aceleradores lineales de partículas cargadas. Como aceleradores de partículas trabajo. ¿Por qué los aceleradores de partículas?

El acelerador de partículas cargadas – un dispositivo en el que un haz de partículas atómicas o subatómicas cargadas eléctricamente que viajan a casi la velocidad. La base de su trabajo es necesario aumento de su energía mediante un campo eléctrico y cambiar la trayectoria – magnética.

¿Cuáles son los aceleradores de partículas?

Estos dispositivos son ampliamente utilizados en diversos campos de la ciencia y la industria. Hasta la fecha, en el mundo hay más de 30 mil. Para la física de los aceleradores de partículas cargadas servir como una herramienta de investigación básica sobre la estructura de los átomos, la naturaleza de las fuerzas nucleares y las propiedades nucleares, que no se producen naturalmente. Estos últimos incluyen transuránicos y otros elementos inestables.

Con el tubo de descarga se ha convertido en posible determinar la carga específica. aceleradores de partículas cargadas también se utilizan para la producción de radioisótopos, en radiografía industrial, radioterapia, para la esterilización de materiales biológicos, y en análisis de radiocarbono. Las unidades más grandes se utilizan en el estudio de las interacciones fundamentales.

El tiempo de vida de las partículas cargadas en reposo con respecto al acelerador es menor que la de partículas aceleradas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Esto confirma la relativamente pequeña cantidad de estaciones de tiempo. Por ejemplo, en el CERN se ha logrado un aumento de la vida útil de la velocidad 0,9994c muón 29 veces.

Este artículo trata sobre lo que está funcionando dentro y acelerador de partículas, su desarrollo, diferentes tipos y diferentes características.

principios de aceleración

Independientemente de qué tipo de aceleradores de partículas cargadas que sabes, todos ellos tienen elementos comunes. En primer lugar, tienen que tener una fuente de electrones en el caso de un tubo de televisión de imagen o electrones, protones y sus antipartículas en el caso de instalaciones más grandes. Por otra parte, todos ellos deben tener campos eléctricos para acelerar las partículas y campos magnéticos para controlar su trayectoria. Además, el vacío en el acelerador de partículas cargadas (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Una cantidad mínima de aire residual, se requiere para asegurar una larga vigas tiempo de vida. Por último, todas las instalaciones deben disponer de medios de registro, el conteo y medición de las partículas aceleradas.

generación

Los electrones y protones, que se utilizan con mayor frecuencia en los aceleradores, se encuentran en todos los materiales, pero primero tienen que elegir entre ellos. Los electrones normalmente se generan en la misma forma que en el tubo de imagen – en un dispositivo que se llama una "pistola". Es un cátodo (electrodo negativo) en el vacío, que se calienta a un estado donde los electrones comienzan a desprenderse de los átomos. partículas cargadas negativamente son atraídos hacia el ánodo (electrodo positivo) y pasan a través de la salida. El arma en sí es más simple que el acelerador ya que los electrones se mueven bajo la influencia de un campo eléctrico. La tensión entre el cátodo y el ánodo, típicamente en el rango de 50-150 kV.

Aparte de electrones en todos los materiales contenidos protones, pero sólo un único núcleo de protones compone de átomos de hidrógeno. Por lo tanto, la fuente de partículas para aceleradores de protones es el gas hidrógeno. En este caso, el gas se ioniza y los protones están situados a través del agujero. En grandes aceleradores de protones se forman a menudo en la forma de iones de hidrógeno negativos. Representan un electrón adicional de átomos que son el producto de una ionización de gas diatómico. Puesto que los iones de hidrógeno cargados negativamente en las etapas iniciales de la obra más fácil. Luego pasan a través de una lámina delgada, lo que les priva de electrones antes de la etapa final de la aceleración.

aceleración

Como aceleradores de partículas trabajo? Una característica clave de todos ellos es el campo eléctrico. El ejemplo más simple – el campo estático uniforme entre los potenciales eléctricos positivos y negativos, similar a la que existe entre los terminales de la batería eléctrica. Este campo de electrones que lleva una carga negativa está expuesto a una fuerza que lo dirige a un potencial positivo. Acelera, y si no hay nada que pueda interponerse en el camino, su velocidad y poder aumento. Los electrones se mueven hacia el potencial positivo en el cable o en el aire, y chocan con los átomos pierden energía, pero si se encuentran en vacío, después se aceleran cuando se acercan al ánodo.

