Gia tốc tuyến tính của các hạt tích điện. Như máy gia tốc hạt làm việc. Tại sao hạt tăng tốc?

Máy gia tốc các hạt tích điện - một thiết bị trong đó một chùm các hạt nguyên tử hoặc hạ nguyên tử tích điện đi du lịch ở gần tốc độ. Nền tảng của công việc của mình là tăng cần thiết của họ năng lượng bởi một điện trường và thay đổi quỹ đạo - từ.

máy gia tốc hạt là gì?

Các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghiệp. Cho đến nay, trên toàn thế giới có hơn 30.000. Đối với cơ sở vật lí của máy gia tốc hạt tích điện đóng vai trò như một công cụ để nghiên cứu cơ bản về cấu trúc của nguyên tử, đặc trưng của lực lượng hạt nhân và tính chất hạt nhân, trong đó không xảy ra một cách tự nhiên. Loại thứ hai bao gồm tính phóng xạ cao và các yếu tố không ổn định khác.

Với ống xả đã trở thành có thể xác định trách nhiệm cụ thể. máy gia tốc hạt tích điện cũng được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ, trong chụp X quang công nghiệp, xạ trị, cho khử trùng các vật liệu sinh học, và trong phân tích carbon phóng xạ. Các đơn vị lớn nhất được sử dụng trong việc nghiên cứu các tương tác cơ bản.

Thời gian tồn tại của các hạt mang điện tích đứng yên đối với các gia tốc với là nhỏ hơn so với các hạt tăng tốc đến tốc độ gần với tốc độ ánh sáng. Điều này khẳng định số lượng tương đối nhỏ các trạm thời gian. Ví dụ, tại CERN đã đạt được sự gia tăng tuổi thọ của muon 0,9994c tốc độ 29 lần.

Bài viết này nhìn vào những gì đang bên trong và làm việc máy gia tốc hạt, phát triển của nó, các loại khác nhau và các tính năng khác nhau.

nguyên tắc tăng tốc

Bất kể những gì loại máy gia tốc hạt tích điện bạn đã biết, tất cả họ đều có những yếu tố chung. Thứ nhất, họ phải có một nguồn electron trong trường hợp của một ống truyền hình ảnh hoặc electron, proton và phản hạt của chúng trong trường hợp cài đặt lớn hơn. Hơn nữa, tất cả họ đều phải có điện trường để tăng tốc các hạt và từ trường để kiểm soát quỹ đạo của họ. Bên cạnh đó, chân không trong máy gia tốc hạt tích điện (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Một số lượng tối thiểu của không khí còn sót lại, là cần thiết để đảm bảo một dài dầm thời gian cuộc sống. Cuối cùng, tất cả các cài đặt phải có phương tiện đăng ký, đếm và đo lường của các hạt tăng tốc.

thế hệ

Electron và proton, mà thường được sử dụng trong máy gia tốc, được tìm thấy trong tất cả các tài liệu, nhưng trước tiên họ phải chọn từ họ. Electron thường được tạo ra theo cách tương tự như trong các ống hình ảnh - trong một thiết bị được gọi là một "khẩu súng". Nó là một cathode (điện cực âm) trong chân không, mà là đun nóng đến một tiểu bang mà electron bắt đầu đi ra khỏi nguyên tử. hạt tiêu cực đến tính được thu hút vào cực dương (điện cực dương) và đi qua các ổ cắm. Súng chính nó là đơn giản nhất là gia tốc vì các electron đang chuyển động dưới ảnh hưởng của một điện trường. Điện áp giữa cathode và anode, thường trong khoảng 50-150 kV.

