Akselerator linear dari partikel bermuatan. Sebagai akselerator partikel kerja. Mengapa akselerator partikel?

Akselerator partikel bermuatan - perangkat dimana sinar bermuatan listrik partikel atom atau subatom bepergian di hampir kecepatan. Dasar dari karyanya diperlukan peningkatan mereka energi dengan medan listrik dan mengubah lintasan - magnetik.

Apa akselerator partikel?

Perangkat ini banyak digunakan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan industri. Sampai saat ini, di seluruh dunia ada lebih dari 30 ribu. Untuk fisika akselerator partikel bermuatan berfungsi sebagai alat penelitian dasar pada struktur atom, sifat kekuatan nuklir dan sifat nuklir, yang tidak terjadi secara alami. Yang terakhir termasuk transuranic dan elemen lainnya yang tidak stabil.

Dengan tabung debit telah menjadi mungkin untuk menentukan biaya tertentu. Dibebankan akselerator partikel juga digunakan untuk produksi radioisotop, di radiografi industri, radioterapi, untuk sterilisasi bahan biologis, dan dalam analisis radiokarbon. Unit terbesar digunakan dalam studi interaksi fundamental.

Seumur hidup dari partikel bermuatan di diam terhadap pedal gas lebih kecil daripada partikel dipercepat untuk kecepatan dekat dengan kecepatan cahaya. Ini menegaskan jumlah yang relatif kecil dari stasiun waktu. Sebagai contoh, di CERN telah dicapai peningkatan seumur hidup dari muon kecepatan 0,9994c 29 kali.

Artikel ini melihat apa yang di dalam dan bekerja akselerator partikel, perkembangannya, berbagai jenis dan fitur yang berbeda.

prinsip percepatan

Terlepas dari apa jenis akselerator partikel bermuatan yang Anda tahu, mereka semua memiliki elemen umum. Pertama, mereka harus memiliki sumber elektron dalam kasus tabung televisi gambar atau elektron, proton dan antipartikel mereka dalam kasus instalasi yang lebih besar. Selain itu, mereka harus semua memiliki medan listrik untuk mempercepat partikel dan medan magnet untuk mengontrol lintasan mereka. Selain itu, vakum dalam akselerator partikel bermuatan (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Sebuah jumlah minimum udara residu, diperlukan untuk menjamin kehidupan yang panjang waktu balok. Akhirnya, semua instalasi harus memiliki sarana pendaftaran, penghitungan dan pengukuran partikel dipercepat.

generasi

Elektron dan proton, yang paling umum digunakan di akselerator, ditemukan di semua bahan, tapi pertama mereka harus memilih dari mereka. Elektron biasanya dihasilkan dengan cara yang sama seperti pada tabung gambar - di perangkat yang disebut "pistol". Ini adalah katoda (elektroda negatif) dalam vakum, yang dipanaskan sampai keadaan dimana elektron mulai datang dari atom. partikel bermuatan negatif tertarik ke anoda (elektroda positif) dan melewati outlet. Pistol itu sendiri adalah yang paling sederhana seperti pedal gas karena elektron bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Tegangan antara katoda dan anoda, biasanya dalam kisaran 50-150 kV.

Terlepas dari elektron dalam semua bahan yang terkandung proton, tetapi hanya inti proton tunggal yang terdiri dari atom hidrogen. Oleh karena itu, sumber partikel akselerator proton adalah gas hidrogen. Dalam hal ini, gas yang terionisasi dan proton berada melalui lubang. Dalam akselerator besar proton sering dibentuk dalam bentuk ion hidrogen negatif. Mereka mewakili sebuah elektron tambahan dari atom yang merupakan produk dari ionisasi gas diatomik. Karena ion hidrogen bermuatan negatif pada tahap awal pekerjaan lebih mudah. Kemudian mereka melewati sebuah foil tipis, yang merampas mereka dari elektron sebelum tahap akhir percepatan.

akselerasi

Sebagai akselerator partikel kerja? Fitur utama dari semua itu adalah medan listrik. Contoh paling sederhana - bidang statis seragam antara potensi listrik positif dan negatif, sama dengan yang ada antara terminal baterai listrik. bidang elektron ini membawa muatan negatif terkena kekuatan yang mengarahkan ke sebuah potensi positif. Ini mempercepat itu, dan jika ada sesuatu yang akan berdiri di jalan, kecepatan dan kekuatannya meningkat. Elektron bergerak menuju potensi positif pada kawat atau di udara, dan bertabrakan dengan atom kehilangan energi, tetapi jika mereka berada dalam kondisi vakum, kemudian dipercepat ketika mereka mendekati anoda.

