Ускорител на частици е устройство, което създава лъч от електрически заредени атомни или субатомни частици, движещи се със скорости, близки до светлината. Неговата работа се основава на увеличаване на енергията им от електрическо поле и промяна на траекторията - от магнитно.
За какво са ускорителите на частици?
Тези устройства се използват широко в различни области на науката и индустрията. Днес има повече от 30 хиляди от тях по целия свят. За физика ускорителите на частици служат като инструмент за фундаментални изследвания на структурата на атомите, природата на ядрените сили и свойствата на ядрата, които не се срещат в природата. Последните включват трансуран и други нестабилни елементи.
С помощта на разрядна тръба стана възможно да се определи конкретния заряд. Ускорителите на частици се използват също при производството на радиоизотопи, в промишлената радиография, в лъчевата терапия, при стерилизацията на биологични материали и в радиовъглеродаанализ. Най-големите инсталации се използват при изследването на фундаменталните взаимодействия.
Продължителността на живота на заредените частици в покой спрямо ускорителя е по-малка от тази на частиците, ускорени до скорости, близки до скоростта на светлината. Това потвърждава относителността на интервалите от време на SRT. Например в CERN е постигнато 29-кратно увеличение на живота на мюоните при скорост от 0,9994c.
Тази статия обсъжда как работи ускорителят на частици, неговото развитие, различни видове и отличителни характеристики.
Принципи на ускорение
Независимо кои ускорители на частици познавате, всички те имат общи елементи. Първо, всички те трябва да имат източник на електрони в случай на телевизионен кинескоп или електрони, протони и техните античастици в случай на по-големи инсталации. Освен това всички те трябва да имат електрически полета за ускоряване на частиците и магнитни полета, за да контролират траекторията им. Освен това, вакуумът в ускорителя на частиците (10-11 mm Hg), т.е. минималното количество остатъчен въздух, е необходим, за да се осигури дълъг живот на лъчите. И накрая, всички инсталации трябва да имат средства за регистриране, броене и измерване на ускорени частици.
Generation
Електроните и протоните, които най-често се използват в ускорителите, се намират във всички материали, но първо трябва да бъдат изолирани от тях. Обикновено се генерират електрониточно като в кинескоп - в устройство, наречено "пушка". Това е катод (отрицателен електрод) във вакуум, който се нагрява до точката, в която електроните започват да се откъсват от атомите. Отрицателно заредените частици се привличат към анода (положителния електрод) и преминават през изхода. Самият пистолет е и най-простият ускорител, тъй като електроните се движат под въздействието на електрическо поле. Напрежението между катода и анода обикновено е между 50-150 kV.
В допълнение към електроните, всички материали съдържат протони, но само ядрата на водородните атоми се състоят от единични протони. Следователно източникът на частици за протонните ускорители е газообразният водород. В този случай газът се йонизира и протоните излизат през дупката. В големите ускорители протоните често се произвеждат като отрицателни водородни йони. Те са атоми с допълнителен електрон, които са продукт на йонизация на двуатомен газ. По-лесно е да се работи с отрицателно заредени водородни йони в началните етапи. След това те се прекарват през тънко фолио, което ги лишава от електрони преди последния етап на ускорение.
Ускорение
Как работят ускорителите на частици? Основната характеристика на всеки от тях е електрическото поле. Най-простият пример е еднородно статично поле между положителни и отрицателни електрически потенциали, подобно на това, което съществува между клемите на електрическа батерия. По такъвполе, електрон, носещ отрицателен заряд, е подложен на сила, която го насочва към положителен потенциал. Тя го ускорява и ако няма нищо, което да предотврати това, скоростта и енергията му се увеличават. Електроните, които се движат към положителен потенциал в проводник или дори във въздуха, се сблъскват с атоми и губят енергия, но ако са във вакуум, те се ускоряват, когато се приближават до анода.
Напрежението между началната и крайната позиция на електрона определя енергията, придобита от него. При движение през потенциална разлика от 1 V, тя е равна на 1 електрон волт (eV). Това е еквивалентно на 1,6 × 10-19 джаула. Енергията на летящия комар е трилион пъти по-голяма. В кинескоп електроните се ускоряват от напрежение над 10 kV. Много ускорители постигат много по-високи енергии, измерени в мега-, гига- и тераелектронволта.
