Linear accelerators ng sisingilin particle. Tulad ng maliit na butil accelerators trabaho. Bakit accelerators tinga?

Ang accelerator ng sisingilin particle - isang aparato kung saan ang isang sinag ng electrically sisingilin atomic o subatomic particle naglalakbay nang halos kasing bilis. Ang batayan ng kanyang trabaho ay kinakailangan dagdagan ang kanilang enerhiya sa pamamagitan ng isang electric field at palitan ang trajectory - magnetic.

Ano ang maliit na butil accelerators?

Mga aparatong ito ay malawakang ginagamit sa iba't-ibang larangan ng agham at industriya. Upang petsa, sa buong mundo mayroong higit sa 30 libo. Para sa physics ng sisingilin tipik accelerators magsilbi bilang isang tool ng pangunahing pananaliksik sa istraktura ng atom, ang likas na katangian ng nuclear pwersa at nuclear mga ari-arian, na kung saan ay hindi mangyari sa natural. Kasama sa mga elementong transuranic at iba pang mga hindi matatag na mga elemento.

Gamit ang discharge tube ay naging posible na matukoy ang mga tiyak na bayad. Sisingilin tipik accelerators ay ginagamit din para sa produksyon ng mga radioisotopes, sa pang-industriya radyograpia, radiotherapy, para sa isterilisasyon ng biological mga materyales, at sa radiocarbon pagtatasa. Ang pinakamalaking unit ay ginamit sa pag-aaral ng mga pangunahing mga pakikipag-ugnayan.

Ang buhay ng sisingilin particle sa iba na may paggalang sa accelerator ay mas maliit kaysa sa mga particle pinabilis na bilis ng malapit sa bilis ng liwanag. Ito ang nagpapatunay na relatibong maliit na halaga ng oras station. Halimbawa, sa CERN ay nakakamit ng isang pagtaas sa ang buhay ng muon 0,9994c bilis 29 na beses.

Ang artikulong ito ay tumitingin sa kung ano ang sa loob at nagtatrabaho particle Accelerator, sa kanyang pag-unlad, iba't-ibang uri at iba't ibang mga tampok.

prinsipyo acceleration

Hindi alintana kung anong uri ng sisingilin tipik accelerators alam mo, lahat sila ay may mga karaniwang mga elemento. Una, dapat silang magkaroon ng isang pinagmulan ng mga electron sa kaso ng isang tube ng telebisyon larawan o mga electron, protons at ang kanilang mga antipartikulo sa kaso ng mas malaking pag-install. Higit pa rito, dapat silang lahat ay may electric field upang mapabilis particle at magnetic field upang makontrol ang kanilang tilapon. Sa karagdagan, ang vacuum sa sisingilin particle Accelerator (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Ang isang minimum na dami ng mga tira-tirang hangin, ay kinakailangan upang masiguro ang isang mahabang buhay oras beams. Sa wakas, ang lahat ng mga pag-install ay dapat magkaroon ng registration ibig sabihin nito, ang pagbilang at pagsukat ng pinabilis na particle.

henerasyon

Electron at protons, na kung saan ay pinaka-karaniwang ginagamit sa accelerators, ay natagpuan sa lahat ng mga materyales, ngunit unang dapat nilang piliin mula sa mga ito. Electron kadalasan ay nabuo sa parehong paraan tulad ng sa tube larawan - sa isang aparato na kung saan ay tinatawag na isang "gun". Ito ay isang katod (negatibong elektrod) sa vacuum, na kung saan ay iniinitan sa isang estado kung saan electron simulan na dumating off ang mga atomo. Negatibong sisingilin particle ay naaakit sa anod (positibong elektrod) at ipasa sa pamamagitan ng mga outlet. Ang gun mismo ay pinakasimpleng bilang ang accelerator dahil ang electron ay gumagalaw sa ilalim ng impluwensiya ng isang electric field. Ang boltahe sa pagitan ng mga katod at anod, ay karaniwang sa hanay 50-150 kV.

