En partikkelakselerator er en enhet som lager en stråle av elektrisk ladede atom- eller subatomære partikler som beveger seg med nærlyshastigheter. Dens arbeid er basert på en økning i deres energi med et elektrisk felt og en endring i banen - med en magnetisk.
Hva er partikkelakseleratorer for?
Disse enhetene er mye brukt i ulike felt innen vitenskap og industri. I dag er det mer enn 30 tusen av dem over hele verden. For en fysiker tjener partikkelakseleratorer som et verktøy for grunnleggende forskning på strukturen til atomer, arten av kjernekrefter og egenskapene til kjerner som ikke forekommer i naturen. Sistnevnte inkluderer transuran og andre ustabile elementer.
Ved hjelp av et utladningsrør ble det mulig å bestemme den spesifikke ladningen. Partikkelakseleratorer brukes også i produksjon av radioisotoper, i industriell radiografi, i stråleterapi, i sterilisering av biologiske materialer og i radiokarbonanalyse. De største installasjonene brukes i studiet av grunnleggende interaksjoner.
Levetiden til ladede partikler i hvile i forhold til akseleratoren er kortere enn for partikler som akselereres til hastigheter nær lysets hastighet. Dette bekrefter relativiteten til SRT-tidsintervaller. For eksempel, ved CERN ble det oppnådd en 29-dobling av levetiden til myoner med en hastighet på 0,9994c.
Denne artikkelen diskuterer hvordan en partikkelakselerator fungerer, dens utvikling, ulike typer og særtrekk.
Principles of acceleration
Uavhengig av hvilke partikkelakseleratorer du kjenner, har de alle felles elementer. For det første må de alle ha en kilde til elektroner når det gjelder et TV-kineskop, eller elektroner, protoner og deres antipartikler når det gjelder større installasjoner. I tillegg må de alle ha elektriske felt for å akselerere partiklene og magnetiske felt for å kontrollere banen deres. I tillegg er vakuumet i partikkelakseleratoren (10-11 mm Hg), dvs. minimum restluft, nødvendig for å sikre lang levetid for bjelkene. Og til slutt må alle installasjoner ha midler til å registrere, telle og måle akselererte partikler.
Generation
Elektroner og protoner, som er mest brukt i akseleratorer, finnes i alle materialer, men først må de isoleres fra dem. Elektroner genereres vanligvisakkurat som i et kinescope - i en enhet som kalles en "pistol". Det er en katode (negativ elektrode) i et vakuum, som varmes opp til det punktet hvor elektroner begynner å løsrive seg fra atomer. Negativt ladede partikler trekkes til anoden (positiv elektrode) og passerer gjennom utløpet. Selve pistolen er også den enkleste akseleratoren, siden elektronene beveger seg under påvirkning av et elektrisk felt. Spenningen mellom katoden og anoden er vanligvis mellom 50-150 kV.
I tillegg til elektroner inneholder alle materialer protoner, men bare kjernene til hydrogenatomer består av enkeltprotoner. Derfor er kilden til partikler for protonakseleratorer gassformig hydrogen. I dette tilfellet ioniseres gassen og protonene slipper ut gjennom hullet. I store akseleratorer produseres protoner ofte som negative hydrogenioner. De er atomer med et ekstra elektron, som er produktet av ionisering av en diatomisk gass. Det er lettere å jobbe med negativt ladede hydrogenioner i de innledende stadiene. Deretter føres de gjennom en tynn folie som fratar dem elektroner før det siste stadiet av akselerasjon.
Acceleration
Hvordan fungerer partikkelakseleratorer? Nøkkelfunksjonen til noen av dem er det elektriske feltet. Det enkleste eksemplet er et jevnt statisk felt mellom positive og negative elektriske potensialer, lik det som eksisterer mellom polene til et elektrisk batteri. I slikefelt, er et elektron som bærer en negativ ladning utsatt for en kraft som leder det mot et positivt potensial. Hun akselererer ham, og hvis det ikke er noe i veien for dette, øker hastigheten og energien hans. Elektroner som beveger seg mot et positivt potensial i en ledning eller til og med i luft kolliderer med atomer og mister energi, men hvis de er i et vakuum, akselererer de når de nærmer seg anoden.
