Lineaarkiirendid laetud osakesi. Nagu kiirendites tööd. Miks osakeste kiirendi?

Kiirendus- laetud osakeste - seade, milles valgusvihu elektriliselt laetud aatomi või Subatomaarsed osakesed liiguvad peaaegu kiirust. Alusel tema töö on vajalik suurendada oma energia elektriväljas ja muuta trajektoori - magnetvälja.

Millised on osakeste kiirendi?

Need seadmed on laialdaselt kasutusel erinevates valdkondades teaduse ja tööstuse. Praeguseks üle maailma on rohkem kui 30 tuhat. Sest füüsika laetud osakeste kiirendi olla vahend alusuuringute struktuuri aatomitest, milline tuumajõudude ja tuuma omadused, mis looduses ei esine. Viimaste hulka kuuluvad transuranic ja muud ebastabiilne elemente.

Mis äravoolutoru on muutunud võimalik määrata erikulu. Laetud osakeste kiirendi kasutatakse ka tootmiseks raadioisotoopide, tööstuslikes röntgeni-, kiiritusravi, steriliseerimiseks bioloogiliste materjalide ja radiocarbon analüüsiga. Suurim ühikut kasutatakse uuringu põhilisi koostoimeid.

Eluea laetud osakesed rahuolekus suhtes kiirendi on väiksem kui osakesed kiirenes kiirustel lähedane valguse kiirus. See kinnitab suhteliselt väikese ajaga jaamades. Näiteks CERN on saavutatud kasvu eluiga müoni 0,9994c kiirus 29 korda.

Käesolev artikkel vaatleb mis sees ja töötavad osakeste kiirendi, selle arengut, eri tüüpi ja erinevaid funktsioone.

kiirendus põhimõtted

Sõltumata sellest, millist tasu osakeste kiirendi tead, nad kõik on ühiseid elemente. Esiteks, nad peavad olema allikas elektronide puhul telepilt toru või elektronid prootonid ja antiosakeste puhul suuremaid rajatisi. Lisaks peavad nad kõik on elektriväljade kiirendada osakesi ja magnetväljade kontrollida oma trajektoori. Lisaks vaakumit laetud osakeste kiirendi (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. minimaalne kogus jääkõhust, peab tagama pika elueaga talad. Lõpuks kõik seadmed peavad olema kantud vahenditega, loendamist ja mõõtmiseks kiirendatud osakesed.

põlvkond

Elektronid ja prootonid, mis on kõige sagedamini kasutatakse kiirendeid, leidub kõik materjalid, kuid kõigepealt peavad nad neid valida. Elektronid genereeritakse tavaliselt samamoodi nagu pildil toru - on seade, mis on nn "relv". On katoodi (negatiivne elektrood) asub vaakumis, mis on kuumutatud kus elektronid hakkavad lahti tulla aatomit. Negatiivselt laetud osakesed tõmbuvad anoodi (positiivse elektroodi) ja läheb läbi väljundi. Relv ise on lihtsaim kui gaasipedaali, sest elektronid liiguvad mõjul elektrivälja. Pinge katoodi ja anoodi, tavaliselt vahemikus 50-150 kV.

Peale elektronid kõikides sisalduva materjali prootonid, kuid ainult ühe prootoni tuuma koosseisus vesinikuaatomid. Seetõttu osakeste allikas prootoni kiirendeid on gaasiline vesinik. Sel juhul gaas ioniseeritakse ja prootonid asuvad läbi augu. Suurtes kiirendeid prootonid moodustatakse sageli kujul negatiivse vesinikuioonid. Nad kujutavad endast täiendavat elektroni aatomit, mis on saadud tänu diatomic gaasi ionisatsiooni. Kuna negatiivselt laetud vesiniku ioonide algfaasis töö lihtsamaks. Siis nad läbivad õhuke kile, mis jätab nad elektronide enne viimast etappi kiirendus.

kiirendus

Nagu osakeste kiirendi töö? Peamiseks tunnuseks need kõik on elektrivälja. Lihtsaim näide - ühtne staatiline väli vahel positiivsed ja negatiivsed elektriline potentsiaal, mis on sarnane sellega, mis kehtib terminalide vahel elektripatarei. See elektron valdkonnas kannab negatiivset laengut on avatud jõudu, mis suunab selle positiivne potentsiaal. See kiirendab see, kas on midagi, mis takistaks tema kiirus ja võimsus suureneb. Elektronid liiguvad suunas positiivset potentsiaali traadi või õhu, ja põrkuvad aatomitega kaotavad energiat, kuid kui nad asuvad vaakumis, siis kiirendatud, kui nad jõuavad anoodile.

