Yüklü parçacıkların Lineer hızlandırıcı. parçacık hızlandırıcıları çalışma olarak. Neden parçacık hızlandırıcılar?

yüklü parçacıkların gaz - bir aygıt olup, burada hemen hemen hızda hareket eden elektrik yüklü atom veya atom altı parçacıkların bir kiriş. işinin temeli gerekli artış onların olduğu bir elektrik alanı ile enerji ve yörüngesini değiştirmek - manyetik.

parçacık hızlandırıcıları nelerdir?

Bu cihazlar yaygın bilim ve sanayinin çeşitli alanlarında kullanılmaktadır. Bugüne kadar, dünya çapında 30 binin üzerinde bulunmaktadır. yüklü parçacık hızlandırıcılarda fiziği için atomlu yapısı, doğal olarak bulunmayan nükleer kuvvetlerin ve nükleer özellikleri, doğası ile ilgili temel araştırmalar için bir araç olarak hizmet eder. ikinci transuranic ve stabil olmayan elemanları içerir.

deşarj tüpü mümkün hale gelmiştir ile belirli bir yükü belirlemek için. Yüklü parçacık hızlandırıcıları da biyolojik malzemelerin sterilizasyon maddeleri radyografi, radyoterapide radyoizotop üretimi için kullanılır ve içinde olan radyo-karbon analizi. Büyük birimler temel etkileşimlerin incelenmesinde kullanılmaktadır.

hızlandırıcı ile ilgili olarak hareketsiz yüklü parçacıkların süresi yakın hızlarına gelecek şekilde hızlandığından partiküllerin daha küçük olduğu ışık hızı. Bu kez istasyonlarının nispeten az miktarda onaylar. Örneğin, CERN'deki Müon 0,9994c hızı 29 kat ömrü bir artış elde edilmiştir.

Bu makale içinde ve parçacık hızlandırıcısı, gelişimini, farklı türde ve farklı özellikleri nelerin işe yaradığını bakar.

hızlanma ilkeleri

Ne olursa olsun Bildiğiniz yüklü parçacık hızlandırıcıları ne tür, hepsinin ortak unsurlar vardır. Birincisi, bunlar bir televizyon resim tüpü veya elektron, proton ve daha büyük tesisler durumunda kendi karşıt parçacık halinde bir elektronlar kaynağı olması gerekir. Dahası, hepsi kendi yörüngesini kontrol etmek parçacıklar ve manyetik alanlar hızlandırmak için elektrik alanları olmalıdır. Buna ek olarak, yüklü parçacık hızlandırıcı vakum (10 mm Hg ^-11. V.), M.E. artık havanın en az bir miktar, uzun bir yaşam süresi kirişler emin olmak için gereklidir. Son olarak, tüm tesisat kayıt araçları, hızlandırılmış parçacıkların sayım ve ölçüm olması gerekir.

nesil

En sık hızlandırıcıları kullanılan elektronlar ve protonlar, tüm malzemeler bulunur, ama önce onlar onlardan seçmelisiniz. Elektronlar, tipik olarak resim tüpü içinde aynı şekilde oluşturulur - bir "tabanca" olarak adlandırılan bir cihaz. Bu elektron atomuna koptuğu başlar burada bir duruma kadar ısıtılır, vakum içinde bir katot (negatif elektrot) 'dir. Negatif yüklü parçacıklar anot (pozitif elektrot) çeken ve çıkış içinden geçer. Elektronlar bir elektrik alan etkisi altında hareket ediyor, çünkü silah kendisi hızlandırıcı olarak basit olanıdır. tipik aralık 50-150 kV katot ve anot arasındaki gerilimi.

Yanı sıra, tüm malzemeler elektronların protonları ihtiva etmez, fakat sadece tek bir proton çekirdeği hidrojen atomlarından oluşan. Bu nedenle proton hızlandırıcıları için parçacık kaynağı hidrojen gazıdır. Bu durumda, gaz iyonize edilir ve protonlar delikten bulunmaktadır. Büyük hızlandırıcılar olarak proton genellikle olumsuz hidrojen iyonları şeklinde oluşturulur. Bir diatomik gaz iyonlaşma ürünü atomuna ek elektron temsil eder. işi daha kolay ilk aşamada negatif yüklü iyonların yana. Daha sonra, hızlanma son aşamadan önce elektron mahrum bırakır ince folyo, geçer.

ivme

parçacık hızlandırıcıları çalışma olarak? hepsi önemli bir özelliği elektrik alandır. En basit örnek - elektrik pil uçları arasında var olan benzer pozitif ve negatif elektrik potansiyellerine arasında düzgün statik alan. negatif yük taşıyan Bu elektron alan pozitif potansiyel yönlendiren bir kuvvete maruz kalır. Bunu hızlandırır ve bu arada, onun hız ve güç artışı durmak istiyorum şey varsa. tel üzerinde ya da hava içinde pozitif potansiyel doğru hareket elektronlar, ve atomlar enerji kaybı ile çarpışır, ancak vakum içinde bulunuyorsa, o zaman anot yaklaştıkça hızlandırmıştır.

