En partikelaccelerator är en enhet som skapar en stråle av elektriskt laddade atomära eller subatomära partiklar som rör sig med nästan ljushastigheter. Dess arbete är baserat på en ökning av deras energi genom ett elektriskt fält och en förändring av banan - med en magnetisk.
Vad är partikelacceleratorer till för?
Dessa enheter används i stor utsträckning inom olika områden inom vetenskap och industri. Idag finns det mer än 30 tusen av dem över hela världen. För en fysiker fungerar partikelacceleratorer som ett verktyg för grundläggande forskning om atomernas struktur, kärnkrafternas natur och egenskaperna hos kärnor som inte förekommer i naturen. De senare inkluderar transuran och andra instabila grundämnen.
Med hjälp av ett urladdningsrör blev det möjligt att bestämma den specifika laddningen. Partikelacceleratorer används också vid framställning av radioisotoper, vid industriell radiografi, vid strålterapi, vid sterilisering av biologiska material och i radiokolanalys. De största installationerna används i studien av grundläggande interaktioner.
Livstiden för laddade partiklar i vila i förhållande till acceleratorn är kortare än för partiklar som accelereras till hastigheter nära ljusets hastighet. Detta bekräftar relativiteten för SRT-tidsintervall. Till exempel, vid CERN, uppnåddes en 29-faldig ökning av livslängden för myoner med en hastighet av 0,9994c.
Den här artikeln diskuterar hur en partikelaccelerator fungerar, dess utveckling, olika typer och särdrag.
Principer för acceleration
Oavsett vilka partikelacceleratorer du känner till har de alla gemensamma element. För det första måste de alla ha en elektronkälla i fallet med ett tv-kineskop, eller elektroner, protoner och deras antipartiklar i fallet med större installationer. Dessutom måste de alla ha elektriska fält för att accelerera partiklarna och magnetfält för att kontrollera deras bana. Dessutom är vakuumet i partikelacceleratorn (10-11 mm Hg), d.v.s. den minsta mängden kvarvarande luft, nödvändigt för att säkerställa en lång livslängd för strålarna. Och slutligen måste alla installationer ha möjlighet att registrera, räkna och mäta accelererade partiklar.
Generation
Elektroner och protoner, som oftast används i acceleratorer, finns i alla material, men först måste de isoleras från dem. Elektroner genereras vanligtvisprecis som i ett kinescope - i en anordning som kallas "pistol". Det är en katod (negativ elektrod) i ett vakuum, som värms upp till den punkt där elektroner börjar bryta sig loss från atomer. Negativt laddade partiklar attraheras till anoden (positiv elektrod) och passerar genom utloppet. Pistolen i sig är också den enklaste acceleratorn, eftersom elektronerna rör sig under påverkan av ett elektriskt fält. Spänningen mellan katoden och anoden är vanligtvis mellan 50-150 kV.
Förutom elektroner innehåller alla material protoner, men bara kärnorna i väteatomer består av enstaka protoner. Därför är källan till partiklar för protonacceleratorer gasformigt väte. I det här fallet joniseras gasen och protonerna kommer ut genom hålet. I stora acceleratorer produceras protoner ofta som negativa vätejoner. De är atomer med en extra elektron, som är produkten av jonisering av en diatomisk gas. Det är lättare att arbeta med negativt laddade vätejoner i inledningsskedet. Sedan passerar de genom en tunn folie som berövar dem elektroner innan det sista steget av accelerationen.
Acceleration
Hur fungerar partikelacceleratorer? Nyckelfunktionen hos någon av dem är det elektriska fältet. Det enklaste exemplet är ett enhetligt statiskt fält mellan positiva och negativa elektriska potentialer, liknande det som finns mellan polerna på ett elektriskt batteri. I ett sådantfält, är en elektron som bär en negativ laddning utsatt för en kraft som riktar den mot en positiv potential. Hon accelererar honom, och om det inte finns något som hindrar detta ökar hans hastighet och energi. Elektroner som rör sig mot en positiv potential i en tråd eller till och med i luft kolliderar med atomer och förlorar energi, men om de befinner sig i ett vakuum accelererar de när de närmar sig anoden.
Spänningen mellan den initiala och slutliga positionen för en elektron bestämmer energin som den förvärvar. När man rör sig genom en potentialskillnad på 1 V är den lika med 1 elektronvolt (eV). Detta motsvarar 1,6 × 10-19 joule. Energin hos en flygande mygga är en biljon gånger större. I ett kineskop accelereras elektroner med en spänning på över 10 kV. Många acceleratorer uppnår mycket högre energi, mätt i mega-, giga- och teraelektronvolt.