Pinged alguse ja lõpu positsiooni elektronide määratleb ostetud neid energia. Liikudes potentsiaalide vahe 1 V on võrdne 1 elektron-voldine (eV). See võrdub 1,6 x 10 ^-19 džauli. Energia sõidavad sääsk triljon korda rohkem. In kinescope elektronid kiirendatakse pingega üle 10 kV. Paljud kiirendid jõuda palju suurem energia mõõta mega, giga ja tera elektrone volti.

liigid

Mõned varem tüüpi osakeste kiirendi, nagu pingekordistajat ja generaator Van de Graaff generaator, kasutades konstantse elektrivälja poolt tekitatud potentsiaal kuni miljon volti. Sellise suure pinge töö lihtne. Rohkem praktilist alternatiivi on korduv toime nõrk elektriväljad toodetud madala potentsiaaliga. See põhimõte on kasutatud kahte liiki kaasaegse kiirendeid - lineaarsed ja tsüklilised (peamiselt tsüklotronidele ja synchrotrons). Lineaarne osakeste kiirendi Lühidalt, andis need kord läbi jada kiirendades väljad ja tsükliliselt mitmeid kordi nad liiguvad ringjoont läbi suhteliselt väikese elektrivälja. Mõlemal juhul peab lõplik energia osakestest sõltub kogu tegevusvälja, nii et paljud väikesed "muhkude" liidetakse, et saada koosmõju ühe suure.

Korduv struktuuri lineaarne kiirendi tekitada elektrivälja loomulikul viisil on kasutada AC, ei DC. Positiivselt laetud osakesi kiirendatakse negatiivse potentsiaali ja saada uut hoogu, kui läbida positiivne. Praktikas on pinge tuleb väga kiiresti muutunud. Näiteks energiatihedusega 1 MeV prootoni liigub väga suurel kiirusel on valguse kiirus 0,46, associated 1,4 m 0,01 ms. See tähendab, et korduva struktuuri mõne meetri pikk, elektriline väljad peavad suunda muuta sagedusel vähemalt 100 MHz. Lineaarne või tsükliline kiirendeid osakesed tavaliselt hajutada neid vaheldumisi elektrivälja sagedusega 100 Hz kuni 3000, t. E. Vahemikus raadiolainete mikrolainete.

Elektromagnetiline laine on kombinatsioon võnkuv elektri- ja magnetväljade võnkuvatest üksteisele. Põhipunktiks on kohandada kiirendi laine et saabumiskaile osakestest elektrivälja suunatakse kooskõlas kiirenduse vektorit. Seda saab teha kasutades seisulaineteguriga - kombinatsioon levivat vastupidises suunas suletud ruumi, helilainete orel. Alternatiivse teostuse eest kiiresti liikuvate elektronide kelle kiirused läheneb valguse kiirus, reisimine laine.

autophasing

Oluline mõju kiirenduse vahelduva elektrivälja on "faasi stabiilsus". Ühes võnkumist tsükli vahelduv väli läbib nulli maksimaalsest väärtusest tagasi nulli, siis väheneb miinimumini ning tõuseb nulli. Seega möödub kaks korda läbi väärtus vajalik kiirendust. Kui osakeste kelle kiirus suureneb tegemist liiga vara, see ei toimi valdkonnas piisavalt jõudu, ja push on nõrk. Kui see jõuab järgmise ala, test hilja ja mõjusam. Selle tulemusena self-järkjärgulise tekkimisel on need osakesed samas faasis iga väli kiireneva piirkonnas. Teine mõju on rühmitades need ajas moodustada tromb mitte pideva voolu.