Ketegangan antara awal dan akhir posisi mendefinisikan elektron membeli mereka energi. Ketika bergerak melalui beda potensial dari 1 V sama dengan 1 elektron-volt (eV). Hal ini setara dengan 1,6 × 10 ^-19 joule. Energi dari nyamuk terbang triliun kali lebih. Dalam elektron kinescope dipercepat tegangan lebih besar dari 10 kV. Banyak akselerator mencapai energi yang jauh lebih tinggi diukur mega, giga dan tera-elektron-volt.

jenis

Beberapa jenis awal akselerator partikel, seperti pengganda tegangan dan generator Van de Graaff generator menggunakan medan listrik konstan yang dihasilkan oleh potensi hingga satu juta volt. Dengan tegangan tinggi seperti bekerja mudah. Sebuah alternatif yang lebih praktis adalah tindakan berulang dari medan listrik lemah yang dihasilkan potensi rendah. Prinsip ini digunakan dalam dua jenis akselerator yang modern - linear dan siklik (terutama cyclotron dan synchrotrons). akselerator partikel linier, singkatnya, melewati mereka sekali melalui urutan bidang percepatan, sedangkan siklis berkali-kali mereka bergerak di jalur melingkar melalui medan listrik yang relatif kecil. Dalam kedua kasus, energi akhir partikel tergantung pada total bidang tindakan, sehingga banyak kecil "benjolan" ditambahkan bersama-sama untuk memberikan efek gabungan dari satu besar.

Struktur berulang akselerator linear untuk menghasilkan medan listrik dengan cara alami adalah dengan menggunakan AC, tidak DC. Partikel-partikel yang bermuatan positif dipercepat untuk potensi negatif dan mendapatkan dorongan baru, jika lulus positif. Dalam prakteknya, tegangan harus berubah sangat cepat. Sebagai contoh, pada energi 1 MeV proton bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi adalah kecepatan cahaya dari 0,46, melewati 1,4 m dari 0,01 ms. Ini berarti bahwa dalam struktur berulang beberapa meter panjang, medan listrik harus mengubah arah pada frekuensi minimal 100 MHz. Linear dan akselerator siklik partikel biasanya membubarkan mereka dengan frekuensi medan listrik bolak-balik dari 100 MHz ke 3000, t. E. Dalam rentang gelombang radio gelombang mikro.

Gelombang elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan magnet berosilasi berosilasi pada sudut kanan satu sama lain. Titik kunci adalah untuk mengatur gelombang akselerator sehingga pada kedatangan partikel medan listrik diarahkan sesuai dengan vektor percepatan. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan gelombang berdiri - kombinasi dari gelombang bepergian dalam arah yang berlawanan dalam ruang tertutup, gelombang suara dalam organ pipa. Perwujudan alternatif untuk cepat bergerak elektron yang kecepatan mendekati kecepatan cahaya, gelombang perjalanan.

autophasing

Efek penting dari percepatan dalam medan listrik bolak-balik adalah "fase stabilitas". Dalam satu bidang osilasi siklus bolak melewati nol dari nilai maksimum kembali ke nol, itu berkurang untuk minimum dan naik ke nol. Dengan demikian, melewati dua kali melalui nilai yang diperlukan untuk percepatan. Jika sebuah partikel yang kecepatan meningkat, datang terlalu dini, itu tidak akan berhasil bidang kekuatan yang cukup, dan push akan lemah. Ketika mencapai area berikutnya, tes akhir dan dampak yang lebih. Akibatnya, self-pentahapan terjadi, partikel-partikel akan berada di fase dengan masing-masing bidang di wilayah mempercepat. Efek lain adalah mengelompokkan mereka dalam waktu untuk membentuk bekuan daripada aliran berkelanjutan.

