховог кретања. То значи да се могу користити за "савијање" снопа у кружном путу, тако да више пута прошли кроз исте убрзава делу. У најједноставнијем случају, на наелектрисане честице крећу правим углом у односу на правац хомогеном магнетног поља, сила вектор управно оба његовог кретања, и на терену. Ово узрокује зрак да се креће у кружном путу управно на терену, док не изађе из свог поља деловања или друге силе почиње да делује на њега. Овај ефекат се користи у цикличним акцелераторима као што су Синцхротрон и циклотрона. У циклотрона, константан поља настаје велики магнет. Честице са повећањем њихове енергије мовинг спирално споља убрзао са сваким револуције. У Синцхротрон угрушци кретати рингу са константним радијусом, а поље генерише електромагнетима око ринга расте са честицама су убрзани. Магнети пружају "савијање", представљају диполе са северног и јужног пола, савијене у облику потковице, тако да је зрак може да прође између њих.

Друга важна функција од електромагнета је да се фокусира греде, тако да су толико уски и интензивна могуће. Најједноставнији облик који се фокусира магнет - са четири полова (две северне и јужне два) која се налази насупрот другоме. Они гурају честице у центру у једном смеру, али им омогућити да се дистрибуира у нормала. Квадруполни магнети фокусира зрак хоризонтално, дозвољавајући му да изађе из фокуса вертикално. Да би то урадили, они морају да се користе у паровима. За више прецизно фокусирање се такође користе софистицираније магнете са великим бројем полова (6 и 8).

Од енергије повећава честица, јачине магнетног поља преусмеравање им повећава. Ово задржава зрак на истој путањи. Цурд се уводи у ринг и убрзава до жељеног енергију пре него што се повући и користити у експериментима. Повлачење се постиже електромагнете које се активирају гурнути честице из Синцхротрон прстена.

судар

Наелектрисане честице акцелератори користе у медицини и индустрији, углавном производе зрак за одређену сврху, нпр зрачењем или јонску имплантацију. То значи да честице некада. Исто је било и са акцелератора који се користе у основна истраживања дуги низ година. Али прстенови су развијени у 1970., у коме су два зрака циркулише у супротним смеровима и сударају око кола. Основна предност оваквих система је да у случају фронталног судара енергије честица иде директно у енергију интеракције између њих. Ово је у супротности са оним што се дешава када зрак судара са стационарних сликама, у том случају највећи део енергије одлази на смањењу циљаног материјала у покрету, у складу са принципом очувања импулса.

Неке машине са супротних гредама су конструисани са два прстена, укрштају на два или више места, где циркулишу у супротним правцима, честица истог типа. Чешћи Цоллидер честица-античестица. Античестица има супротно наелектрисање на повезаних честица. На пример, позитрон, је позитивно наелектрисана, а електрони - негативно. То значи да је поље које убрзава електрон, позитрон успорава, иде у истом правцу. Али, ако се потоње креће у супротном смеру, то ће убрзати. Слично томе, електрон креће кроз магнетно поље ће криве са леве стране, и позитрона - десно. Али, ако је позитрон се креће напред, онда његов пут ће наставити да одступа са десне стране, али на истом криве као да од електрона. Међутим, то значи да су честице могу кретати кроз прстен од Синцхротрон истих магнета и убрзан истим електричног поља у супротним правцима. На овај принцип створио многе моћне Цоллидерс сударањем греда т. Да. Једино је потребан један прстен акцелератор.

Зрак у Синцхротрон се не помера стално и интегрисане у "грудвице." Могу бити неколико центиметара и десетину милиметра у пречнику, и садрже око ^{12 октобра} честице. Овај ниске густине, јер величина таквог материјала садржи око ^{23. октобра} атома. Стога, када се сударају греде укрштају, постоји само мала вероватноћа да ће се честице међусобно реагују. У пракси угрушци и даље да се креће по рингу и поново срести. Хигх вакуум у акцелератора наелектрисаних честица (10 ^-11 мм Хг. В.) је неопходна како би се честице могу циркулише много сата без колизија са молекулима ваздуха. Стога, прстен се назива кумулативни, јер зраци заправо чува у њему за неколико сати.

регистрација

Цхаргед акцелератори честица у већини могу регистровати се јавља када честице погоди мету или други зрак, креће у супротном смеру. У телевизија пицтуре тубе, електрони из пиштоља да удари екран фосфора на унутрашњој површини и емитују светлост, која тако изнова остварује преноси слику. У акцелераторима такви специјализирани детектора реагују на расутих честица, али они су обично дизајнирани за стварање електричне сигнале који се могу претворити у рачунарске податке и анализиране коришћењем компјутерских програма. Онли цхаргед елементс произведу електричне сигнале који пролазе кроз материјал, на пример јонизацију или ексцитације атома, и може се детектовати директно. Неутрални честице попут неутрона и фотона може детектовати индиректно понашањем наелектрисаних честица да су у покрету.