Spenningen mellom den opprinnelige og endelige posisjonen til et elektron bestemmer energien som mottas av det. Når du beveger deg gjennom en potensialforskjell på 1 V, er den lik 1 elektronvolt (eV). Dette tilsvarer 1,6 × 10-19 joule. Energien til en flygende mygg er en billion ganger større. I et kineskop akselereres elektroner med en spenning på over 10 kV. Mange akseleratorer oppnår mye høyere energier, målt i mega-, giga- og teraelektronvolt.
varianter
Noen av de tidligste typene partikkelakseleratorer, som spenningsmultiplikatoren og Van de Graaff-generatoren, brukte konstante elektriske felt generert av potensialer opp til en million volt. Det er ikke lett å jobbe med så høye spenninger. Et mer praktisk alternativ er den repeterende handlingen av svake elektriske felt generert av lave potensialer. Dette prinsippet brukes i to typer moderne akseleratorer - lineære og sykliske (hovedsakelig i syklotroner og synkrotroner). Lineære partikkelakseleratorer, kort sagt, passerer dem én gang gjennom en sekvensakselererende felt, mens de i det sykliske gjentatte ganger beveger seg langs en sirkelbane gjennom relativt små elektriske felt. I begge tilfeller avhenger den endelige energien til partiklene av den kombinerte effekten av feltene, slik at mange små "sjokk" summerer seg for å gi den kombinerte effekten av en stor.
Den repeterende strukturen til en lineær akselerator for å skape elektriske felt involverer naturlig nok bruk av AC i stedet for likespenning. Positivt ladede partikler akselereres mot det negative potensialet og får ny drivkraft dersom de passerer det positive. I praksis bør spenningen endre seg veldig raskt. For eksempel, ved en energi på 1 MeV, reiser et proton med svært høye hastigheter på 0,46 lysets hastighet, og reiser 1,4 m på 0,01 ms. Dette betyr at i et flere meter langt repeterende mønster må de elektriske feltene endre retning med en frekvens på minst 100 MHz. Lineære og sykliske akseleratorer av ladede partikler akselererer dem som regel ved å bruke vekslende elektriske felt med en frekvens på 100 til 3000 MHz, dvs. fra radiobølger til mikrobølger.
En elektromagnetisk bølge er en kombinasjon av vekslende elektriske og magnetiske felt som oscillerer vinkelrett på hverandre. Nøkkelpunktet for akseleratoren er å justere bølgen slik at når partikkelen kommer, rettes det elektriske feltet i samsvar med akselerasjonsvektoren. Dette kan gjøres med en stående bølge - en kombinasjon av bølger som beveger seg i motsatte retninger i en lukket sløyfe.plass, som lydbølger i en orgelpipe. Et alternativ for elektroner som beveger seg veldig raskt som nærmer seg lysets hastighet, er en vandrebølge.
Autophasing
En viktig effekt ved akselerasjon i et vekslende elektrisk felt er "autophasing". I en svingningssyklus går vekselfeltet fra null gjennom en maksimumsverdi igjen til null, faller til et minimum og stiger til null. Så den går gjennom verdien som trengs for å øke hastigheten to ganger. Hvis den akselererende partikkelen kommer for tidlig, vil den ikke bli påvirket av et felt med tilstrekkelig styrke, og presset vil være svakt. Når hun kommer til neste seksjon, kommer hun for sent og vil oppleve en sterkere innvirkning. Som et resultat vil autofasing oppstå, partiklene vil være i fase med feltet i hvert akselererende område. En annen effekt ville være å gruppere dem over tid i klumper i stedet for en kontinuerlig strøm.
Stråleretning
Magnetiske felt spiller også en viktig rolle i hvordan en ladet partikkelakselerator fungerer, siden de kan endre bevegelsesretningen. Dette betyr at de kan brukes til å "bøye" bjelkene langs en sirkelbane slik at de passerer gjennom samme akselerasjonsseksjon flere ganger. I det enkleste tilfellet blir en ladet partikkel som beveger seg vinkelrett på retningen til et jevnt magnetfelt utsatt for en kraftvinkelrett både på vektoren for forskyvningen og på feltet. Dette får strålen til å bevege seg langs en sirkulær bane vinkelrett på feltet til den forlater sitt virkeområde eller en annen kraft begynner å virke på den. Denne effekten brukes i sykliske akseleratorer som syklotron og synkrotron. I en syklotron genereres et konstant felt av en stor magnet. Partiklene, når energien deres vokser, spiraler utover, og akselererer for hver omdreining. I en synkrotron beveger buntene seg rundt en ring med konstant radius, og feltet som skapes av elektromagnetene rundt ringen øker når partiklene akselererer. "Bøye"-magnetene er dipoler med nord- og sørpoler bøyd i hesteskoform slik at strålen kan passere mellom dem.
Den andre viktige funksjonen til elektromagneter er å konsentrere strålene slik at de er så smale og intense som mulig. Den enkleste formen for en fokuseringsmagnet er med fire poler (to nordlige og to sørlige) motsatte hverandre. De skyver partiklene mot midten i én retning, men lar dem forplante seg i vinkelrett retning. Quadrupole magneter fokuserer strålen horisont alt, slik at den kan gå ut av fokus vertik alt. For å gjøre dette må de brukes i par. Mer komplekse magneter med flere poler (6 og 8) brukes også for mer presis fokusering.