Bukod sa mga electron sa lahat ng mga materyales na nakapaloob protons, ngunit lamang ng isang solong nucleus proton binubuo ng hydrogen atoms. Samakatuwid, ang maliit na butil pinagmulan para proton accelerators ay hydrogen gas. Sa kasong ito, ang gas ay magkaroon ng ion at ang protons ay matatagpuan sa pamamagitan ng hole. Sa malaking accelerators protons ay madalas na binuo sa anyo ng mga negatibong ions hydrogen. Kinakatawan nila ang isang karagdagang electron mula sa atoms na kung saan ay ang produkto ng isang may dalawang atomo lang gas ionization. Dahil ang negatibong sisingilin ions hydrogen sa unang yugto ng trabaho mas madali. Pagkatapos pumasa ang mga iyon sa pamamagitan ng isang manipis na foil, na deprives sa kanila ng mga electron bago ang pangwakas na yugto ng acceleration.

pagpabibilis

Tulad ng maliit na butil accelerators trabaho? Ang isang pangunahing tampok ng lahat ng mga ito ay ang electric field. Ang pinakasimpleng halimbawa - ang uniporme static field sa pagitan ng positibo at negatibong electric potensyal, na katulad na kung saan ay umiiral sa pagitan ng mga terminal ng electric baterya. Ito electron patlang na nagdadala ng isang negatibong singil ay nailantad sa isang lakas na namamahala ito sa isang positibong potensyal. Ito accelerates ito, at kung may anumang bagay na tumayo sa paraan, ang kanyang bilis at lakas pagtaas. Electron paglipat patungo sa positibong potensyal sa wire o sa hangin, at sumalungat sa mga atoms mawalan ng enerhiya, ngunit kung ito ay matatagpuan sa vacuo, pagkatapos ay pinabilis na habang papalapit sila sa anod.

Tensyon sa pagitan ng simula at wakas na posisyon ng tinutukoy electron binili ang mga ito enerhiya. Kapag ang paglipat sa pamamagitan ng isang potensyal na pagkakaiba ng 1 V ay katumbas ng 1 elektron-volt (eV). Ito ay katumbas ng 1,6 × 10 ^-19 dyul. Ang enerhiya ng isang lumilipad lamok trilyong beses na mas. Sa kineskope electron ay pinabilis na boltahe mas malaki kaysa sa 10 kV. Maraming mga accelerators maabot ang mas mataas na energies sinusukat mega, giga at tera-elektron-volts.

uri ng hayop

Ang ilan sa mga pinakamaagang mga uri ng maliit na butil accelerators, gaya ng boltahe multiplier at ang generator Van de Graaff generator, gamit ang isang pare-pareho ang electric field na binuo ng potensyal ng hanggang sa isang milyong volts. Na may tulad na mataas na voltages trabaho madali. Ang isang mas praktikal na alternatibo ay ang paulit-ulit na pagkilos ng mahinang electrical mga patlang produce mababang potensyal. prinsipyo na ito ay ginagamit sa dalawang uri ng modernong accelerators - linear at paikot (unang-una cyclotrons at synchrotrons). Linear accelerators maliit na butil, sa madaling salita, lumipas ito nang isang beses sa pamamagitan ng pagkakasunud-sunod ng accelerating patlang, habang ang cyclically maraming beses ilipat ito sa isang pabilog na path sa loob ng relatibong maliit na electric field. Sa parehong mga kaso, ang pangwakas na enerhiya ng mga particle ay nakabatay sa buong larangan ng aksyon, kaya na maraming maliliit na "bumps" ay pinagsama-sama upang bigyan ang pinagsamang epekto ng isang solong malaki.

Ang paulit-ulit na istraktura ng isang linear accelerator upang makabuo ng electric patlang sa isang natural na paraan ay ang gamitin ang AC, hindi DC. Ang positibo sisingilin particle ay pinabilis na sa mga negatibong mga potensyal na at makakuha ng isang bagong sigla, kung pumasa positibo. Sa pagsasanay, ang boltahe ay dapat baguhin nang masyadong mabilis. Halimbawa, sa isang enerhiya ng 1 MeV proton gumagalaw sa mataas na bilis ay ang bilis ng liwanag ng 0.46, pagpasa 1.4 m ng 0.01 ms. Nangangahulugan ito na sa nauulit na istraktura ng ilang metro ang haba, ang electric field ay dapat magbago ng direksyon sa isang dalas ng hindi bababa sa 100 MHz. Linear at paikot accelerators particle karaniwang pananabugin ko sila sa mga alternating electric field dalas mula sa 100 MHz sa 3000, t. E. Sa hanay ng mga radio waves upang microwaves.