Varieties
Några av de tidigaste typerna av partikelacceleratorer, som spänningsmultiplikatorn och Van de Graaff-generatorn, använde konstanta elektriska fält som genererades av potentialer upp till en miljon volt. Det är inte lätt att arbeta med så höga spänningar. Ett mer praktiskt alternativ är den repetitiva verkan av svaga elektriska fält som genereras av låga potentialer. Denna princip används i två typer av moderna acceleratorer - linjära och cykliska (främst i cyklotroner och synkrotroner). Linjära partikelacceleratorer, kort sagt, passerar dem en gång genom en sekvensaccelererande fält, medan de i det cykliska rör sig upprepade gånger längs en cirkulär bana genom relativt små elektriska fält. I båda fallen beror partiklarnas slutliga energi på den kombinerade effekten av fälten, så att många små "stötar" summeras för att ge den kombinerade effekten av en stor.
Den repeterande strukturen hos en linjäraccelerator för att skapa elektriska fält involverar naturligtvis användningen av AC snarare än DC-spänning. Positivt laddade partiklar accelereras mot den negativa potentialen och får en ny impuls om de passerar den positiva. I praktiken bör spänningen ändras mycket snabbt. Till exempel, vid en energi på 1 MeV, färdas en proton med mycket höga hastigheter på 0,46 ljusets hastighet och färdas 1,4 m på 0,01 ms. Det betyder att i ett flera meter långt upprepat mönster måste de elektriska fälten ändra riktning med en frekvens på minst 100 MHz. Linjära och cykliska acceleratorer av laddade partiklar accelererar dem som regel med hjälp av växlande elektriska fält med en frekvens på 100 till 3000 MHz, d.v.s. allt från radiovågor till mikrovågor.
En elektromagnetisk våg är en kombination av alternerande elektriska och magnetiska fält som oscillerar vinkelrätt mot varandra. Acceleratorns nyckelpunkt är att justera vågen så att när partikeln anländer riktas det elektriska fältet i enlighet med accelerationsvektorn. Detta kan göras med en stående våg - en kombination av vågor som rör sig i motsatta riktningar i en sluten slinga.rymden, som ljudvågor i en orgelpipa. Ett alternativ för mycket snabbt rörliga elektroner som närmar sig ljusets hastighet är en vandringsvåg.
Autophasing
En viktig effekt vid acceleration i ett växlande elektriskt fält är "autofasning". I en svängningscykel går växelfältet från noll genom ett maxvärde igen till noll, faller till ett minimum och stiger till noll. Så det går igenom det värde som behövs för att snabba upp två gånger. Om den accelererande partikeln kommer för tidigt, kommer den inte att påverkas av ett fält med tillräcklig styrka, och trycket kommer att vara svagt. När hon når nästa avsnitt kommer hon att vara sen och kommer att uppleva en starkare påverkan. Som ett resultat kommer autofasning att inträffa, partiklarna kommer att vara i fas med fältet i varje accelererande region. En annan effekt skulle vara att gruppera dem över tiden i klumpar snarare än en kontinuerlig ström.
Strålriktning
Magnetiska fält spelar också en viktig roll för hur en laddad partikelaccelerator fungerar, eftersom de kan ändra riktningen för sin rörelse. Detta innebär att de kan användas för att "böja" balkarna längs en cirkulär bana så att de passerar genom samma accelerationssektion flera gånger. I det enklaste fallet utsätts en laddad partikel som rör sig i rät vinkel mot riktningen för ett enhetligt magnetfält för en kraftvinkelrät både mot vektorn för dess förskjutning och mot fältet. Detta gör att strålen rör sig längs en cirkulär bana vinkelrätt mot fältet tills den lämnar sitt verkningsområde eller en annan kraft börjar verka på den. Denna effekt används i cykliska acceleratorer som cyklotron och synkrotron. I en cyklotron genereras ett konstant fält av en stor magnet. Partiklarna, när deras energi växer, spiralerar utåt och accelererar för varje varv. I en synkrotron rör sig buntarna runt en ring med konstant radie, och fältet som skapas av elektromagneterna runt ringen ökar när partiklarna accelererar. De "böjande" magneterna är dipoler med nord- och sydpolerna böjda i hästskoform så att strålen kan passera mellan dem.
Den andra viktiga funktionen hos elektromagneter är att koncentrera strålar så att de är så smala och intensiva som möjligt. Den enklaste formen av en fokuseringsmagnet är med fyra poler (två nordliga och två sydliga) mitt emot varandra. De trycker partiklarna mot mitten i en riktning, men låter dem fortplanta sig i vinkelrät riktning. Fyrpoliga magneter fokuserar strålen horisontellt, vilket gör att den går ur fokus vertik alt. För att göra detta måste de användas i par. Mer komplexa magneter med fler poler (6 och 8) används också för mer exakt fokusering.