Постоје многи специјализовани детектора. Неке од њих, као што је Гајгеров бројач, честица бројање и друге сврхе, нпр, за снимања нумера или мерења брзине енергије. Модерни детектори величине и технологије може се разликовати од малих ЦЦД сензор до великих гасних комора са жица, откривају јонизоване трагове које производи наелектрисаних честица.

прича

Цхаргед акцелератори честица углавном развијени за студије својствима атомских језгара и елементарних честица. Од отварања британског физичара Ернест Рутхерфорд 1919., реакција азота језгра и алфа честице, сва истраживања у области нуклеарне физике на 1932. извршен с језгра хелијума, објавила пропадања природних радиоактивних елемената. Природни алфа-честице имају кинетичку енергију од 8 МеВ, али Радерфорд веровали да морају бити вештачки убрзати како још више вредности за праћење пропадање тешких језгара. Тада је то изгледало тешко. Међутим, прорачун је 1928. године Георгием Гамовим (на Универзитету у Гетингену, Немачка), показало је да се јони се користе на много нижим енергијама, а то је стимулисао покушаје да изгради објекат који обезбеђује сноп довољан за нуклеарна истраживања.

Остали догађаји из овог периода показали принципе по којима се терети за убрзавање честица су изграђени до данашњег дана. Први успешни експерименти са вештачки убрзаним јона су одржани Цоцкрофт и Валтон 1932. године на Универзитету у Кембриџу. Користећи напона мултипликатор, протона убрзан до 710 кеВ, и показао да други реагују са литијумом формирају два алфа честице. До 1931. године, на Универзитету Принстон у Њу Џерсију Роберт ван де Граафф електростатички појас изграђен је први високи потенцијал генератор. Волтаге мултиплиер Цоцкрофт-Валтон генератори и ВАН ДЕ ГРАФОВ ГЕНЕРАТОР се још увек користи као извор енергије за акцелератора.

Принцип линеарног акцелератора резонантне је показао Ролф Видерое у 1928. Рајна-вестфалског Техничком универзитету у Ахену, Немачка, користио је велику АЦ напон да убрза натријума и калијума јона до енергије у више од два пута да им кажем. У 1931. у САД Ернест Лоуренс и његов помоћник Дејвид Слоан са Универзитета Беркли, користи поља за високе фреквенције за убрзање живу јона енергије веће од 1,2 МеВ. Овај рад је допуњено акцелератор тешких наелектрисаних честица Видерое, али снопови јона нису корисни у нуклеарна истраживања.

Магнетна резонанца акцелератор или Циклотрон, замишљен као модификацију инсталације Лавренце Видерое. Студент Лавренце Ливингстон показао принцип циклотрона 1931., прављење јоне са јачином од 80 кеВ. 1932., Лавренце и Ливингстон најавио убрзање протона до више од 1 МеВ. Касније, у 1930-их, енергетски циклотрон достигла око 25 МеВ, као и Ван де Граафф - око 4 МеВ. 1940. Доналд Рождество, примењујући резултате пажљиво прорачуна орбите на магнет структура, изграђена на Универзитету у Илиноису, у првом Бетатрон, магнетне индукције електрона акцелератора.

Модерне физике: акцелератори честица

После Другог светског рата дошло је брз напредак у науци убрзања честице високе енергије. Почело је Едвин МцМиллан у Берклију и Владимир Векслер у Москви. 1945., они су оба независно један од другог су описали принцип стабилности фазе. Овај концепт нуди средства за одржавање и стабилне орбите честица у кружном акцелератор који уклоњен ограничења на протона енергије и помогло да се направи магнетна резонанца акцелератора (Синцхротронс) за електрона. Аутопхасинг, имплементација принципа стабилности фазе, потврђено је након изградње малог синхроциклотрон на Универзитету у Калифорнији и Синцхротрон у Енглеској. Убрзо након тога, први протона линеарни акцелератор резонантна је направљен. Овај принцип се користи у свим већим протона Синцхротронс изграђених од тада.

Године 1947., Вилијам Хансен на Станфорд Универзитету у Калифорнији, саграђена је први електронски линеарни акцелератор на путовања талас, који користи микроталасну технологију која је развијен за радара током Другог светског рата.

Напредак у студији је омогућено повећање протона енергије, што је довело до изградње све већим акцелератора. Овај тренд је висока производња трошкови велики магнет за прстен је заустављена. Највећи тежи око 40.000 тона. Методе за повећање енергије без раста величине машина су приказани у око 1952 году Ливингстоне, Цоурант и Снидер техником наизменично са фокусом (понекад се назива јака фокусирање). Синцхротронс раде на овом принципу, користимо магнете 100 пута мања него пре. Такво фокусирање се користи у свим модерним Синцхротронс.

1956. Рождество схватио да ако су два скупа честица се задржавају на укрштају орбите, можете гледати их сударају. Примена ове идеје потребно је акумулација убрзан греде у циклусима, под називом кумулативно. Ова технологија је постигла максималну енергију интеракције честица.