La tensión entre la posición inicial y final de los electrones define los compró energía. Cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de 1 V es igual a 1 electrón-voltios (eV). Esto es equivalente a 1,6 × 10 ^-19 joule. La energía de un mosquito volando billón de veces más. En electrones del cinescopio se aceleran tensión mayor que 10 kV. Muchos aceleradores alcanzan energías mucho más altas medidas de mega, giga y tera-electrón-voltios.

especies

Algunos de los primeros tipos de aceleradores de partículas, como el multiplicador de tensión y el generador de Van de Graaff generador, utilizando un campo eléctrico constante generada por los potenciales de hasta un millón de voltios. Con tan altas tensiones trabajar fácil. Una alternativa más práctica es la acción repetida de campos eléctricos débiles producidos bajos potenciales. Este principio se utiliza en los dos tipos de aceleradores modernos – lineales y cíclicos (principalmente ciclotrones y sincrotrones). aceleradores de partículas lineales, en resumen, los pasaron una vez a través de la secuencia de campos de aceleración, mientras que los cíclicamente muchas veces que se mueven en una trayectoria circular a través de la relativamente pequeña del campo eléctrico. En ambos casos, la energía final de las partículas depende del campo total de la acción, de modo que muchas pequeñas "protuberancias" se suman para dar el efecto combinado de una individual grande.

La estructura repetitiva de un acelerador lineal para generar campos eléctricos de una manera natural es usar la AC, no DC. Las partículas cargadas positivamente se aceleran al potencial negativo y reciben un nuevo impulso, si pasar a positivo. En la práctica, la tensión debe ser cambiado muy rápidamente. Por ejemplo, a una energía de 1 MeV protón se mueve a muy alta velocidad es la velocidad de la luz de 0,46, que pasa a 1,4 m de 0,01 ms. Esto significa que en la estructura de repetición de unos cuantos metros de largo, los campos eléctricos deben cambiar de dirección a una frecuencia de al menos 100 MHz. partículas lineales y aceleradores cíclicos generalmente se dispersan con la frecuencia del campo eléctrico alterno de 100 MHz a 3000, t. E. En la gama de ondas de radio a las microondas.

La onda electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes oscilantes en ángulos rectos entre sí. El punto clave es ajustar la onda del acelerador de manera que a la llegada de las partículas del campo eléctrico se dirige de acuerdo con el vector de aceleración. Esto se puede hacer mediante el uso de una onda estacionaria – la combinación de ondas que viajan en direcciones opuestas en un espacio cerrado, las ondas sonoras en el órgano de tubos. Una realización alternativa para los electrones cuyas velocidades cercanas a la velocidad de la luz, una onda viajera se mueve rápidamente.

Autophasing

Un efecto importante de la aceleración en un campo eléctrico alterno es una "estabilidad de fase". En un campo de oscilación ciclo alterna pasa por cero del valor máximo de nuevo a cero, disminuye a un mínimo y se eleva a cero. Por lo tanto, se pasa dos veces por el valor requerido para la aceleración. Si una partícula cuya velocidad aumenta, llega demasiado pronto, no va a funcionar un campo de fuerza suficiente, y el empuje será débil. Cuando se llega a la zona siguiente, la prueba más tarde y el impacto. Como se produce un resultado, la auto-ajuste de fase, las partículas estarán en fase con cada campo en la región de aceleración. Otro efecto es la ellos agrupación en el tiempo para formar un coágulo en lugar de un flujo continuo.

La dirección del haz

Un papel importante en el funcionamiento y el acelerador de partículas, el juego y los campos magnéticos, ya que pueden cambiar la dirección de su movimiento. Esto significa que se pueden utilizar para "flexión" de la viga en una trayectoria circular, por lo que en repetidas ocasiones pasaron a través de la misma sección de aceleración. En el caso más sencillo, sobre una partícula cargada que se mueve en un ángulo recto a la dirección del campo magnético homogéneo, un vector de fuerza perpendicular tanto de su movimiento, y al campo. Esto hace que el haz se mueva en una trayectoria circular perpendicular al campo, hasta que salga de su campo de acción u otra fuerza comienza a actuar en él. Este efecto se utiliza en los aceleradores cíclicos tales como un sincrotrón y ciclotrón. En un ciclotrón, el campo constante es producido por un imán grande. Las partículas con el aumento de su energía que se mueve en espiral hacia el exterior se aceleraron con cada revolución. Los coágulos de sincrotrón se mueven alrededor del anillo con un radio constante, y el campo generado por los electroimanes alrededor del anillo aumenta a medida que las partículas se aceleran. Los imanes que proporcionan "flexión", representan dipolos con polos norte y sur, doblada en forma de herradura de manera que el haz puede pasar entre los mismos.

La segunda función importante de los electroimanes es enfocar los haces de modo que sean tan estrecho e intenso como sea posible. La forma más simple de un imán de enfoque – con cuatro polos (dos norte y sur) dos situados uno frente al otro. Se empujan las partículas al centro en una dirección, pero permita que se pueden distribuir en la perpendicular. Cuadrupolo imanes enfocar el haz en horizontal, lo que permite que se vaya fuera de foco verticalmente. Para ello, deben usarse en pares. Para un enfoque más preciso también se utilizan imanes más sofisticados con un gran número de polos (6 y 8).