Ngoài các electron trong tất cả các vật liệu chứa proton, nhưng chỉ có một hạt nhân proton đơn gồm các nguyên tử hydro. Do đó, nguồn hạt gia tốc proton là khí hydro. Trong trường hợp này, khí được ion hóa và các proton được đặt thông qua lỗ. Trong máy gia tốc lớn proton thường được hình thành dưới dạng các ion hydro tiêu cực. Họ đại diện cho một electron thêm từ các nguyên tử mà là sản phẩm của một ion hóa khí hai nguyên. Kể từ khi các ion hydro tích điện âm trong giai đoạn đầu của công việc dễ dàng hơn. Sau đó, họ đi qua một lá kim loại mỏng, làm mất chúng electron trước khi giai đoạn cuối cùng của gia tốc.

tăng tốc

Như máy gia tốc hạt làm việc? Một đặc điểm quan trọng của tất cả chúng là điện trường. Ví dụ đơn giản nhất - lĩnh vực tĩnh thống nhất giữa các tiềm năng điện tích cực và tiêu cực, tương tự như những gì hiện có giữa các thiết bị đầu cuối của pin điện. lĩnh vực điện tử này mang theo một điện tích âm được tiếp xúc với một lực lượng mà hướng nó đến một tiềm năng tích cực. Nó làm tăng tốc nó, và nếu có bất cứ điều gì mà có thể đứng trong cách, tốc độ và quyền lực của mình tăng. Electron di chuyển về phía tiềm năng tích cực trên dây hoặc trong không khí, và va chạm với các nguyên tử bị mất năng lượng, nhưng nếu chúng được đặt trong chân không, sau đó tăng tốc khi họ tiếp cận anode.

Căng thẳng giữa bắt đầu và kết thúc vị trí của các định nghĩa electron mua họ năng lượng. Khi di chuyển qua một sự khác biệt tiềm năng trong tổng số 1 V là bằng 1 electron-volt (eV). Đây là tương đương với 1,6 × 10 ^-19 joule. Năng lượng của một con muỗi bay hơn nghìn tỷ lần. Trong electron hình ảnh được gia tốc điện áp lớn hơn 10 kV. Nhiều tăng tốc đạt năng lượng cao hơn nhiều đo mega, giga và tera-electron-volt.

loài

Một số loại sớm nhất của máy gia tốc hạt, chẳng hạn như nhân điện áp và máy phát điện máy phát Van de Graaff, sử dụng một điện trường liên tục được tạo ra bởi tiềm năng lên đến một triệu volt. Với điện áp cao như vậy làm việc dễ dàng. Một lựa chọn thực tế hơn là hành động lặp đi lặp lại của lĩnh vực điện yếu sản xuất tiềm năng thấp. Nguyên tắc này được sử dụng trong hai loại tăng tốc hiện đại - tuyến tính và chu kỳ (chủ yếu là cyclotron và synchrotron). máy gia tốc hạt tuyến tính, trong ngắn hạn, thông qua chúng một lần thông qua chuỗi các lĩnh vực tăng tốc, trong khi chu kỳ nhiều lần họ di chuyển trong một đường tròn qua điện trường tương đối nhỏ. Trong cả hai trường hợp, năng lượng cuối cùng của hạt phụ thuộc vào tổng số lĩnh vực hoạt động, vì vậy mà nhiều "va chạm" nhỏ được thêm vào với nhau để cung cấp cho các hiệu ứng kết hợp của một lớn duy nhất.

Cấu trúc lặp đi lặp lại của một máy gia tốc tuyến tính để tạo ra điện trường theo một cách tự nhiên là sử dụng AC, không DC. Các hạt tích điện dương được gia tốc với tiềm năng tiêu cực và có được một động lực mới, nếu vượt qua tích cực. Trên thực tế, điện áp phải được thay đổi rất nhanh chóng. Ví dụ, tại một năng lượng trong tổng số 1 di chuyển MeV proton ở tốc độ rất cao là vận tốc ánh sáng là 0,46, đi qua 1,4 m 0,01 ms. Điều này có nghĩa rằng trong cấu trúc lặp lại của một vài mét dài, các lĩnh vực điện phải thay đổi hướng ở một tần số tối thiểu là 100 MHz. Tuyến tính và tăng tốc cyclic hạt thường phân tán chúng với tần số xen kẽ lĩnh vực điện từ 100 MHz đến 3000, t. E. Trong phạm vi của sóng radio để lò vi sóng.