Elektron tanımlayıp başlangıç ve bitiş pozisyonu arasında gerginlik onlara enerji satın almıştır. 1 V potansiyel farkı boyunca taşırken 1 elektron volt (eV) eşittir. Bu şekilde 1.6 x 10 ^-19 joule eşdeğerdir. trilyon kat daha uçan bir sivrisineğin enerjisi. kineskop elektron olarak 10 kV'dan daha büyük gerilim hızlandırılır. Birçok hızlandırıcılar mega, giga ve tera elektron-volt ölçülen çok daha yüksek enerjileri ulaşır.

tür

gibi parçacık hızlandırıcıları, erken türlerinden bazıları voltaj çoğaltıcı kadar bir milyon volt potansiyelleri ile oluşturulan sabit bir elektrik alanı kullanılarak ve jeneratör Van de Graaff jeneratör. böyle yüksek gerilimler ile kolay çalışır. Daha pratik bir alternatif düşük potansiyel üretilen zayıf elektrik alanlarında tekrarlanan eylemdir. Bu prensip, modern hızlandırıcılar iki tip kullanılır - doğrusal ve siklik (özellikle siklotron ve senkrotonlann). siklik birçok kez nispeten küçük bir elektrik alanı ile dairesel bir yol içinde hareket ederken doğrusal parçacık hızlandırıcıları, kısacası, hızlandırıcı alanları dizisi boyunca onları bir kez geçirilir. Birçok küçük "darbe" Tek büyük bir kombine etkisi vermek için bir araya eklenir, böylece iki durumda da, parçacıkların nihai enerji, projenin toplam alanının bağlıdır.

Doğal bir yolu AC değil, DC kullanmaktır bir lineer hızlandırıcı tekrarlayan yapısı elektrik alanları oluşturmak için. Pozitif geçmesi halinde pozitif yüklü parçacıklar, negatif potansiyele hızlandırılmış ve yeni bir ivme elde edilir. Uygulamada, gerilim çok çabuk değiştirilmelidir. Örneğin, çok yüksek bir hızda 1 MeV proton hamle bir enerji 0.01 ms'lik 1.4 m geçen 0.46 ışık hızıdır. Bu, uzun bir kaç metre tekrarlanan yapısında, elektrik alanları en az 100 MHz'lik bir frekansta yönünü değiştirmek gerektiği anlamına gelir. Doğrusal ve siklik hızlandırıcı parçacıkları genellikle, 100 MHz ile 3000 alternatif elektrik alanı frekans ile t karıştırır. E. mikrodalgalara radyo dalgalarının aralığında.

Elektromanyetik dalga, birbirlerine göre dik açıda salınan salınımlı elektrik ve manyetik alanlar ile bir kombinasyonudur. önemli olan nokta, elektrik alanı ivme vektörü ile uygun olarak yönlendirilir parçacıkların varış böylece gaz dalga ayarlamaktır. kapalı bir boşluk, boru organda ses dalgaları zıt yönlerde dalganın kombinasyonu - Bu bir dalga kullanılarak yapılabilir. hızlı olan ışık, bir dalga hızına yaklaşan hızları elektronları hareket ettirmek için alternatif bir düzenleme.

otomatik fazlama

bir alternatif elektrik alanına hızlanma önemli bir etki "faz stabilitesi" dir. Bir salınım döngüsü alternatif alan sıfıra maksimum değerden sıfıra geçer, bu minimuma düşer ve sıfıra yükselir. Bu nedenle, bu ivmesi için gerekli değer ile iki kez geçer. kimin hız artışları bir parçacık, çok erken gelirse, yeterli kuvvette bir alan çalışmaz ve itme zayıf olacaktır. Bir sonraki alanı, geç testi ve daha fazla etki ulaştığında. Sonuç olarak, kendi kendine aşamalı olarak ortaya çıkar, parçacıklar hızlandırıcı bölgede her alan faz içinde olacaktır. Diğer bir etki, bir pıhtı yerine sürekli bir akışı oluşturmak için zaman bunları gruplandırmadır.