Suunas valgusvihu

Olulist rolli, kuidas tööd ja osakeste kiirendi, mängida ja magnetväljade eest, kui nad suunda muuta oma liikumine. See tähendab, et neid saab kasutada "painutamine" tala ringikujuliste tee, et nad korduvalt läbi sama kiirendades sektsioonis. Kõige lihtsamal juhul laetud osakesele liikuvate täisnurga all suuna homogeense magnetvälja, jõudu vektorit on risti nii oma liikumist ning magnetvälja. See põhjustab tala liikuma ringjoont risti valdkonnas, kuni see väljub oma tegevusvaldkonna või muu jõu hakkab tegutsema ta. Seda efekti kasutatakse tsüklilist kiirendajaid nagu sünkrotronitele ja tsüklotronid. Tsüklotronis pidev valdkonnas on toodetud suure magnet. Osakesed suurenedes oma energia liikudes spiraalselt väljapoole kiirendatud iga revolutsiooni. Sünkrotron- trombide liikuda tsükli konstantse raadiusega ja põld poolt genereeritud elektromagnetid ümber tuuma suureneb osakeste kiirendamisel. Magnetid pakkudes "painutamine", esindavad dipooli koos põhja ja lõunapoolusel, painutatud hobuseraua kuju selliselt, et tala võib kulgeda.

Teine oluline funktsioon elektromagnetite on keskenduda talad, et nad on nii kitsas ja intensiivne kui võimalik. Lihtsaim kujul keskendudes magnet - neli postid (kaks Põhja ja kaks Lõuna) asub üksteise vastas. Nad osakesi lükata keskele ühes suunas, kuid neid oleks võimalik jaotunud risti. Kvadrupool magnetid keskenduda tala horisontaalselt, mis võimaldab tal minna fookusest vertikaalselt. Selleks tuleb neid kasutada paarikaupa. Täpsemaks keskendudes kasutatakse ka keerukamaid magnetid suure pooluste arv (6 ja 8).

Kuna energia osakeste suurenemist, tugevust magnetväli, suunates neid suureneb. See hoiab tala sama trajektoori. Kalgend sisestatakse rõngas ja kiireneb soovitud energiat enne kui seda saab tühistada ja katsetes kasutatud. Tagasitõmme saavutatakse elektromagnetid mis aktiveeruvad suruda osakesed sünkrotron- tsükkel.

kokkupõrge

Laetud osakeste kiirendi kasutatakse meditsiinis ja tööstuses, toodavad peamiselt valguskiir teatud otstarbeks, näiteks kiirituse või ioonimplantatsioonil. See tähendab, et need osakesed ühekordselt kasutatavad. Sama kehtis kiirendajaid kasutatakse alusuuringute aastaid. Aga rõngad töötati 1970. aastal, kus kaks talad ringlevad vastupidises suunas ja põrkuvad ümber ringi. Peamine eelis on nende süsteemide mis laupkokkupõrke korral energia osakeste läheb otse suhtlemise energia vahel. See vastandub mis juhtub siis, kui varras põrkas seisva pilte, mille puhul enamik energiat läheb vähendamise sihtmärgi materjali liikumise, vastavalt põhimõttele jäävuse seadus.

Mõned masinad põrgata talad on ehitatud kahe rõngad, lõikuvad kahes või rohkem kohti, kus levitati vastupidises suunas osakesed sama tüüpi. Sagedamini collider osakese-antiosakese. Antiosakese on vastupidine vastutab seotud osakestest. Näiteks positron, on positiivselt laetud ning elektronid - negatiivselt. See tähendab, et valdkonnas, mis kiirendab elektronide, positron aeglustab, liigub samas suunas. Aga kui viimane liigub vastupidises suunas, see kiirendab. Samamoodi elektrone liigub läbi magnetvälja tahe kõver vasakule ja positron - paremale. Aga kui positron liigub edasi, siis tema tee jätkab kõrvale paremale, kuid samal kõver nagu elektronspektroskoopia. See aga tähendab, et osakesed võivad liikuda läbi rõnga sünkrotron- sama magnetid ja kiirendas sama elektrivälju vastupidistes suundades. Selle põhimõtte loodud mitmeid võimsaid colliders põrgata talad, t. Et. Ainus nõuab üks ring kiirendi.