Sóng điện từ là sự kết hợp của điện trường và từ trường dao động dao động vuông góc với nhau. Điểm mấu chốt là để điều chỉnh sóng accelerator để ở sự xuất hiện của các hạt điện trường được định hướng phù hợp với vectơ gia tốc. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một làn sóng đứng - sự kết hợp của sóng đi du lịch theo hướng ngược nhau trong một không gian khép kín, các sóng âm thanh nào trong bộ phận ống. Một hiện thân thay thế cho nhanh chóng di chuyển các electron có vận tốc gần vận tốc ánh sáng, một làn sóng du lịch.

autophasing

Ảnh hưởng quan trọng của sự tăng tốc trong điện trường xen kẽ là một "giai đoạn ổn định". Trong một lĩnh vực dao động chu kỳ xen kẽ đi qua không khỏi giá trị lớn nhất lại không, nó làm giảm đến mức tối thiểu và tăng lên đến zero. Do đó, nó đi hai lần thông qua các giá trị cần thiết cho khả năng tăng tốc. Nếu một hạt có tăng tốc độ, đã đến quá sớm, nó sẽ không hoạt động một lĩnh vực đầy đủ sức mạnh, và việc đẩy mạnh sẽ là yếu. Khi nó đạt đến khu vực tiếp theo, các bài kiểm tra cuối năm và tác động nhiều hơn. Như một kết quả, tự phân kỳ xảy ra, các hạt sẽ cùng pha với từng lĩnh vực trong khu vực gia tăng. tác dụng khác là nhóm chúng trong thời gian để hình thành một cục máu đông chứ không phải là một dòng liên tục.

Sự chỉ đạo của chùm

Một vai trò quan trọng trong cách thức hoạt động và máy gia tốc hạt, chơi và từ trường, vì chúng có thể thay đổi hướng chuyển động của họ. Điều này có nghĩa rằng chúng có thể được sử dụng để "uốn" của chùm tia trong một đường tròn, vì vậy họ nhiều lần đi ngang qua phần đẩy nhanh cùng. Trong trường hợp đơn giản nhất, trên một hạt tích điện di chuyển với một vuông góc với hướng của từ trường đồng nhất, một vector lực vuông góc với cả hai phong trào của nó, và để lĩnh vực này. Điều này làm cho chùm tia để di chuyển trong một đường tròn vuông góc với lĩnh vực này, cho đến khi nó đi ra khỏi lĩnh vực hoạt động của nó hoặc lực lượng khác bắt đầu hoạt động vào nó. Hiệu ứng này được sử dụng trong máy gia tốc vòng như một synchrotron và cyclotron. Trong một cyclotron, trường liên tục được sản xuất bởi một nam châm lớn. Hạt với sự gia tăng năng lượng của họ di chuyển xoắn bề ngoài tăng tốc với mỗi cuộc cách mạng. Các cục synchrotron di chuyển xung quanh vòng với bán kính không đổi, và các lĩnh vực tạo ra bởi các nam châm điện xung quanh tăng vòng như các hạt được gia tốc. Các nam châm cung cấp "uốn", đại diện lưỡng cực với cực bắc và nam, cong theo hình móng ngựa để các chùm tia có thể vượt qua therebetween.

Chức năng quan trọng thứ hai của nam châm điện là tập trung các chùm tia để họ rất hẹp và căng thẳng càng tốt. Hình thức đơn giản nhất của một nam châm tập trung - với bốn cực (hai phía bắc và hai miền Nam) nằm đối diện nhau. Họ đẩy các hạt đến trung tâm theo một hướng, nhưng cho phép họ được phân phối trong các vuông góc. Tứ cực nam châm tập trung các tia theo chiều ngang, cho phép anh đi ra ngoài tập trung theo chiều dọc. Để làm điều này, họ phải được sử dụng theo cặp. Đối với một chính xác hơn tập trung cũng được sử dụng nam châm phức tạp hơn với một số lượng lớn các cực (6 và 8).