Ang electromagnetic wave ay isang kumbinasyon ng oscillating electric at magnetic field oscillating sa tamang mga anggulo sa bawat isa. Ang mga pangunahing punto ay upang ayusin ang accelerator alon kaya na sa pagdating ng mga particle sa electric field ay nakadirekta alinsunod sa mga acceleration vector. Ito ay maaaring gawin sa pamamagitan ng paggamit ng isang standing wave - ang kumbinasyon ng mga waves naglalakbay sa kabaligtaran direksyon sa isang closed space, ang sound waves sa organ pipe. Isang alternatibo sagisag para sa mabilis na paglipat ng mga electron na velocity papalapit sa bilis ng liwanag, isang naglalakbay wave.

autophasing

Isang mahalagang epekto ng acceleration sa isang alternating electric field ay isang "phase katatagan". Sa isang imbayog ikot ng alternating ang patlang na dumadaan sa zero mula sa pinakamataas na halaga pabalik sa zero, ito ay nababawasan sa isang minimum at rises sa zero. Kaya, ito ay ipinapasa ng dalawang beses sa pamamagitan ng mga halaga na kinakailangan para sa acceleration. Kung ang isang maliit na butil na ang bilis ay nagdaragdag, ay dumating masyadong maaga, hindi ito gagana sa isang larangan ng sapat na lakas, at ang push ay magiging mahina. Kapag umabot sa susunod na lugar, ang mga pagsubok late at higit pa epekto. Bilang isang resulta, self-phasing nangyayari, ang mga particle ay magiging sa phase sa bawat field sa accelerating rehiyon. Ang isa pang epekto ay ang pagpapangkat ng mga ito sa oras upang bumuo ng isang namuong sa halip na isang tuloy-tuloy na stream.

Ang direksyon ng beam

Isang mahalagang papel sa kung paano ang mga gawa at particle Accelerator, maglaro at magnetic field, tulad ng maaari nilang baguhin ang direksyon ng kanilang kilusan. Ito ay nangangahulugan na maaari nilang gamitin para sa "baluktot" ng beam sa isang pabilog na landas, kaya sila nang paulit-ulit ang pumasa sa pamamagitan ng parehong accelerating seksyon. Sa pinakasimpleng kaso, sa isang sisingilin tipik gumagalaw sa isang karapatan anggulo sa direksyon ng ang homogenous na magnetic field, isang puwersa vector perpendikular sa parehong mga paggalaw nito, at sa field. Ito nagiging sanhi ng beam upang ilipat sa isang paikot na daanan patayo sa field, hanggang sa ito ay dumating sa labas ng kanyang mga larangan ng pagkilos o iba pang mga puwersa ay nagsisimula na kumilos sa ito. Ang epektong ito ay ginagamit sa cyclic accelerators tulad ng isang synchrotron at sayklotron. Sa isang sayklotron, ang pare-pareho ang patlang na ito ay nagawa sa pamamagitan ng isang malaking magnet. Particles sa pagtaas ng kanilang enerhiya paglipat spirally sa itsura pinabilis na sa bawat rebolusyon. Ang synchrotron clots gumalaw sa paligid ng singsing na may isang pare-pareho ang radius, at ang field na binuo ng electromagnets sa paligid ng ring pagtaas ng bilang ng mga particle ay pinabilis. Ang magneto pagbibigay ng "baluktot", ay kumakatawan dipoles na may north at south pole, baluktot sa isang magbakal hugis upang ang beam ay maaaring ipasa therebetween.

Ang pangalawang mahalagang function ng electromagnets ay mag-focus sa mga beams upang ang mga ito ay kaya makitid at matinding panahon. Ang pinakasimpleng anyo ng isang tumututok magnet - na may apat na poste (dalawang hilagang at dalawang timog) na matatagpuan sa tapat ng bawat isa. Sila ay itulak ang mga particle sa sentro sa isang direksyon, ngunit payagan ang mga ito upang maging ipinamamahagi sa tirik. Quadrupole magneto tumutok sa mga poste pahalang, na nagpapahintulot sa kanya upang pumunta sa labas ng focus patayo. Upang gawin ito, dapat nilang gamitin sa mga pares. Para sa mas tumpak na tumututok ay ginagamit din mas sopistikadong magneto na may isang malaking bilang ng mga pole (6 at 8).