Arah balok

Peran penting dalam cara kerja dan akselerator partikel, bermain dan medan magnet, karena mereka dapat mengubah arah gerakan mereka. Ini berarti bahwa mereka dapat digunakan untuk "membungkuk" balok di jalan melingkar, sehingga mereka berulang kali melewati bagian percepatan yang sama. Dalam kasus yang paling sederhana, pada partikel bermuatan bergerak pada sudut kanan ke arah medan magnet homogen, sebuah vektor gaya tegak lurus terhadap kedua gerakannya, dan ke lapangan. Hal ini menyebabkan balok bergerak di jalur melingkar tegak lurus ke lapangan, sampai keluar dari bidangnya tindakan atau kekuatan lain mulai bertindak di atasnya. Efek ini digunakan di akselerator siklik seperti sinkrotron dan siklotron. Dalam siklotron, bidang konstan diproduksi oleh magnet besar. Partikel dengan meningkatnya energi mereka bergerak spiral lahiriah dipercepat dengan setiap revolusi. Gumpalan sinkrotron bergerak di sekitar ring dengan radius konstan, dan bidang yang dihasilkan oleh elektromagnet sekitar meningkat cincin sebagai partikel dipercepat. Magnet memberikan "membungkuk", merupakan dipol dengan kutub utara dan selatan, membungkuk dalam bentuk tapal kuda sehingga balok dapat lulus diantaranya.

Fungsi penting kedua dari elektromagnet adalah untuk fokus balok sehingga mereka begitu sempit dan intens mungkin. Bentuk paling sederhana dari magnet fokus - dengan empat tiang (dua utara dan dua selatan) terletak berlawanan satu sama lain. Mereka mendorong partikel ke pusat dalam satu arah, tetapi memungkinkan mereka untuk didistribusikan di tegak lurus. Quadrupole magnet fokus balok horizontal, sehingga dia pergi keluar dari fokus secara vertikal. Untuk melakukan ini, mereka harus digunakan secara berpasangan. Untuk lebih akurat fokus juga digunakan magnet yang lebih canggih dengan sejumlah besar tiang (6 dan 8).

Karena energi meningkat partikel, kekuatan medan magnet, mengarahkan mereka meningkat. Hal ini membuat balok di lintasan yang sama. Dadih diperkenalkan ke dalam ring dan dipercepat untuk energi yang diinginkan sebelum dapat ditarik dan digunakan dalam percobaan. Retraksi dicapai dengan elektromagnet yang diaktifkan untuk mendorong partikel dari cincin sinkrotron.

tabrakan

akselerator partikel bermuatan digunakan dalam pengobatan dan industri, terutama memproduksi sinar untuk tujuan tertentu, misalnya, iradiasi atau ion implantasi. Ini berarti bahwa partikel digunakan sekali. Hal yang sama terjadi akselerator yang digunakan dalam penelitian dasar selama bertahun-tahun. Tapi cincin dikembangkan pada tahun 1970, di mana dua balok yang beredar di arah yang berlawanan dan bertubrukan di sekitar sirkuit. Keuntungan utama dari sistem tersebut adalah bahwa dalam energi tabrakan frontal partikel pergi langsung ke energi interaksi antara mereka. Hal ini kontras dengan apa yang terjadi ketika balok bertabrakan dengan gambar diam, dalam hal sebagian besar energi pergi ke pengurangan bahan target bergerak, sesuai dengan prinsip konservasi momentum.

Beberapa mesin dengan bertabrakan balok yang dibangun dengan dua cincin, berpotongan di dua atau lebih tempat, di mana beredar di arah yang berlawanan, partikel dari jenis yang sama. Lebih umum collider partikel-antipartikel. Antipartikel memiliki muatan yang berlawanan dari partikel terkait. Misalnya, positron, bermuatan positif, dan elektron - negatif. Ini berarti bahwa medan yang mempercepat elektron, positron melambat, bergerak ke arah yang sama. Tetapi jika bergerak terakhir dalam arah yang berlawanan, hal itu akan mempercepat. Demikian pula, sebuah elektron bergerak melalui medan kehendak kurva magnet ke kiri, dan positron - tepat. Tetapi jika positron bergerak maju, maka jalannya akan terus menyimpang ke kanan, namun pada kurva sama dengan elektron. Namun, ini berarti bahwa partikel dapat bergerak melalui cincin sinkrotron magnet yang sama dan dipercepat oleh medan listrik yang sama dalam arah yang berlawanan. Pada prinsip ini menciptakan banyak colliders kuat bertabrakan balok, t. Untuk. Hanya membutuhkan satu akselerator cincin.