Når energien til partiklene øker, øker styrken til magnetfeltet som leder dem. Dette holder strålen på samme bane. Blodproppen føres inn i ringen og akselereres tilnødvendig energi før den kan tas ut og brukes i eksperimenter. Tilbaketrekking oppnås av elektromagneter som slås på for å skyve partikler ut av synkrotronringen.
kollisjon
Partikkelakseleratorer brukt i medisin og industri produserer hovedsakelig en stråle for et bestemt formål, for eksempel strålebehandling eller ioneimplantasjon. Det betyr at partiklene brukes én gang. I mange år gjaldt det samme for akseleratorer brukt i grunnforskning. Men på 1970-tallet ble det utviklet ringer der de to strålene sirkulerer i motsatte retninger og kolliderer langs hele kretsen. Hovedfordelen med slike installasjoner er at i en front mot front-kollisjon går energien til partiklene direkte inn i energien til samspillet mellom dem. Dette står i kontrast til hva som skjer når strålen kolliderer med materiale i hvile: i dette tilfellet brukes mesteparten av energien på å sette målmaterialet i bevegelse, i samsvar med prinsippet om bevaring av momentum.
Noen kolliderende strålemaskiner er bygget med to ringer som krysser hverandre på to eller flere steder, der partikler av samme type sirkulerer i motsatte retninger. Kollidere med partikler og antipartikler er mer vanlig. En antipartikkel har motsatt ladning av den tilhørende partikkelen. For eksempel er et positron positivt ladet, mens et elektron er negativt ladet. Dette betyr at feltet som akselererer elektronet bremser positronet,beveger seg i samme retning. Men hvis sistnevnte beveger seg i motsatt retning, vil den akselerere. På samme måte vil et elektron som beveger seg gjennom et magnetfelt bøye seg til venstre, og et positron vil bøye seg til høyre. Men hvis positronet beveger seg mot det, vil banen fortsatt avvike til høyre, men langs samme kurve som elektronet. Til sammen betyr dette at disse partiklene kan bevege seg langs synkrotronringen på grunn av de samme magnetene og akselereres av de samme elektriske feltene i motsatte retninger. Mange av de kraftigste kolliderene på kolliderende stråler er laget i henhold til dette prinsippet, siden det bare kreves én akseleratorring.
Strålen i synkrotronen beveger seg ikke kontinuerlig, men kombineres til "klumper". De kan være flere centimeter lange og en tiendedels millimeter i diameter, og inneholde omtrent 1012 partikler. Dette er en liten tetthet, siden et stoff av denne størrelsen inneholder omtrent 1023 atomer. Derfor, når stråler skjærer hverandre med motgående stråler, er det bare en liten sjanse for at partiklene vil samhandle med hverandre. I praksis fortsetter buntene å bevege seg langs ringen og møtes igjen. Det dype vakuumet i partikkelakseleratoren (10-11 mmHg) er nødvendig for at partiklene skal kunne sirkulere i mange timer uten å kollidere med luftmolekyler. Derfor kalles ringene også akkumulerende, siden buntene faktisk lagres i dem i flere timer.
Registrer
Partikkelakseleratorer kan for det meste registrere hva som skjer nårnår partikler treffer et mål eller en annen stråle som beveger seg i motsatt retning. I et TV-kinescope treffer elektroner fra en pistol en fosfor på den indre overflaten av skjermen og sender ut lys, som dermed gjenskaper det overførte bildet. I akseleratorer reagerer slike spesialiserte detektorer på spredte partikler, men de er vanligvis designet for å generere elektriske signaler som kan konverteres til datadata og analyseres ved hjelp av dataprogrammer. Bare ladede grunnstoffer skaper elektriske signaler ved å passere gjennom et materiale, for eksempel av eksiterende eller ioniserende atomer, og kan detekteres direkte. Nøytrale partikler som nøytroner eller fotoner kan detekteres indirekte gjennom oppførselen til de ladede partiklene de setter i bevegelse.
Det er mange spesialiserte detektorer. Noen av dem, som Geigertelleren, teller rett og slett partikler, mens andre brukes for eksempel til å registrere spor, måle hastighet eller måle energimengden. Moderne detektorer varierer i størrelse og teknologi fra små ladningskoblede enheter til store trådfylte gassfylte kamre som oppdager de ioniserte sporene skapt av ladede partikler.