Dahil ang enerhiya ng mga pagtaas ng maliit na butil, ang lakas ng magnetic field, na nagtutulak sa kanila ay nagtataas. Ito ay para mapigil ang beam sa parehong tilapon. Ang kulta ay ipinakilala sa ring at ay pinabilis na sa isang nais na enerhiya bago ito ma-withdraw at ginagamit sa mga eksperimento. Pagbawi ay nakamit sa pamamagitan electromagnets na kung saan ay isinaaktibo upang itulak ang mga particle mula sa synchrotron ring.

banggaan

Sisingilin tipik accelerators ginagamit sa medisina at industriya, higit sa lahat gumawa ng isang poste para sa isang partikular na layunin, hal, pag-iilaw o ion pagtatanim. Nangangahulugan ito na ang mga particle na ginagamit nang isang beses. Ang parehong ay totoo ng accelerators ginagamit sa basic pananaliksik para sa maraming mga taon. Ngunit ang singsing ay binuo sa 1970, kung saan dalawang beams nagpapalipat-lipat sa tapat ng mga direksyon at nagbanggaan sa paligid ng circuit. Ang pangunahing bentahe ng naturang mga sistema ay na sa isang pangharap banggaan enerhiya ng mga particle napupunta direkta sa pakikipag-ugnayan ng enerhiya sa pagitan ng mga ito. Ito contrasts sa kung ano ang mangyayari kapag ang sinag collides sa isang walang galaw mga larawan, kung saan ang karamihan ng mga enerhiya napupunta sa pagbabawas ng ang target na materyal sa motion, alinsunod sa mga prinsipyo ng konserbasyon ng momentum.

Ang ilang mga machine na may nagbabanggaan beams ay constructed na may dalawang rings, intersecting sa dalawa o higit pang mga lugar, kung saan circulated sa kabaligtaran direksyon, ang mga particle ng parehong uri. Higit pang mga karaniwang collider tinga-antipartikulo. Antipartikulo ay ang kabaligtaran singil ng ang mga kaugnay na mga particle. Halimbawa, ang positron, ay positibo sisingilin, at electron - nang negatibo. Ito ay nangangahulugan na ang isang patlang na accelerates ang elektron, positron slows down, gumagalaw sa parehong direksyon. Ngunit kung ang huli gumagalaw sa tapat ng direksyon, ito ay mapabilis. Katulad nito, ang isang elektron gumagalaw sa pamamagitan ng isang magnetic field kalooban curve sa kaliwa, at ang positron - tama. Ngunit kung ang positron ay sumusulong, at pagkatapos ay ang kanyang mga landas ay patuloy na lumihis sa kanan, ngunit sa parehong curve tulad ng sa elektron. Gayunpaman, ito ay nangangahulugan na ang mga particle maaaring ilipat sa pamamagitan ng mga singsing ng synchrotron parehong magneto at pinabilis na sa pamamagitan ng parehong electric field sa tapat ng direksyon. Ngayong prinsipyo nilikha maraming mga makapangyarihang mga colliders nagbabanggaan beams, t. Upang. Ang tanging nangangailangan ng isang singsing accelerator.

Beam sa synchrotron ay hindi gumagalaw at patuloy na isinama sa "clumps." Maaari silang maging ng ilang sentimetro ang haba at ang ikasampung bahagi ng isang milimetro sa diameter, at bumubuo tungkol ^{12 Oktubre} particle. Ito mababang density, dahil ang laki ng naturang materyal ay naglalaman ng tungkol sa ^{23 October} atoms. Samakatuwid, kapag ang isang nagbabanggaan beams magsalubong, mayroon lamang isang maliit na bagay na maaaring mangyari na ang mga particle ay tumauli sa bawat isa. Sa pagsasanay clots ay patuloy na ilipat sa paligid ng ring at matugunan muli. Mataas vacuum sa accelerator ng sisingilin particle (10 ^-11 mm Hg. V.) Ay kinakailangan upang ang mga particle ay maaaring kumalat sa loob ng maraming oras nang walang banggaan ng air molecules. Samakatuwid, ang singsing ay tinatawag din pinagsama-samang, dahil beams aktwal na naka-imbak sa ganyang bagay para sa ilang oras.