Beam di sinkrotron tidak bergerak terus menerus dan terintegrasi ke dalam "rumpun." Mereka bisa beberapa sentimeter panjang dan sepersepuluh milimeter dengan diameter, dan terdiri sekitar 10 ¹² partikel. kepadatan rendah ini, karena ukuran materi tersebut mengandung sekitar ²³ atom ^Oktober. Oleh karena itu, ketika balok bertabrakan berpotongan, hanya ada kemungkinan kecil bahwa partikel akan bereaksi satu sama lain. Dalam prakteknya pembekuan terus bergerak di sekitar ring dan bertemu lagi. vakum tinggi dalam akselerator partikel bermuatan (10 ^-11 mm Hg. V.) Apakah diperlukan agar partikel dapat beredar selama berjam-jam tanpa tabrakan dengan molekul udara. Oleh karena itu, cincin juga disebut kumulatif, karena balok sebenarnya disimpan di dalamnya selama beberapa jam.

pendaftaran

Dibebankan akselerator partikel di mayoritas dapat mendaftarkan terjadi ketika partikel mencapai target atau sinar lainnya, bergerak ke arah yang berlawanan. Dalam tabung gambar televisi, elektron dari pistol untuk menyerang layar fosfor pada permukaan bagian dalam dan memancarkan cahaya, yang dengan demikian recreates gambar ditransmisikan. Di akselerator detektor khusus seperti bereaksi terhadap partikel tersebar, tetapi mereka biasanya dirancang untuk menciptakan sinyal listrik yang dapat dikonversi menjadi data komputer dan dianalisis menggunakan program komputer. Hanya dikenakan elemen menghasilkan sinyal listrik melewati materi, misalnya dengan ionisasi atau eksitasi atom, dan dapat dideteksi secara langsung. Partikel-partikel netral seperti neutron atau foton dapat dideteksi secara tidak langsung melalui perilaku partikel bermuatan bahwa mereka berada dalam gerakan.

Ada banyak detektor khusus. Beberapa dari mereka, seperti Geiger counter, hitungan partikel, dan kegunaan lain, misalnya, untuk trek rekaman atau pengukuran kecepatan energi. detektor modern di ukuran dan teknologi, dapat bervariasi dari perangkat charge coupled kecil untuk kamar diisi gas-besar dengan kabel yang mendeteksi trek terionisasi yang dihasilkan oleh partikel bermuatan.

cerita

Akselerator partikel bermuatan terutama dikembangkan untuk studi sifat inti atom dan partikel elementer. Sejak ditemukannya fisikawan Inggris Ernest Rutherford pada tahun 1919, reaksi inti partikel nitrogen dan alfa, semua penelitian dalam fisika nuklir sampai tahun 1932 dilakukan dengan inti helium yang dilepaskan sebagai akibat dari peluruhan unsur radioaktif alami. Partikel alfa alami memiliki energi kinetik 8 MeV, namun Rutherford percaya bahwa untuk mengamati pembusukan inti berat, perlu untuk mempercepatnya secara artifisial ke nilai yang lebih besar lagi. Saat itu rasanya sulit. Namun, perhitungan yang dilakukan pada tahun 1928 oleh Georgy Gamow (di Universitas Göttingen, Jerman) menunjukkan bahwa ion dengan energi jauh lebih rendah dapat digunakan, dan ini mendorong usaha untuk membangun fasilitas yang menyediakan sinar yang cukup untuk penelitian nuklir.

Peristiwa lain dari periode ini menunjukkan prinsip-prinsip dimana akselerator partikel bermuatan dibangun sampai hari ini. Eksperimen sukses pertama dengan ion akselerasi buatan dibuat oleh Cockcroft dan Walton pada tahun 1932 di Universitas Cambridge. Dengan menggunakan pengganda tegangan, mereka mempercepat proton hingga 710 keV dan menunjukkan bahwa yang terakhir bereaksi dengan inti lithium untuk membentuk dua partikel alfa. Pada tahun 1931, di Universitas Princeton di New Jersey, Robert Van de Graaf membangun generator elektrostatik sabuk pertama dengan potensi tinggi. Pengganda tegangan Cokroft-Walton dan generator Van de Graaff masih digunakan sebagai sumber energi untuk akselerator.