Beam sünkrotron- ei liigu pidevalt ja integreerida "tükke." Nad võivad olla mitu sentimeetrit pikkuses ja kümnendikmillimeetrini läbimõõduga ning sisaldavad ligikaudu 10 ¹² osakesi. See madala tihedusega, sest suurus selline materjal sisaldab umbes ^{23 October} aatomit. Seega, kui põrgata talad ristuvad, on ainult väike tõenäosus, et need osakesed omavahel reageerida. Praktikas hüübimist jätkuvalt liikuda ringi ja kohtume taas. Kõrgvaakumis kiirendi laetud osakeste (10 ^-11 mm Hg. V.) on vajalik selleks, et osakesed võivad ringelda mitmeid tunde ilma kokkupõrkeid õhumolekulid. Seega tsükkel on ka nn kumulatiivsed, sest talad tegelikult selles salvestatud mitu tundi.

registreerimine

Laetud osakeste kiirendi enamuses saavad registreerida tekib siis, kui osakesed lüüa või teine tala, liikudes vastupidises suunas. In telepildina toru, elektronid püssi tabama Fosforsalvestusekraan sisepinnal ja kiirgavad valgust, mis niiviisi taasloob edastatava kujutise. In kiirendajad nagu spetsialiseeritud detektorid reageerivad hajutatud osakesi, kuid need on tavaliselt mõeldud looma elektrilisteks signaalideks, mida saab muundada arvutiandmetega ja analüüsiti kasutades arvutiprogramme. Ainult laetud elemente toota elektrilisteks signaalideks läbib materjali, näiteks ionisatsiooni ergastamiseks või aatomid ja nendega saab tuvastada otseselt. Neutraalne osakesi nagu neutronite või footonite saab tuvastada kaudselt käitumist laetud osakesi, et nad on liikumises.

On palju spetsialiseeritud detektorid. Mõned neist, näiteks Geigeri loendur, osakeste arvu ja muid kasutusviise, näiteks võtta salvestusradu või kiiruse mõõtmise energiat. Modern detektorid suuruse ja tehnoloogia võib erineda väike laengsidestusseadmed suurtele gaasiga täidetud kambrit traatidega mis tuvastab ioniseeritud rajad tootnud laetud osakesed.

lugu

Laetud osakeste kiirendi põhiliselt arenenud uuringutele omadusi aatomituumadega ja elementaarne osakesi. Kuna avamine Briti füüsik Ernest Rutherford 1919. aastal pandi lämmastiku tuumas ja alfaosake, kõik uuringud valdkonnas tuumafüüsikust 1932 viidi läbi heeliumituumadest poolt vabastatav lagunemine looduslikke radioaktiivseid elemente. Looduslikud alfa-osakeste kineetilist energiat 8 MeV, kuid Rutherford arvatakse, et nad peavad olema kunstlikult kiirenes isegi kõrgemaid väärtusi jälgimiseks lagunemine raskete tuumade. Tol ajal tundus raske. Kuid tehtud arvestusest 1928 Georgiem Gamovym (Ülikooli Göttingen, Saksamaa), näitas, et ioonid saab kasutada palju madalama energiaga, ja seda on soodustanud katsed ehitada rajatis, mis pakub kiire piisav Tuumauuringute.

Muud sündmused Selle aja näidanud põhimõtteid, mis on laetud osakeste kiirendi on ehitatud tänaseni. Esimene edukas eksperimendid kunstlikult kiirendatud ioonide toimusid Cockroft'i ja Walton 1932 Cambridge University. Kasutades pingekordistajat, prootonid kiirendatakse 710 keV ja näitas, et viimane reageerivad liitiumiga moodustamaks kahe alfa osakesteks. 1931. aastaks, Princetoni ülikoolis New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostaatiline vöö ehitas esimese suure potentsiaaliga generaator. Pingekordistajat Cockcroft-Walton generaatorid ja Van de Graaff generaator kasutatakse endiselt energiaallikate kiirendeid.