rehistrasyon

Sisingilin tipik accelerators sa karamihan ay maaaring magparehistro ay nangyayari kapag ang mga particle matumbok ang puntirya o ang iba pang beam, gumagalaw sa tapat ng direksyon. Sa isang telebisyon tube larawan, mga electron mula sa baril upang hampasin ang pospor screen sa panloob na balat at naglalabas ng liwanag, na dahil doon recreates ang nakukuha sa imahe. Sa accelerators tulad pinasadyang mga detektor reaksyon sa nakakalat particle, ngunit sila ay karaniwang dinisenyo upang lumikha ng mga de-koryenteng signal na maaaring-convert sa data computer at pinag-aralan ng paggamit ng mga programa computer. Tanging sisingilin elemento makabuo ng mga de-koryenteng signal pagpasa sa pamamagitan ng mga materyales, halimbawa sa pamamagitan ng ionization o paggulo ng atoms, at maaaring napansin direkta. Ang neutral na mga particle tulad ng neutrons o photons ay maaaring napansin tuwiran sa pamamagitan ng mga pag-uugali ng sisingilin particle na ang mga ito sa paggalaw.

Mayroong maraming mga pinasadyang mga detector. Ang ilan sa kanila, tulad ng isang Geiger counter, isang maliit na butil count, at iba pang mga gamit, hal, para sa pag-record ng mga track o bilis pagsukat ng enerhiya. Modern detector sa laki at teknolohiya, maaaring mag-iba mula sa maliit na bayad kaisa aparato sa mga malalaking gas kamara na puno na may mga wire na detect ionized track na ginawa ng sisingilin particle.

kuwento

Sisingilin tipik accelerators higit sa lahat na binuo para sa mga pag-aaral sa mga katangian ng atomic nuclei at elementary particles. Dahil ang pagbubukas ng British pisisista Ernest Rutherford noong 1919, ang reaksyon ng nucleus nitrogen at isang alpha maliit na butil, ang lahat ng mga pananaliksik sa larangan ng nuclear physics sa 1932 ay natupad na may helium nuclei, na ipinalabas ng pagkabulok ng natural radioactive elemento. Natural alpha-particle magkaroon ng isang kinetiko enerhiya ng 8 MeV, ngunit Rutherford ay naniniwala na dapat silang maging artipisyal na pinabilis na sa mas mataas na mga halaga para sa pagsubaybay ng pagkabulok ng mabigat na nuclei. Sa oras na ito tila mahirap. Gayunman, ang mga pagkalkula na ginawa sa 1928 sa pamamagitan Georgiem Gamovym (sa University of Gottingen, Germany), ay nagpakita na ang mga ions ay maaaring gamitin sa mas mababa enerhiya, at ito ay may stimulated pagtatangka upang bumuo ng isang pasilidad na nagbibigay ng isang beam sapat para sa Nuclear Research.

Ibang mga kaganapan ng panahon na ito nagpakita sa mga prinsipyo sa pamamagitan ng kung saan ang sisingilin tipik accelerators ay itinayo hanggang sa araw na ito. Ang unang matagumpay na mga eksperimento na may artipisyal na pinabilis ions ay gaganapin Cockroft at Walton noong 1932 sa Cambridge University. Sa pamamagitan ng paggamit ng isang boltahe multiplier, protons ay pinabilis na sa 710 keV, at ay nagpakita na ang huli reaksyon na may lithium upang bumuo ng dalawang alpha particle. Sa pamamagitan ng 1931, sa Princeton University sa New Jersey, Robert Van de Graaff electrostatic belt binuo ang unang high-potensyal na generator. Boltahe multiplier Cockcroft-Walton generators at Van de Graaff generator pa rin ang ginagamit bilang pinagkukunan ng enerhiya para accelerators.