Prinsip akselerator resonansi linier ditunjukkan oleh Rolf Wideröe pada tahun 1928. Di Universitas Teknik Rhine-Westphalia di Aachen, Jerman, dia menggunakan voltase bergantian untuk mempercepat ion natrium dan kalium menjadi energi dua kali yang dilaporkan pada mereka. Pada tahun 1931, di Amerika Serikat, Ernest Lawrence dan asistennya David Sloan dari University of California, Berkeley, menggunakan medan frekuensi tinggi untuk mempercepat ion merkuri ke energi yang melebihi 1,2 MeV. Pekerjaan ini dilengkapi dengan akselerator partikel bermuatan berat Wideröe, namun balok ion tidak berguna dalam penelitian nuklir.

Sebuah akselerator resonansi magnetik, atau siklotron, dikandung oleh Lawrence sebagai modifikasi pemasangan Wideröe. Seorang siswa Lawrence Livingston mendemonstrasikan prinsip cyclotron pada tahun 1931, menghasilkan ion dengan energi 80 keV. Pada tahun 1932, Lawrence dan Livingston mengumumkan percepatan proton lebih dari 1 MeV. Kemudian pada tahun 1930an, energi siklotron mencapai sekitar 25 MeV, dan generator Van de Graaff sekitar 4 MeV. Pada tahun 1940 Donald Kerst, dengan menggunakan hasil kalkulasi orbit yang cermat terhadap desain magnet, dibangunlah betatron pertama di University of Illinois, sebuah akselerator elektron induksi magnetik.

Fisika modern: akselerator partikel bermuatan

Setelah Perang Dunia Kedua, ilmu mempercepat partikel untuk energi tinggi telah membuat kemajuan pesat. Dia memulai Edwin Macmillan di Berkeley dan Vladimir Veksler di Moskow. Pada tahun 1945, mereka berdua secara independen menggambarkan prinsip stabilitas fase. Konsep ini menawarkan cara untuk mempertahankan orbit partikel yang stabil dalam akselerator siklik, yang menghilangkan pembatasan energi proton dan membiarkan pembuatan resonansi resonansi magnetik (sinkrotron) untuk elektron. Autofasing, penerapan prinsip stabilitas fase, telah dikonfirmasi setelah pembangunan synchrocyclotron kecil di University of California dan sinkrotron di Inggris. Segera setelah ini, akselerator resonansi resonator proton pertama dibuat. Prinsip ini digunakan pada semua sinkrotron proton besar yang dibangun sejak saat itu.

Pada tahun 1947, William Hansen, di Stanford University di California, membangun akselerator elektron linier pertama pada gelombang perjalanan, menggunakan teknologi gelombang mikro, yang dikembangkan untuk radar selama Perang Dunia Kedua.

Kemajuan dalam penelitian dimungkinkan dengan meningkatkan energi proton, yang menyebabkan pembangunan akselerator yang lebih besar. Tren ini dihentikan oleh tingginya biaya pembuatan cincin magnet besar. Beratnya terbesar adalah sekitar 40.000 ton. Metode untuk meningkatkan energi tanpa meningkatkan dimensi mesin ditunjukkan pada tahun 1952 oleh Livingston, Courant dan Snyder dalam teknik fokus bolak-balik (kadang-kadang disebut fokus kuat). Synchrotrons yang bekerja pada prinsip ini menggunakan magnet 100 kali lebih kecil dari sebelumnya. Fokus seperti itu digunakan di semua sinkrotron modern.

Pada tahun 1956 Kerst menyadari bahwa jika dua set partikel dipegang di orbit berpotongan, seseorang dapat mengamati tumbukannya. Penerapan gagasan ini mensyaratkan akumulasi balok yang dipercepat dalam siklus yang disebut balok kumulatif. Teknologi ini telah memungkinkan untuk mencapai energi interaksi maksimum partikel.