ışınının yönünün

Onların hareketin yönünü değiştirmek gibi çalışır ve parçacık hızlandırıcı, ve manyetik alanlar oynamak nasıl önemli bir rolü. Bu, dairesel bir yol içinde kirişin "eğilme" için kullanılabilir, bu nedenle sürekli olarak aynı hızlandırıcı bölümü içinden geçirilmiştir anlamına gelir. En basit durumda, yüklü parçacık üzerinde homojen bir manyetik alanın yönüne dik bir açıda hareket eden bir kuvvet, kendisinin her iki hareket dik vektör, ve alan. eylem veya diğer kuvvet kendi alanında çıkan bu hareket başlayana kadar bu alana dik dairesel bir yol içinde taşımak için ışın neden olur. Bu etki, bir sinkrotron ve siklotron gibi siklik hızlandırıcılar kullanılır. Bir siklotronda, sabit alan büyük bir mıknatıs tarafından üretilir. Onların enerji arttıkça parçacıklar spiral dışarıya doğru her dönüşünde ile hızlandırılmış hareketli. Sinkrotron pıhtıları, sabit yarıçaplı bir halka etrafında hareket eder ve parçacıklar olarak halka artar çevresinde elektromıknatıs tarafından üretilen alan hızlandırılır. ışın aralarındaki geçirebilmesi için "bükme" veren mıknatıslar, bir at nalı şeklinde bükülmüş kuzey ve güney kutupları olan Dipolleri temsil eder.

elektromıknatıs ikinci önemli fonksiyonu mümkün olduğunca çok dar ve yoğun böylece kirişler odaklanmaktır. Bir odaklama mıknatısın en basit formu - birbirinin karşısında konumlanmış dört kutuplar (kuzey ikisi ve iki güney) ile. Bunlar tek bir yönde merkezi parçacıkları itme, ancak bunları dik dağıtılacak izin verir. Kuadropol mıknatıslar ona dikey odak dışı gitmek için izin yatay ışın odaklanır. Bunu yapmak için, onlar çiftler halinde kullanılmalıdır. daha doğru bir de kutup (6 ve 8), çok sayıda daha gelişmiş mıknatıs kullanılmaktadır odaklama için.

olanağına artar yönlendiren parçacık artar enerji, manyetik alanın gücü, yana. Bu, aynı yörünge üzerinde ışın tutar. Pıhtı halka içine dahil edilir ve bu geri çekilmiş ve deneylerde kullanılmadan önce arzu edilen bir enerjiye hızlandırılmıştır. Geri çekme senkrotron halkasından parçacıkları itmek için aktive edilir elektromıknatıs ile elde edilir.

çarpışma

esas olarak belirli bir amaç için bir ışın, örneğin, ışınlama veya iyon implantasyonu üretmek, ilaç ve sanayide kullanılan Yüklü parçacık hızlandırıcılar. Bu, partiküllerin bir kez kullanılabilir demektir. Aynı yıllardır temel araştırmalarında kullanılan hızlandırıcıları doğruydu. Ama yüzükler olduğu iki kiriş zıt yönlerde dolaşan ve devre etrafında çarpışır, 1970 yılında geliştirilmiştir. Bu tür sistemlerin en önemli avantajı, parçacıkların bir ön çarpışma enerjisine aralarındaki etkileşimin enerji doğrudan gider. Bu ışın, sabit resim ile çarpıştığı bu durumda enerjinin çoğu momentumun korunumu prensibine uygun olarak, hareket halinde hedef malzemenin azalmasına gittiğinde ne olur ile tezat oluşturmaktadır.

Çarpışan kirişler Bazı makineler, iki ya da daha fazla yerde kesen, iki halka ile oluşturulmuş olan, zıt yönlerde aynı tip parçacıklar dağıtılır. Daha yaygın hızlandırıcı parçacık antiparçacık. Antiparticle ilişkili tanecikler karşıt yüke sahiptir. Örneğin, pozitron, pozitif yüklü ve elektronlar edilir - olumsuz. Bu elektron hızlandıran bir alan, pozitron aynı yönde hareket eden, yavaşladığı anlamına gelmektedir. Ama ters yönde ikinci hamle, o hızlandıracaktır eğer. Benzer şekilde, bir elektron sola manyetik alan olacak eğrisi ve pozitron ile hareket - doğru. pozitron ilerliyor Ama eğer onun yol sağa sapma devam eder, ancak elektronun aynı eğri üzerinde olacaktır. Bununla birlikte, bu parçacıklar sinkrotron aynı mıknatıs halkası içinden hareket eder ve ters yönlerde aynı elektrik alanları tarafından hızlandırılır anlamına gelir. Bu ilke, kirişler çarpışan birçok güçlü çarpıştırıcılar yarattı günü, t. belirleyin. sadece bir halka hızlandırıcı gerektirir.