Разновидности
Някои от най-ранните типове ускорители на частици, като умножителя на напрежението и генератора на Ван де Грааф, използваха постоянни електрически полета, генерирани от потенциали до един милион волта. Не е лесно да се работи с толкова високо напрежение. По-практична алтернатива е повтарящото се действие на слаби електрически полета, генерирани от ниски потенциали. Този принцип се използва в два вида съвременни ускорители - линейни и циклични (главно в циклотрони и синхротрони). Накратко, линейните ускорители на частици ги прекарват веднъж през последователностускоряващи полета, докато в цикличното те многократно се движат по кръгов път през относително малки електрически полета. И в двата случая крайната енергия на частиците зависи от комбинирания ефект на полетата, така че много малки „шокове“се събират, за да дадат комбинирания ефект на един голям.
Повтарящата се структура на линеен ускорител за създаване на електрически полета естествено включва използването на променливо, а не на постоянно напрежение. Положително заредените частици се ускоряват към отрицателния потенциал и получават нов импулс, ако преминат покрай положителния. На практика напрежението трябва да се променя много бързо. Например, при енергия от 1 MeV, протонът се движи с много високи скорости от 0,46 скоростта на светлината, изминавайки 1,4 m за 0,01 ms. Това означава, че при повтарящ се модел с дължина няколко метра, електрическите полета трябва да променят посоката си с честота от най-малко 100 MHz. Линейните и цикличните ускорители на заредени частици, като правило, ги ускоряват с помощта на променливи електрически полета с честота от 100 до 3000 MHz, т.е. вариращи от радиовълни до микровълни.
Електромагнитната вълна е комбинация от редуващи се електрически и магнитни полета, които осцилират перпендикулярно едно на друго. Ключовият момент на ускорителя е да регулира вълната така, че когато частицата пристигне, електрическото поле да бъде насочено в съответствие с вектора на ускорение. Това може да стане със стояща вълна - комбинация от вълни, пътуващи в противоположни посоки в затворен цикъл.пространство, като звукови вълни в тръба на орган. Алтернатива за много бързо движещи се електрони, приближаващи скоростта на светлината, е пътуваща вълна.
Автофазиране
Важен ефект при ускоряване в променливо електрическо поле е "автофазирането". В един цикъл на трептене променливото поле преминава от нула през максимална стойност отново до нула, пада до минимум и се повишава до нула. Така че преминава през стойността, необходима за ускоряване два пъти. Ако ускоряващата частица пристигне твърде рано, тогава тя няма да бъде засегната от поле с достатъчна сила и тласъкът ще бъде слаб. Когато стигне до следващия участък, тя ще закъснее и ще изпита по-силно въздействие. В резултат на това ще настъпи автофазиране, частиците ще бъдат във фаза с полето във всяка ускоряваща се област. Друг ефект би бил групирането им във времето на групи, а не в непрекъснат поток.
Посока на лъча
Магнитните полета също играят важна роля в работата на ускорителя на заредени частици, тъй като те могат да променят посоката на движението си. Това означава, че те могат да се използват за "огъване" на гредите по кръгов път, така че да преминат през една и съща ускорителна секция няколко пъти. В най-простия случай заредена частица, движеща се под прав ъгъл спрямо посоката на еднородно магнитно поле, е подложена на силаперпендикулярно както на вектора на неговото изместване, така и на полето. Това кара лъча да се движи по кръгова траектория, перпендикулярна на полето, докато напусне зоната си на действие или друга сила започне да действа върху него. Този ефект се използва в циклични ускорители като циклотрон и синхротрон. В циклотрон, постоянно поле се генерира от голям магнит. С нарастването на енергията им частиците се спират навън, ускорявайки се с всеки оборот. В синхротрона сноповете се движат около пръстен с постоянен радиус и полето, създадено от електромагнитите около пръстена, се увеличава с ускоряването на частиците. "Огъващите" магнити са диполи със северния и южния полюс, огънати под формата на подкова, така че лъчът да може да преминава между тях.
Втората важна функция на електромагнитите е да концентрират лъчите, така че да са възможно най-тесни и интензивни. Най-простата форма на фокусиращ магнит е с четири полюса (два северни и два южни) един срещу друг. Те изтласкват частиците към центъра в една посока, но им позволяват да се разпространяват в перпендикулярна посока. Квадруполните магнити фокусират лъча хоризонтално, позволявайки му да излезе извън фокуса вертикално. За да направите това, те трябва да се използват по двойки. По-сложни магнити с повече полюси (6 и 8) също се използват за по-прецизно фокусиране.