Ang prinsipyo ng linear malagong accelerator ay nagpakita Rolf Wideroe noong 1928. Ang Rhine-Westphalian Technical University sa Aachen, Germany, ginamit niya ang isang mataas na AC boltahe upang bilisan ang sosa at potasa ions sa energies na higit sa dalawang beses upang sabihin sa kanila. Sa 1931 sa Estados Unidos Ernest Lourens at ang kanyang assistant David Sloan ng University of California, Berkeley, na ginagamit ang mga patlang high-dalas upang bilisan ions mercury sa energies mas malaki kaysa sa 1.2 MeV. Trabaho na ito ay kinumpleto accelerator ng mabigat na sisingilin particle Wideroe, ngunit ang mga ion beams ay hindi kapaki-pakinabang sa nuclear research.

Magnetic resonance accelerator o sayklotron, ay conceived bilang isang pagbabago ng Lawrence Wideroe pag-install. Mag-aaral Lawrence Livingston nagpakita sa prinsipyo ng sayklotron noong 1931, ginagawa ang ions na may isang enerhiya ng 80 keV. Noong 1932, Lawrence at Livingston inihayag ang acceleration ng protons ng hanggang sa higit sa 1 MeV. Mamaya sa 1930s, enerhiya cyclotrons naabot halos 25 MeV, at ang Van de Graaff - tungkol sa 4 MeV. Sa 1940, Donald Kerst, nag-aaplay ang mga resulta ng maingat na mga kalkulasyon ng orbit sa pang-akit na istraktura, na binuo sa University of Illinois, ang unang betatron, magnetic induction elektron aselerador.

Modern physics: maliit na butil accelerators

Pagkatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig nagkaroon ng mabilis na pag-unlad sa agham ng accelerating particle sa mataas na energies. Nagsimula ito Edwin McMillan sa Berkeley at Vladimir Veksler sa Moscow. Sa 1945, ang mga ito parehong nakapag-iisa mula sa bawat isa ay may inilarawan ang prinsipyo ng phase katatagan. konsepto na ito ay nag-aalok ng isang paraan upang mapanatili ang matatag na orbit ng mga particle sa isang pabilog na accelerator na inalis paghihigpit sa proton enerhiya at nakatulong lumikha ng isang magnetic resonance accelerators (synchrotrons) para sa mga electron. Autophasing, ang pagpapatupad ng mga prinsipyo ng phase katatagan, ay nakumpirma na pagkatapos ng pagtatayo ng isang maliit na sinkrolotron sa University of California at ang synchrotron sa England. Makalipas ang ilang sandali, ang unang proton linear malagong accelerator ay nilikha. prinsipyo na ito ay ginagamit sa lahat ng mga pangunahing proton synchrotrons na binuo mula noon.

Sa 1947, William Hansen, sa Stanford University sa California, na binuo ang unang electron linear accelerator sa naglalakbay na alon, na kung saan ginagamit microwave teknolohiya na binuo para sa mga radar sa panahon ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig.

Pag-usad sa pag-aaral ay ginawa posible sa pamamagitan ng pagtaas ng proton enerhiya, na kung saan ang humantong sa pagtatayo ng kailanman mas malaking accelerators. Trend na ito ay ng mataas na manufacturing cost malaking magnet singsing ay inihinto. Ang pinakamalaking weighs sa paligid ng 40,000 tonelada. Pamamaraan para sa pagtaas ng enerhiya na walang machine size paglago ay screened sa tungkol sa 1952 godu Livingstone, Courant at Snyder isang diskarte ng alternating tumututok (minsan ay tinatawag malakas na tumututok). Synchrotrons nagtatrabaho sa prinsipyo na ito, gamitin ang mga magneto sa 100 beses na mas maliit kaysa sa dati. Ang ganitong mga tumututok ay ginagamit sa lahat ng mga modernong synchrotrons.

Noong 1956 Kerst natanto na kung ang dalawang hanay ng mga particle ay mananatili sa intersecting orbit, maaari mong panoorin ang mga ito nagbanggaan. Ang application ng ideyang ito kinakailangan ang akumulasyon pinabilis na beams sa cycle, na tinatawag na naiipon. Ang teknolohiyang ito ay nakakamit ng isang maximum na enerhiya ng mga particle pakikipag-ugnayan.