När energin hos partiklarna ökar, ökar styrkan på det magnetiska fält som styr dem. Detta håller strålen på samma väg. Koageln förs in i ringen och accelereras tillkrävs energi innan den kan tas ut och användas i experiment. Retraktion uppnås av elektromagneter som slås på för att trycka ut partiklar ur synkrotronringen.
Collision
Partikelacceleratorer som används inom medicin och industri producerar huvudsakligen en stråle för ett specifikt ändamål, såsom strålbehandling eller jonimplantation. Det betyder att partiklarna används en gång. Under många år gällde samma sak för acceleratorer som används i grundforskning. Men på 1970-talet utvecklades ringar där de två strålarna cirkulerar i motsatta riktningar och kolliderar längs hela kretsen. Den största fördelen med sådana installationer är att i en frontalkollision går partiklarnas energi direkt in i energin för interaktion mellan dem. Detta står i kontrast till vad som händer när strålen kolliderar med material i vila: i det här fallet går det mesta av energin åt att sätta målmaterialet i rörelse, i enlighet med principen om bevarande av momentum.
Vissa kolliderande strålmaskiner är byggda med två ringar som skär varandra på två eller flera ställen, där partiklar av samma typ cirkulerar i motsatta riktningar. Kolliderar med partiklar och antipartiklar är vanligare. En antipartikel har motsatt laddning av sin associerade partikel. Till exempel är en positron positivt laddad, medan en elektron är negativt laddad. Detta betyder att fältet som accelererar elektronen saktar ner positronen,rör sig i samma riktning. Men om den senare rör sig i motsatt riktning, kommer den att accelerera. På samma sätt kommer en elektron som rör sig genom ett magnetfält att böjas åt vänster och en positron kommer att böjas åt höger. Men om positronen rör sig mot den, kommer dess väg fortfarande att avvika åt höger, men längs samma kurva som elektronen. Tillsammans innebär detta att dessa partiklar kan röra sig längs synkrotronringen på grund av samma magneter och accelereras av samma elektriska fält i motsatta riktningar. Många av de mest kraftfulla kolliderarna på kolliderande strålar har skapats enligt denna princip, eftersom endast en acceleratorring krävs.
Strålen i synkrotronen rör sig inte kontinuerligt, utan kombineras till "klumpar". De kan vara flera centimeter långa och en tiondels millimeter i diameter och innehålla cirka 1012 partiklar. Detta är en liten densitet, eftersom ett ämne av denna storlek innehåller cirka 1023 atomer. Därför, när strålar skär varandra med mötande strålar, finns det bara en liten chans att partiklarna kommer att interagera med varandra. I praktiken fortsätter klasarna att röra sig längs ringen och möts igen. Det djupa vakuumet i partikelacceleratorn (10-11 mmHg) är nödvändigt för att partiklarna ska kunna cirkulera i många timmar utan att kollidera med luftmolekyler. Därför kallas ringarna också ackumulerande, eftersom buntarna faktiskt förvaras i dem i flera timmar.
Registrera
Partikelacceleratorer kan för det mesta registrera vad som händer närnär partiklar träffar ett mål eller en annan stråle som rör sig i motsatt riktning. I ett tv-kinescope träffar elektroner från en pistol en fosfor på skärmens inre yta och avger ljus, vilket på så sätt återskapar den överförda bilden. I acceleratorer svarar sådana specialiserade detektorer på spridda partiklar, men de är vanligtvis utformade för att generera elektriska signaler som kan omvandlas till datordata och analyseras med hjälp av datorprogram. Endast laddade element skapar elektriska signaler genom att passera genom ett material, till exempel genom exciterande eller joniserande atomer, och kan detekteras direkt. Neutrala partiklar som neutroner eller fotoner kan detekteras indirekt genom beteendet hos de laddade partiklar som de sätter i rörelse.
Det finns många specialiserade detektorer. Vissa av dem, som Geigerräknaren, räknar helt enkelt partiklar, medan andra används för att till exempel registrera spår, mäta hastighet eller mäta mängden energi. Moderna detektorer varierar i storlek och teknologi från små laddningskopplade enheter till stora trådfyllda gasfyllda kammare som upptäcker de joniserade spår som skapas av laddade partiklar.