С увеличаване на енергията на частиците, силата на магнитното поле, което ги насочва, се увеличава. Това поддържа лъча на същия път. Съсирекът се въвежда в пръстена и се ускорява донеобходима енергия, преди да може да бъде изтеглена и използвана в експерименти. Прибирането се постига чрез електромагнити, които се включват, за да изтласкат частиците от синхротронния пръстен.
Сблъсък
Ускорителите на частици, използвани в медицината и индустрията, произвеждат основно лъч за специфична цел, като лъчева терапия или йонна имплантация. Това означава, че частиците се използват еднократно. В продължение на много години същото важи и за ускорителите, използвани в фундаменталните изследвания. Но през 70-те години на миналия век са разработени пръстени, в които двата лъча циркулират в противоположни посоки и се сблъскват по цялата верига. Основното предимство на такива инсталации е, че при челен сблъсък енергията на частиците отива директно в енергията на взаимодействието между тях. Това контрастира с това, което се случва, когато лъчът се сблъска с материал в покой: в този случай по-голямата част от енергията се изразходва за привеждане на целевия материал в движение, в съответствие с принципа на запазване на импулса.
Някои машини за сблъскващи се лъчи са изградени с два пръстена, пресичащи се на две или повече места, в които частици от един и същи тип циркулират в противоположни посоки. По-често се срещат колайдери с частици и античастици. Античастицата има противоположен заряд на свързаната с нея частица. Например, позитронът е положително зареден, докато електронът е отрицателно зареден. Това означава, че полето, което ускорява електрона, забавя позитрона,движейки се в същата посока. Но ако последният се движи в обратна посока, той ще се ускори. По същия начин, електрон, движещ се през магнитно поле, ще се огъне наляво, а позитронът ще се огъне надясно. Но ако позитронът се движи към него, тогава пътят му все още ще се отклони надясно, но по същата крива като електрона. Заедно това означава, че тези частици могат да се движат по синхротронния пръстен поради същите магнити и да бъдат ускорени от същите електрически полета в противоположни посоки. Много от най-мощните ускорители на сблъскващи се лъчи са създадени според този принцип, тъй като е необходим само един ускорителен пръстен.
Лъчът в синхротрона не се движи непрекъснато, а се комбинира в "бучки". Те могат да бъдат дълги няколко сантиметра и една десета от милиметъра в диаметър и да съдържат около 1012 частици. Това е малка плътност, тъй като вещество с този размер съдържа около 1023 атома. Следователно, когато лъчите се пресичат с идващи лъчи, има само малък шанс частиците да взаимодействат една с друга. На практика гроздовете продължават да се движат по пръстена и се срещат отново. Дълбокият вакуум в ускорителя на частиците (10-11 mmHg) е необходим, за да могат частиците да циркулират в продължение на много часове, без да се сблъскват с въздушните молекули. Следователно пръстените се наричат още натрупващи, тъй като снопчетата всъщност се съхраняват в тях за няколко часа.
Регистрация
Ускорителите на частици в по-голямата си част могат да регистрират какво се случва, когатокогато частици ударят цел или друг лъч, движещ се в обратна посока. В телевизионен кинескоп електроните от пистолета удрят фосфор върху вътрешната повърхност на екрана и излъчват светлина, която по този начин пресъздава предаваното изображение. В ускорителите такива специализирани детектори реагират на разпръснати частици, но обикновено са проектирани да генерират електрически сигнали, които могат да бъдат преобразувани в компютърни данни и анализирани с помощта на компютърни програми. Само заредените елементи създават електрически сигнали, преминавайки през материал, например чрез възбуждащи или йонизиращи атоми, и могат да бъдат открити директно. Неутрални частици като неутрони или фотони могат да бъдат открити индиректно чрез поведението на заредените частици, които те привеждат в движение.
Има много специализирани детектори. Някои от тях, като брояча на Гайгер, просто броят частици, докато други се използват, например, за записване на песни, измерване на скорост или измерване на количеството енергия. Съвременните детектори варират по размер и технология от малки устройства със зареждане до големи пълни с тел камери, пълни с газ, които откриват йонизираните следи, създадени от заредени частици.
История
Ускорителите на частици са разработени основно за изследване на свойствата на атомните ядра и елементарните частици. От откриването на реакцията между азотното ядро и алфа-частицата от британския физик Ърнест Ръдърфорд през 1919 г., всички изследвания в ядрената физика до1932 г. е прекарано с хелиеви ядра, освободени от разпада на естествените радиоактивни елементи. Естествените алфа частици имат кинетична енергия от 8 MeV, но Ръдърфорд смята, че за да се наблюдава разпадането на тежките ядра, те трябва да бъдат изкуствено ускорени до още по-големи стойности. По това време изглеждаше трудно. Въпреки това, изчисление, направено през 1928 г. от Георги Гамов (от Университета в Гьотинген, Германия), показва, че могат да се използват йони с много по-ниска енергия и това стимулира опитите за изграждане на съоръжение, което осигурява достатъчно лъч за ядрени изследвания.