Põhimõte lineaarne resonantsahelate kiirendi demonstreeriti Rolf Widerøe 1928. Reini-Vestfaali Tehnikaülikool Aachen, Saksamaa, ta kasutas kõrge vahelduvpinge kiirendada naatriumi ja kaaliumi ioone energia üle kahe korra neile öelda. Aastal 1931 Ameerika Ühendriigid Ernest Lourens ja tema assistent David Sloan Ülikooli California, Berkeley, kasutas suure sagedusega väljade kiirendada elavhõbeda ioone energia on suurem kui 1,2 MeV. See töö on täiendavad kiirendi raskete laetud osakesed WIDERØE, kuid ioonkiiri ei ole kasulik tuumauuringute.

Magnetresonantsi gaasi- või tsüklotronid, oli mõeldud modifikatsiooni Lawrence Wideroe paigaldus. Student Lawrence Livingston näidanud põhimõtet tsüklotronperioodi 1931, muutes ioonid energiaga 80 keV. Aastal 1932, Lawrence ja Livingston teatas kiirendus prootonite kuni rohkem kui 1 MeV. Hiljem 1930., energia tsüklotronidele jõudnud umbes 25 MeV, ja Van de Graaff - umbes 4 MeV. 1940. aastal Donald Kerst, rakendades tulemusi hoolikat orbiidi arvutuste magneti struktuuriga, ehitatud University of Illinois, esimese betatron, magnetinduktsiooni elektronide kiirendaja.

Kaasaegne füüsika: kiirendites

Pärast II maailmasõda oli kiire edu teaduse osakeste kiirendamist kõrge energia. See algas Edwin McMillan Berkeley ja Vladimir Veksler Moskvas. Aastal 1945 on nad mõlemad teineteisest sõltumatult on kirjeldatud põhimõtet faasi stabiilsust. See kontseptsioon pakub vahendi säilitada stabiilsena tiirleb osakestest ringjate kiirendi, et eemaldada piirangud prootoni energia ja aidanud luua magnetresonantsi kiirendeid (synchrotrons) elektronide. Autophasing, rakendamise põhimõtte faasi stabiilsus, sai kinnitust pärast ehitamiseks väike synchrocyclotron Ülikooli California ja sünkrotron- Inglismaal. Varsti pärast esimese prootoni lineaarne resonantsahelate kiirendi loodi. See põhimõte on kasutada kõiki peamisi prootoni synchrotrons ehitatud ajast.

Aastal 1947, William Hansen, Stanfordi ülikoolis Californias, ehitas esimese elektroni lineaarne Kiirendi reisimine laine, mis kasutatakse mikrolaine tehnoloogia, mis on välja töötatud radari ajal Teist maailmasõda.

Progress uuring tegi võimalikuks suurendada prootoni energia, mis viis ehitamiseks kunagi suuremat kiirendeid. See trend on kõrge tootmiskulude suur magnet ring on peatatud. Suurim kaalub umbes 40000 tonni. Meetodid suurendada energiat ilma masina suuruse kasvu sõeluti umbes 1952 godu Livingstone, Courant ja Snyder tehnikat on vahelduva keskendudes (mõnikord nimetatakse tugev keskendumine). Synchrotrons kallal seda põhimõtet kasutada magneteid 100 korda väiksem kui enne. Selline fokuseerimine kasutatakse kõiki kaasaegseid synchrotrons.

Aastal 1956 Kerst aru, et kui kaks osakesi hoitakse kinni lõikuvad tiirleb, saate vaadata neid põrkuvad. Rakendus selle idee vaja kogunemine kiirendatud talad tsüklit, mida nimetatakse kumulatiivsed. See tehnoloogia on saavutanud maksimaalse energia interaktsiooni osakesi.