Kể từ khi năng lượng của tăng hạt, sức mạnh của từ trường, chỉ đạo họ tăng lên. Điều này sẽ giúp các chùm trên quỹ đạo tương tự. Sữa đông được đưa vào chiếc nhẫn và được tăng tốc đến năng lượng mong muốn trước khi nó có thể bị thu hồi và sử dụng trong các thí nghiệm. Rút lại được thực hiện bằng nam châm điện được kích hoạt để đẩy các hạt từ vòng synchrotron.

va chạm

máy gia tốc hạt tích điện được sử dụng trong y học và công nghiệp, chủ yếu là sản xuất một chùm cho một mục đích cụ thể, ví dụ, chiếu xạ hoặc cấy ion. Điều này có nghĩa rằng các hạt sử dụng một lần. Điều tương tự cũng đúng chất xúc tiến được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản trong nhiều năm. Tuy nhiên, chiếc nhẫn đã được xây dựng vào năm 1970, trong đó hai dầm lưu thông theo hướng ngược nhau và va chạm xung quanh mạch. Ưu điểm chính của hệ thống như vậy là trong một năng lượng va chạm trán của các hạt đi trực tiếp đến năng lượng tương tác giữa chúng. Điều này trái ngược với những gì sẽ xảy ra khi chùm tia va chạm với một hình ảnh tĩnh, trong trường hợp này hầu hết năng lượng đi vào giảm của vật liệu mục tiêu chuyển động, phù hợp với các nguyên tắc bảo toàn động lượng.

Một số máy với dầm va chạm được xây dựng với hai nhẫn, giao nhau ở hai hoặc nhiều nơi, trong đó lưu hành theo hướng ngược nhau, các hạt cùng loại. phổ biến hơn máy gia tốc hạt phản hạt. Phản hạt có điện tích ngược của các hạt liên quan. Ví dụ, positron, được tích điện dương và các electron - tiêu cực. Điều này có nghĩa rằng một lĩnh vực mà tăng tốc electron, positron chậm lại, di chuyển theo cùng một hướng. Nhưng nếu di chuyển sau theo hướng ngược lại, nó sẽ tăng tốc. Tương tự như vậy, một electron di chuyển qua một đường cong lĩnh vực di chúc từ bên trái, và positron - ngay. Nhưng nếu positron đang chuyển động về phía trước, sau đó con đường của mình sẽ tiếp tục đi chệch sang bên phải, nhưng trên đường cong giống như của electron. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là các hạt có thể di chuyển qua các vòng của cùng một nam châm synchrotron và tăng tốc bởi điện trường tương tự theo hướng ngược nhau. Trên nguyên tắc này tạo ra nhiều va chạm mạnh mẽ va chạm dầm, t. Để. Các chỉ đòi hỏi một gia tốc vòng.

Chùm trong synchrotron không di chuyển liên tục và tích hợp vào "khối". Họ có thể có một vài cm chiều dài và một phần mười của một milimet đường kính, và chiếm khoảng ¹² hạt ^{Tháng Mười.} mật độ thấp này, bởi vì kích thước của tài liệu như vậy chứa khoảng ²³ nguyên tử ^{Tháng Mười.} Vì vậy, khi một chùm va chạm giao nhau, chỉ có một xác suất nhỏ mà các hạt sẽ phản ứng với nhau. Trên thực tế cục tiếp tục di chuyển xung quanh chiếc nhẫn và gặp lại nhau. chân không cao trong máy gia tốc hạt mang điện tích (V. 10 ^-11 mm Hg.) là bắt buộc theo thứ tự mà các hạt có thể lưu thông trong nhiều giờ mà không va chạm với các phân tử không khí. Do đó, chiếc nhẫn cũng được gọi là tích lũy, vì dầm thực sự được lưu trữ trong đó vài giờ.