Puesto que la energía de los aumentos de las partículas, la fuerza del campo magnético, dirigiendo ellos aumenta. Esto mantiene el haz en la misma trayectoria. La cuajada se introduce en el anillo y es acelerado a una energía deseada antes de que pueda ser retirada y utilizada en los experimentos. La retracción se consigue mediante electroimanes que se activan para empujar las partículas del anillo sincrotrón.

colisión

aceleradores de partículas cargadas utilizadas en la medicina y la industria, principalmente producir un haz para un propósito particular, por ejemplo, irradiación o implantación de iones. Esto significa que las partículas de utilizarse una vez. Lo mismo puede decirse de los aceleradores utilizados en la investigación básica durante muchos años. Sin embargo, los anillos se desarrollaron en 1970, en la que dos haces que circula en direcciones opuestas y chocan por el circuito. La principal ventaja de tales sistemas es que, en una energía de colisión frontal de partículas va directamente a la energía de interacción entre ellos. Esto contrasta con lo que sucede cuando el haz choca con un estacionarias imágenes, en cuyo caso la mayor parte de la energía pasa a la reducción del material objetivo en movimiento, de acuerdo con el principio de conservación del momento.

Algunas máquinas con vigas de colisión se construyen con dos anillos, que intersecta en dos o más lugares, en el que circulaban en direcciones opuestas, las partículas del mismo tipo. Más común colisionador de partículas-antipartícula. Antipartícula tiene la carga opuesta de las partículas asociadas. Por ejemplo, el positrón, tiene carga positiva y electrones – negativamente. Esto significa que un campo que acelera el electrón, el positrón se ralentiza, se mueve en la misma dirección. Pero si éste se mueve en la dirección opuesta, se acelerará. Del mismo modo, un electrón que se mueve a través de una curva de campo magnético voluntad a la izquierda, y el positrón – derecha. Pero si el positrón se está moviendo hacia adelante, entonces su camino continuará a desviarse hacia la derecha, pero en la misma curva que la del electrón. Sin embargo, esto significa que las partículas pueden moverse a través del anillo del sincrotrón mismos imanes y acelerado por los mismos campos eléctricos en direcciones opuestas. En este principio creó muchas colisionadores poderosas que colisionan vigas, t. A. La única requiere un acelerador de anillo.

Viga en el sincrotrón no se mueve de forma continua e integrada en "grumos". Pueden ser de varios centímetros de longitud y una décima de milímetro de diámetro, y comprender aproximadamente ¹² partículas ^{de octubre.} Esta baja densidad, porque el tamaño de dicho material contiene alrededor de ²³ átomos ^{de octubre.} Por lo tanto, cuando un vigas que chocan se cruzan, sólo hay una pequeña probabilidad de que las partículas van a reaccionar unos con otros. En la práctica coágulos continúan moviéndose alrededor del anillo y reunirse de nuevo. De alto vacío en el acelerador de partículas cargadas (10 ^-11 mm Hg. V.) es necesario a fin de que las partículas pueden circular durante muchas horas sin colisiones con las moléculas de aire. Por lo tanto, el anillo también se llama acumulativa, porque vigas realmente almacenados en el mismo durante varias horas.

registro

aceleradores de partículas cargadas en la mayoría pueden registrar se produce cuando las partículas en el blanco o el otro haz, moviéndose en la dirección opuesta. En un tubo de imagen de televisión, los electrones de la pistola de huelga la pantalla de fósforo en la superficie interior y emiten luz, que recrea así la imagen transmitida. En aceleradores tales detectores especializados reaccionan a las partículas dispersas, pero por lo general están diseñadas para crear señales eléctricas que pueden ser convertidos en datos de ordenador y se analizaron usando programas de ordenador. Sólo pagan elementos producen señales eléctricas que pasan a través del material, por ejemplo por ionización o excitación de los átomos, y pueden ser detectados directamente. Las partículas neutras tales como neutrones o fotones pueden ser detectados indirectamente a través del comportamiento de las partículas cargadas que se encuentran en movimiento.

Hay muchos detectores especializados. Algunos de ellos, tal como un contador Geiger, un recuento de partículas, y otros usos, por ejemplo, por pistas de grabación o medición de la velocidad de la energía. detectores modernos en tamaño y la tecnología, pueden variar desde pequeños dispositivos de carga acoplados a grandes cámaras llenas de gas con cables que detectan pistas ionizados producidos por partículas cargadas.

historia

aceleradores de partículas cargadas desarrollado principalmente para estudios de las propiedades de los núcleos atómicos y las partículas elementales. Desde la apertura de la físico británico Ernest Rutherford en 1919, la reacción del núcleo de nitrógeno y una partícula alfa, toda la investigación en el campo de la física nuclear a 1932 se llevaron a cabo con núcleos de helio, liberados por la desintegración de elementos radiactivos naturales. partículas alfa naturales tienen una energía cinética de 8 MeV, pero Rutherford creían que deben ser artificialmente acelerado valores incluso más altos para el control de la desintegración de los núcleos pesados. En el momento parecía difícil. Sin embargo, el cálculo realizado en 1928 por Georgiem Gamovym (en la Universidad de Göttingen, Alemania), mostró que los iones se pueden utilizar a energías mucho más bajas, y esto ha estimulado intentos de construir una instalación que proporciona un haz suficiente para la Investigación Nuclear.