Historia
Partikelacceleratorer utvecklades främst för att studera egenskaperna hos atomkärnor och elementarpartiklar. Från den brittiske fysikern Ernest Rutherfords upptäckt av reaktionen mellan kvävekärnan och alfapartikeln 1919 har all forskning inom kärnfysik t.o.m.1932 tillbringades med heliumkärnor som frigjordes från sönderfallet av naturliga radioaktiva grundämnen. Naturliga alfapartiklar har en kinetisk energi på 8 MeV, men Rutherford trodde att för att kunna observera sönderfallet av tunga kärnor måste de på konstgjord väg accelereras till ännu högre värden. På den tiden verkade det svårt. En beräkning gjord 1928 av Georgy Gamow (vid universitetet i Göttingen, Tyskland) visade dock att joner med mycket lägre energier kunde användas, och detta stimulerade försök att bygga en anläggning som gav en stråle tillräcklig för kärnforskning.
Andra händelser under denna period visade principerna för vilka partikelacceleratorer är byggda än i dag. De första framgångsrika experimenten med artificiellt accelererade joner utfördes av Cockcroft och W alton 1932 vid University of Cambridge. Med hjälp av en spänningsmultiplikator accelererade de protoner till 710 keV och visade att de senare reagerar med litiumkärnan för att bilda två alfapartiklar. År 1931, vid Princeton University i New Jersey, hade Robert van de Graaff byggt den första elektrostatiska bältesgeneratorn med hög potential. Cockcroft-W alton spänningsmultiplikatorer och Van de Graaff-generatorer används fortfarande som kraftkällor för acceleratorer.
Principen för en linjär resonansaccelerator demonstrerades av Rolf Wideröe 1928. Vid Rhein-Westfalen tekniska universitetet i Aachen, Tyskland, använde han en hög växelspänning för att accelerera natrium- och kaliumjoner till energier två gångeröverstiger de som rapporterats av dem. År 1931 i USA använde Ernest Lawrence och hans assistent David Sloan från University of California, Berkeley högfrekventa fält för att accelerera kvicksilverjoner till energier som överstiger 1,2 MeV. Detta arbete kompletterade Wideröes tunga partikelaccelerator, men jonstrålar var inte användbara vid kärnforskning.
Den magnetiska resonansacceleratorn, eller cyklotronen, tänktes av Lawrence som en modifiering av Wideröe-installationen. Lawrence Livingstons elev demonstrerade principen för cyklotronen 1931 genom att producera 80 keV-joner. 1932 tillkännagav Lawrence och Livingston accelerationen av protoner till över 1 MeV. Senare på 1930-talet nådde energin hos cyklotroner cirka 25 MeV, och energin hos Van de Graaff-generatorer nådde cirka 4 MeV. År 1940 byggde Donald Kerst, genom att tillämpa resultaten av noggranna orbitalberäkningar på designen av magneter, den första betatronen, en magnetisk induktionselektronaccelerator, vid University of Illinois.
Modern fysik: partikelacceleratorer
Efter andra världskriget gjorde vetenskapen om att accelerera partiklar till höga energier snabba framsteg. Det startades av Edwin Macmillan på Berkeley och Vladimir Veksler i Moskva. År 1945 beskrev båda oberoende principen om fasstabilitet. Detta koncept erbjuder ett sätt att upprätthålla stabila partikelbanor i en cyklisk accelerator, vilket tog bort begränsningen av protonernas energi och gjorde det möjligt att skapa magnetiska resonansacceleratorer (synkrotroner) för elektroner. Autophasing, implementeringen av principen om fasstabilitet, har bekräftats efter byggeten liten synkrocyklotron vid University of California och en synkrotron i England. Kort därefter skapades den första protonlinjära resonansacceleratorn. Denna princip har använts i alla stora protonsynkrotroner som byggts sedan dess.
1947 byggde William Hansen, vid Stanford University i Kalifornien, den första linjära vandringsvågelektronacceleratorn med hjälp av mikrovågsteknik som utvecklades för radar under andra världskriget.
Framsteg inom forskning möjliggjordes genom att öka protonernas energi, vilket ledde till konstruktionen av allt större acceleratorer. Denna trend har stoppats av de höga kostnaderna för att tillverka stora ringmagneter. Den största väger cirka 40 000 ton. Sätt att öka energin utan att öka storleken på maskiner demonstrerades 1952 av Livingston, Courant och Snyder i tekniken med alternerande fokusering (ibland kallad stark fokusering). Synkrotroner baserade på denna princip använder magneter 100 gånger mindre än tidigare. Sådan fokusering används i alla moderna synkrotroner.
1956 insåg Kerst att om två uppsättningar partiklar hölls i korsande banor kunde de observeras kollidera. Tillämpningen av denna idé krävde ackumulering av accelererade strålar i cykler som kallas lagring. Denna teknik gjorde det möjligt att uppnå maximal interaktionsenergi för partiklar.