đăng ký

máy gia tốc hạt tích điện trong phần lớn có thể đăng ký xảy ra khi các hạt đạt được mục tiêu hay chùm khác, di chuyển theo hướng ngược lại. Trong một ống hình ảnh truyền hình, các electron từ súng để tấn công màn hình phosphor trên bề mặt bên trong và phát ra ánh sáng, mà qua đó tái tạo hình ảnh truyền đi. Trong máy gia tốc dò chuyên biệt như phản ứng với các hạt phân tán, nhưng chúng thường được thiết kế để tạo ra tín hiệu điện có thể được chuyển đổi thành dữ liệu máy tính và phân tích bằng chương trình máy tính. Chỉ tính các yếu tố sản xuất tín hiệu điện đi qua vật liệu, ví dụ bằng cách ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử, và có thể được phát hiện trực tiếp. Các hạt trung tính như neutron hoặc photon có thể được phát hiện gián tiếp thông qua các hành vi của các hạt tích điện mà họ đang chuyển động.

Có rất nhiều máy dò chuyên dụng. Một số trong số họ, chẳng hạn như một bộ đếm Geiger, một số hạt, và các ứng dụng khác, ví dụ, đối với các bài hát ghi âm hoặc đo vận tốc của năng lượng. máy dò hiện đại về quy mô và công nghệ, có thể khác nhau từ các thiết bị Charge Coupled nhỏ để phòng hơi ngạt đầy lớn với dây mà phát hiện dấu vết ion hóa tạo ra bởi các hạt tích điện.

câu chuyện

máy gia tốc hạt tích điện chủ yếu được phát triển cho các nghiên cứu về các tính chất của hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản. Kể từ khi khai trương nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford năm 1919, phản ứng của hạt nhân nitơ và một hạt alpha, tất cả các nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân để 1932 được thực hiện với hạt nhân helium, phát hành bởi sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. alpha-hạt tự nhiên có một động năng của 8 MeV, nhưng Rutherford tin rằng họ phải nhân tạo tăng tốc giá trị còn cao hơn để theo dõi sự phân rã của hạt nhân nặng. Vào thời điểm đó dường như khó khăn. Tuy nhiên, việc tính toán được thực hiện vào năm 1928 bởi Georgiem Gamovym (tại Đại học Göttingen, Đức), đã chỉ ra rằng các ion có thể được sử dụng ở mức năng lượng thấp hơn nhiều, và điều này đã kích thích nỗ lực để xây dựng một cơ sở cung cấp một chùm đủ cho Nghiên cứu hạt nhân.

Các sự kiện khác của thời kỳ này đã chứng minh các nguyên tắc mà các máy gia tốc hạt tích điện được xây dựng cho đến ngày nay. Những thí nghiệm thành công đầu tiên với các ion tăng tốc nhân tạo đã được tổ chức Cockroft và Walton vào năm 1932 tại Đại học Cambridge. Bằng cách sử dụng một số nhân điện áp, proton được gia tốc đến 710 keV, và cho thấy rằng sau phản ứng với lithium để tạo thành hai hạt alpha. Bởi năm 1931, tại Đại học Princeton ở New Jersey, Robert Van de Graaff vành đai tĩnh điện chế tạo máy phát tiềm năng cao đầu tiên. Điện áp nhân phát Cockcroft-Walton và máy phát Van de Graaff vẫn được sử dụng như nguồn năng lượng cho máy gia tốc.