Други събития от този период демонстрираха принципите, по които се изграждат ускорителите на частици и до днес. Първите успешни експерименти с изкуствено ускорени йони са проведени от Кокрофт и Уолтън през 1932 г. в университета в Кеймбридж. Използвайки умножител на напрежение, те ускориха протоните до 710 keV и показаха, че последните реагират с литиевото ядро, за да образуват две алфа частици. До 1931 г. в Принстънския университет в Ню Джърси Робърт ван де Грааф построява първия електростатичен генератор с висок потенциал. Умножителите на напрежението на Cockcroft-W alton и генераторите на Van de Graaff все още се използват като източници на енергия за ускорители.
Принципът на линейния резонансен ускорител е демонстриран от Rolf Wideröe през 1928 г. В Рейн-Вестфалския технологичен университет в Аахен, Германия, той използва високо променливо напрежение, за да ускори натриевите и калиеви йони до енергии два пътинадвишаващи отчетените от тях. През 1931 г. в Съединените щати Ърнест Лорънс и неговият асистент Дейвид Слоун от Калифорнийския университет в Бъркли използват високочестотни полета, за да ускорят живачните йони до енергии, надвишаващи 1,2 MeV. Тази работа допълва ускорителя на тежки частици Wideröe, но йонните лъчи не са полезни в ядрените изследвания.
Магнитният резонансен ускорител или циклотронът е замислен от Лорънс като модификация на инсталацията Wideröe. Ученикът на Лорънс Ливингстън демонстрира принципа на циклотрона през 1931 г., като произвежда йони с 80 keV. През 1932 г. Лорънс и Ливингстън обявиха ускорението на протоните до над 1 MeV. По-късно през 30-те години на миналия век енергията на циклотроните достига около 25 MeV, а тази на генераторите на Van de Graaff достига около 4 MeV. През 1940 г. Доналд Керст, прилагайки резултатите от внимателни орбитални изчисления към дизайна на магнити, построява първия бетатрон, ускорител на електрони с магнитна индукция, в Университета на Илинойс.
Модерна физика: ускорители на частици
След Втората световна война науката за ускоряване на частиците до високи енергии постигна бърз напредък. Началото му е поставено от Едуин Макмилан в Бъркли и Владимир Векслер в Москва. През 1945 г. и двамата независимо описват принципа на фазовата стабилност. Тази концепция предлага средство за поддържане на стабилни орбити на частици в цикличен ускорител, което премахва ограничението върху енергията на протоните и прави възможно създаването на магнитни резонансни ускорители (синкротрони) за електрони. Автофазирането, прилагането на принципа на фазовата стабилност, е потвърдено след изгражданетомалък синхроциклотрон в Калифорнийския университет и синхротрон в Англия. Малко след това е създаден първият протонен линеен резонансен ускорител. Този принцип се използва във всички големи протонни синхротрони, създадени оттогава.
През 1947 г. Уилям Хансен от Станфордския университет в Калифорния построява първия ускорител на електрони с линейни пътуващи вълни, използвайки микровълнова технология, разработена за радар по време на Втората световна война.
Напредъкът в изследванията стана възможен чрез увеличаване на енергията на протоните, което доведе до изграждането на все по-големи ускорители. Тази тенденция е спряна от високата цена за направата на огромни пръстеновидни магнити. Най-големият тежи около 40 000 тона. Начините за увеличаване на енергията без увеличаване на размера на машините са демонстрирани през 1952 г. от Ливингстън, Курант и Снайдер в техниката на редуващо се фокусиране (понякога наричано силно фокусиране). Синхротроните, базирани на този принцип, използват магнити, 100 пъти по-малки от преди. Такова фокусиране се използва във всички съвременни синхротрони.
През 1956 г. Керст осъзнава, че ако две групи частици се държат в пресичащи се орбити, те могат да бъдат наблюдавани как се сблъскват. Прилагането на тази идея изисква натрупване на ускорени лъчи в цикли, наречени съхранение. Тази технология направи възможно постигането на максимална енергия на взаимодействие на частиците.