Historie
Partikkelakseleratorer ble hovedsakelig utviklet for å studere egenskapene til atomkjerner og elementærpartikler. Fra oppdagelsen av reaksjonen mellom nitrogenkjernen og alfapartikkelen av den britiske fysikeren Ernest Rutherford i 1919, har all forskning innen kjernefysikk t.o.m.1932 ble brukt med heliumkjerner frigjort fra forfallet av naturlige radioaktive elementer. Naturlige alfapartikler har en kinetisk energi på 8 MeV, men Rutherford mente at for å kunne observere forfallet til tunge kjerner, må de akselereres kunstig til enda større verdier. Den gang virket det vanskelig. En beregning gjort i 1928 av Georgy Gamow (ved universitetet i Göttingen, Tyskland) viste imidlertid at ioner med mye lavere energi kunne brukes, og dette stimulerte forsøk på å bygge et anlegg som ga en stråle tilstrekkelig for kjernefysisk forskning.
Andre hendelser i denne perioden demonstrerte prinsippene som partikkelakseleratorer er bygget etter frem til i dag. De første vellykkede eksperimentene med kunstig akselererte ioner ble utført av Cockcroft og W alton i 1932 ved University of Cambridge. Ved hjelp av en spenningsmultiplikator akselererte de protoner til 710 keV og viste at sistnevnte reagerer med litiumkjernen for å danne to alfapartikler. I 1931, ved Princeton University i New Jersey, hadde Robert van de Graaff bygget den første elektrostatiske beltegeneratoren med høy potensial. Cockcroft-W alton spenningsmultiplikatorer og Van de Graaff-generatorer brukes fortsatt som strømkilder for akseleratorer.
Prinsippet med en lineær resonansakselerator ble demonstrert av Rolf Wideröe i 1928. Ved Rhine-Westphalian University of Technology i Aachen, Tyskland, brukte han en høy vekselspenning for å akselerere natrium- og kaliumioner til energier to gangeroverstiger de rapporterte av dem. I 1931 i USA brukte Ernest Lawrence og hans assistent David Sloan fra University of California, Berkeley høyfrekvente felt for å akselerere kvikksølvioner til energier på over 1,2 MeV. Dette arbeidet kompletterte Wideröe tungpartikkelakselerator, men ionestråler var ikke nyttige i kjernefysisk forskning.
Den magnetiske resonansakseleratoren, eller syklotronen, ble unnfanget av Lawrence som en modifikasjon av Wideröe-installasjonen. Lawrence Livingstons student demonstrerte prinsippet til syklotronen i 1931 ved å produsere 80 keV-ioner. I 1932 kunngjorde Lawrence og Livingston akselerasjonen av protoner til over 1 MeV. Senere på 1930-tallet nådde energien til syklotroner omtrent 25 MeV, og energien til Van de Graaff-generatorer nådde omtrent 4 MeV. I 1940 bygde Donald Kerst, ved å bruke resultatene av nøye orbitalberegninger på design av magneter, den første betatronen, en magnetisk induksjonselektronakselerator, ved University of Illinois.
Moderne fysikk: partikkelakseleratorer
Etter andre verdenskrig gjorde vitenskapen om å akselerere partikler til høye energier raske fremskritt. Det ble startet av Edwin Macmillan på Berkeley og Vladimir Veksler i Moskva. I 1945 beskrev begge uavhengig prinsippet om fasestabilitet. Dette konseptet tilbyr et middel for å opprettholde stabile partikkelbaner i en syklisk akselerator, som fjernet begrensningen på protonenes energi og gjorde det mulig å lage magnetiske resonansakseleratorer (synkrotroner) for elektroner. Autophasing, implementering av prinsippet om fasestabilitet, er bekreftet etter byggingen liten synkrosyklotron ved University of California og en synkrotron i England. Kort tid etter ble den første proton lineære resonansakseleratoren opprettet. Dette prinsippet har blitt brukt i alle store protonsynkrotroner bygget siden den gang.
I 1947 bygde William Hansen, ved Stanford University i California, den første lineære vandrebølgeelektronakseleratoren ved hjelp av mikrobølgeteknologi som ble utviklet for radar under andre verdenskrig.
Framgang innen forskning ble muliggjort ved å øke energien til protoner, noe som førte til konstruksjonen av stadig større akseleratorer. Denne trenden har blitt stoppet av de høye kostnadene ved å lage enorme ringmagneter. Den største veier rundt 40.000 tonn. Måter å øke energien uten å øke størrelsen på maskinene ble demonstrert i 1952 av Livingston, Courant og Snyder i teknikken med vekslende fokusering (noen ganger k alt sterk fokusering). Synkrotroner basert på dette prinsippet bruker magneter 100 ganger mindre enn før. Slik fokusering brukes i alle moderne synkrotroner.
I 1956 innså Kerst at hvis to sett med partikler ble holdt i kryssende baner, kunne de observeres kollidere. Anvendelsen av denne ideen krevde akkumulering av akselererte stråler i sykluser k alt lagring. Denne teknologien gjorde det mulig å oppnå maksimal interaksjonsenergi for partikler.