Nguyên tắc của gia tốc cộng hưởng tuyến tính đã được chứng minh Rolf Wideroe vào năm 1928. Trường Đại học Kỹ thuật Rhine-Westphalia ở Aachen, Đức, ông đã sử dụng một điện áp AC cao để đẩy nhanh tiến độ các ion natri và kali đến năng lượng vượt quá hai lần để nói với họ. Vào năm 1931 ở Hoa Kỳ Ernest Lourens và trợ lý của ông David Sloan thuộc Đại học California, Berkeley, sử dụng các lĩnh vực tần số cao để tăng tốc các ion thủy ngân đến năng lượng lớn hơn 1,2 MeV. Công việc này được bổ sung tăng tốc của hạt mang điện tích nặng Wideröe, nhưng các chùm tia ion là không hữu ích trong việc nghiên cứu hạt nhân.

gia tốc cộng hưởng từ hoặc cyclotron, đã được hình thành như một sự sửa đổi cài đặt Lawrence Wideröe. Sinh viên Lawrence Livingston chứng minh nguyên tắc cyclotron vào năm 1931, làm cho các ion với một năng lượng 80 keV. Năm 1932, Lawrence và Livingston công bố sự gia tốc proton lên đến hơn 1 MeV. Sau đó vào những năm 1930, cyclotron năng lượng đạt khoảng 25 MeV, và Van de Graaff - khoảng 4 MeV. Năm 1940, Donald Kerst, ứng dụng kết quả tính toán kỹ lưỡng của các quỹ đạo để cơ cấu nam châm, được xây dựng tại Đại học Illinois, các betatron đầu tiên, máy gia tốc electron cảm ứng từ.

vật lý hiện đại: máy gia tốc hạt

Sau Thế chiến II đã có sự tiến bộ nhanh chóng trong khoa học tăng tốc các hạt năng lượng cao. Nó bắt đầu Edwin McMillan tại Berkeley và Vladimir Veksler tại Moscow. Trong năm 1945, cả hai đều độc lập với nhau đã được mô tả nguyên tắc cân bằng pha. Khái niệm này cung cấp một phương tiện để duy trì quỹ đạo ổn định của các hạt trong một máy gia tốc tròn mà loại bỏ hạn chế về năng lượng proton và giúp tạo ra một tăng tốc cộng hưởng từ (synchrotron) cho electron. Autophasing, việc thực hiện nguyên tắc cân bằng pha, đã được khẳng định sau khi việc xây dựng một synchrocyclotron nhỏ tại Đại học California và synchrotron ở Anh. Ngay sau đó, các proton tuyến tính đầu tiên gia tốc cộng hưởng được tạo ra. Nguyên tắc này được sử dụng trong tất cả các synchrotron proton lớn được xây dựng từ đó.

Năm 1947, William Hansen, tại Đại học Stanford ở California, được xây dựng máy gia tốc thẳng electron đầu tiên tại việc đi lại sóng, mà sử dụng công nghệ lò vi sóng mà đã được phát triển cho radar trong chiến tranh thế giới thứ hai.

Tiến bộ trong nghiên cứu này có thể được thực hiện bằng cách tăng năng lượng proton, dẫn đến việc xây dựng tăng tốc bao giờ lớn hơn. Xu hướng này là chi phí sản xuất cao vòng nam châm khổng lồ đã được dừng lại. Lớn nhất nặng khoảng 40.000 tấn. Phương pháp để tăng năng lượng mà không tăng trưởng kích thước máy được sàng lọc trong khoảng 1952 godu Livingstone, Courant và Snyder một kỹ thuật tập trung xen kẽ (đôi khi được gọi tập trung mạnh mẽ). Synchrotron làm việc trên nguyên tắc này, sử dụng nam châm nhỏ hơn so với trước đây 100 lần. Như hội tụ toàn được sử dụng trong tất cả các synchrotron hiện đại.

Năm 1956 Kerst nhận ra rằng nếu hai bộ của các hạt được giữ lại trên quỹ đạo giao nhau, bạn có thể xem chúng va chạm. Việc áp dụng ý tưởng này đòi hỏi dầm tích lũy tăng tốc trong chu kỳ, gọi là tích lũy. Công nghệ này đã đạt được một năng lượng tối đa của các hạt tương tác.