senkrotonunun içinde Işın sürekli hareket eden ve entegre değil "yığınların." Bunlar çeşitli uzunlukta santimetre çapında bir milimetrenin onda olabilir ve yaklaşık 10 ila ¹² partikülleri içerebilir. Bu düşük yoğunluklu, bu malzemenin büyüklüğü ^{23 Ekim} atomu içerdiğinden. çarpan bir kiriş kesiştiğinde, bu nedenle, parçacıkların birbirleri ile reaksiyona girer ki sadece küçük bir olasılık vardır. Uygulamada pıhtıları halka etrafında taşımak ve tekrar yerine getirmeye devam. yüklü parçacıkların (10 ^-11 mmHg. V.) ait hızlandırıcı yüksek vakum partiküller hava molekülleri ile çarpışmadan saatlerce dolaflabilmesi gereklidir. kiriş aslında birkaç saat içinde depolanmış nedenle, sözkonusu halka aynı şekilde, kümülatif olarak adlandırılır.

kayıt

parçacıklar karşıt yönde hareket eden, bir hedef veya diğer kiriş vurduğunda kayıt olabilir çoğunluğu yüklü parçacık hızlandırıcı oluşur. Bir televizyon resim tüpünde, tabancadan elektronlar iç yüzeyinde fosfor ekran grev ve böylece iletilen görüntüyü yeniden ışık vermesi. Hızlandırıcılar olarak, örneğin özel bir detektörler dağılmış parçacıklar tepki verir, ama bunlar genellikle bilgisayar veri haline dönüştürülür ve bilgisayar programları kullanılarak analiz edilebilir elektrik sinyallerini oluşturmak için tasarlanmıştır. Sadece elemanları iyonizasyon veya atom uyarma, örneğin malzeme boyunca geçen elektrik sinyallerinin üretilmesi ve direkt olarak tespit edilebilir ücret. Bu tür nötron veya foton nötr parçacıklar, hareket halinde yüklü parçacıkların davranışı vasıtasıyla dolaylı olarak tespit edilebilir.

Birçok uzman dedektörler vardır. Bu tür kayıt bantlarına veya enerji hızı ölçümü için bir Geiger sayacı, bir partikül sayısı ve diğer kullanımlar, örneğin, Bunlardan bazıları,. büyüklüğü ve teknolojisi Modern detektörler, yüklü parçacıklar tarafından üretilen iyonize parçalarını tespit teller ile büyük bir gaz ile dolu odacığı küçük yük eşlemeli cihazlar arasında değişebilir.

öykü

Yüklü parçacık hızlandırıcıları esas atom çekirdekleri ve temel parçacıkların özellikleri çalışmaları için geliştirilmiş. İngiliz fizikçi açılması yana Ernest Rutherford 1919, azot çekirdek ve bir alfa parçacığının Reaksiyon, 1932 nükleer fizik alanında tüm araştırmalar doğal radyoaktif elementler bozunumu ile serbest helyum çekirdekleri, ile gerçekleştirilmiştir. Doğal alfa parçacıkları 8 MeV kinetik enerjiye sahip, ancak Rutherford yapay olarak ağır çekirdeklerin çürüme izlenmesi için için daha yüksek değerlere hızlandırılmış gerektiğine inanılmaktadır. zamanda zor görünüyordu. Bununla birlikte, 1928 yapılan hesaplama Georgiem Gamovym (Göttingen Üniversitesi, Almanya de), iyonlar daha düşük enerjilerde kullanılabilir ve bu Nükleer Araştırma için yeterli bir kiriş sağlayan bir tesis oluşturmak için girişimlerde stimüle ettiğini göstermiştir.

Bu dönemin diğer olaylar yüklü parçacık hızlandırıcıları bu güne kadar inşa edildiği tarafından ilkelerini gösterdi. yapay hızlandırılmış iyonları ile ilk başarılı deneyler Cambridge Üniversitesi'nde 1932 yılında Cockroft ve Walton düzenlendi. bir voltaj çarpan kullanarak, protonlar 710 keV'ye ve son iki alfa parçacıklarını oluşturmak üzere lityum ile reaksiyona göstermiştir edilir. 1931'de, New Jersey Princeton Üniversitesi'nde Robert Van de Graaff elektrostatik kemer ilk yüksek potansiyel jeneratör inşa etti. Gerilim çarpan Cockcroft-Walton jeneratörler, Van de Graaff jeneratör hala hızlandırıcıları için enerji kaynağı olarak kullanılır.