Otros eventos de este período demostraron los principios por los cuales los aceleradores de partículas cargadas se construyen en la actualidad. Los primeros experimentos exitosos con iones acelerados artificialmente se llevaron a cabo Cockroft y Walton en 1932 en la Universidad de Cambridge. Mediante el uso de un multiplicador de tensión, los protones son acelerados a 710 keV, y mostraron que este último reacciona con el litio para formar dos partículas alfa. En 1931, la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, Robert Van de Graaff cinta electrostática construyó el primer generador de alto potencial. multiplicador de tensión Cockcroft-Walton generadores y generador de Van de Graaff se sigue utilizando como fuentes de energía para los aceleradores.

El principio de resonancia del acelerador lineal se demostró Rolf Widerøe en 1928. La Universidad Técnica de Renania-Westfalia en Aquisgrán, Alemania, utilizó una alta tensión alterna para acelerar los iones de sodio y potasio a energías por encima de dos veces para contarlas. En 1931 en los Estados Unidos Ernest Lourens y su asistente David Sloan de la Universidad de California, Berkeley, se utiliza los campos de alta frecuencia para acelerar iones de mercurio a energías mayores que 1,2 MeV. Este trabajo se complementa acelerador de partículas cargadas pesadas Wideroe, pero los haces de iones no son útiles en la investigación nuclear.

acelerador de resonancia magnética o ciclotrón, se concibió como una modificación de la instalación Lawrence Wideroe. Estudiante Lawrence Livingston demostró el principio del ciclotrón en 1931, por lo que los iones con una energía de 80 keV. En 1932, Lawrence y Livingston anunció la aceleración de protones hasta más de 1 MeV. Más tarde, en la década de 1930, los ciclotrones de energía alcanzaron cerca de 25 MeV, y el de Van de Graaff – unos 4 MeV. En 1940, Donald Kerst, la aplicación de los resultados de los cálculos cuidadosos de la órbita de la estructura de imán, construido en la Universidad de Illinois, el primero de betatrón, acelerador de electrones de inducción magnética.

La física moderna: aceleradores de partículas

Después de la Segunda Guerra Mundial, hubo un rápido progreso en la ciencia de la aceleración de partículas a altas energías. Comenzó Edwin McMillan en Berkeley y Vladimir Veksler en Moscú. En 1945, los dos son independientemente uno del otro se han descrito el principio de la estabilidad de fase. Este concepto ofrece un medio para mantener las órbitas estables de las partículas en un acelerador circular que elimina las restricciones a la energía de protones y ayudó a crear una aceleradores de resonancia magnética (sincrotrones) para los electrones. Ajuste automático de fases, la aplicación del principio de estabilidad de fase, se confirmó después de la construcción de un pequeño sincrociclotrón en la Universidad de California y el sincrotrón en Inglaterra. Poco después, se creó el acelerador de protones de resonancia primera lineal. Este principio se utiliza en todas las grandes sincrotrones de protones construidos desde entonces.

En 1947, William Hansen, de la Universidad de Stanford en California, construyó el primer acelerador lineal de electrones en la onda viajera, que utiliza la tecnología de microondas que ha sido desarrollado para el radar durante la Segunda Guerra Mundial.

fue posible avanzar en el estudio mediante el aumento de la energía de protones, lo que llevó a la construcción de aceleradores cada vez más grandes. Esta tendencia es de anillo enorme imán alto costo de fabricación se ha detenido. La más grande pesa alrededor de 40.000 toneladas. Los métodos para aumentar la energía sin crecimiento tamaño de la máquina se cribaron en aproximadamente 1.952 godu Livingstone, Courant y Snyder una técnica de alterna de enfoque (a veces llamados fuerte enfoque). Sincrotrones que trabajan en este principio, utilizan imanes 100 veces más pequeño que antes. Tal focalización se utiliza en todos los sincrotrones modernas.

En 1956 Kerst se dio cuenta de que si los dos conjuntos de partículas se retienen en órbitas que se cruzan, se puede ver que chocan. La aplicación de esta idea requiere las vigas de acumulación acelerada en ciclos, llamado acumulativo. Esta tecnología ha alcanzado una energía máxima de las partículas de interacción.