Doğrusal rezonans hızlandırıcı prensibi Aachen, Almanya 1928 Ren Vestfalyanın Teknik Üniversitesi'nde Rolf Widerøe gösterilmiştir, onları anlatmak için iki kat aşan enerjilerine, sodyum ve potasyum iyonlarını hızlandırmak için yüksek bir AC gerilim kullanılır. 1931 yılında Amerika Birleşik Devletleri Ernest Lourens ve asistanı California, Berkeley Üniversitesi'nden David Sloan, 1,2 MeV daha yüksek erkelere cıva iyonları hızlandırmak için yüksek frekanslı alanlar kullanılır. Bu çalışma, ağır yüklü parçacıklar Widerøe ait hızlandırıcı tamamlanmaktadır fakat iyon ışınları nükleer araştırmalarda faydalı değildir.

Manyetik rezonans gaz veya siklotron Lawrence Widerøe kurulumunun bir modifikasyonu olarak tasarlanmıştır. Öğrenci Lawrence Livingston 80 keV enerji iyonlar hale 1931'de siklotron ilkesini göstermektedir. 1932 yılında, Lawrence ve Livingston kadar 1 MeV fazla protonların ivme açıkladı. Yaklaşık 4 MeV - Sonra 1930'larda, enerji siklotron yaklaşık 25 MeV ve Van de Graaff ulaştı. 1940 yılında Donald Kerst, Illinois, ilk betatron, manyetik indüksiyon elektron hızlandırıcı Üniversitesi'nde inşa mıknatıs yapısına yörüngeye dikkatli hesaplamalar, sonuçlarını uygulamak.

Modern fizik: parçacık hızlandırıcıları

Dünya Savaşı'ndan sonra yüksek enerjilere parçacıkları hızlandırarak biliminde hızlı ilerleme yoktu. Bu Moskova'da Berkeley ve Vladimir Veksler de Edwin McMillan başladı. 1945 yılında, her ikisi de birbirinden bağımsız olarak faz kararlılığı ilkesini tarif etmiştir vardır. Bu kavram, bir proton enerji kısıtlamaları çıkarıldı ve elektronlar için bir manyetik rezonans hızlandırıcıları (senkrotonlann) oluşturmak yardımcı bir dairesel hızlandırıcı parçacıkların kararlı yörüngelerini muhafaza edilmesi için bir araç sunmaktadır. Otofaz, faz istikrar ilkesinin uygulanması, Kaliforniya Üniversitesi'nde küçük synchrocyclotron inşası ve İngiltere'de senkrotonunun sonra doğrulandı. Kısa bir süre sonra, ilk proton lineer rezonans hızlandırıcı oluşturuldu. Bu ilke o zamandan beri inşa tüm önemli proton sinkrotronları kullanılır.

1947 yılında, William Hansen, California Stanford Üniversitesi, İkinci Dünya Savaşı sırasında radar için geliştirilmiştir mikrodalga teknolojisini kullanılan gezici dalga ilk elektron lineer hızlandırıcı inşa etti.

Çalışmada İlerleme hiç büyük hızlandırıcıları yapımına yol proton enerjisi, artan ile mümkün olmuştur. Bu eğilim, yüksek üretim maliyeti büyük mıknatıs halkası durdurulmuştur taşımaktadır. büyük etrafında 40.000 ton ağırlığındadır. makine boyutu büyüme olmadan artan enerji için yöntemler odaklama değişen yaklaşık 1952 Livingstone, Courant ve Snyder GODU bir teknik tarandı (bazen odaklama güçlü olarak adlandırılır). Bu ilke üzerinde çalışıyor sinkrotronları, eskisinden 100 kat daha küçük mıknatıslar kullanır. Böyle tüm modern sinkrotronları kullanılır odaklama.

1956 yılında Kerst parçacıkların iki grup kesişen yörüngeler üzerinde tutuluyorsa, bunları çarpışır izleyebilirsiniz fark etti. Bu fikrin uygulanması, döngülerinde birikmesi hızlandırılmış kirişler gerekli kümülatif çağırdı. Bu teknoloji etkileşim parçacıkların bir maksimum enerjiye elde etti.